摘 要: 采用三維快速拉格朗日方法( FLAC^3D) 模擬軟土地區(qū)深基坑的分步開挖和支護(hù)過(guò)程。根據(jù)隧道與基坑不同位置關(guān)系，分為“緊貼型”和“淺埋型”兩類、共 7 種工況，分析基坑分步開挖對(duì)鄰近地鐵隧道變形的影響以及隧道對(duì)基坑連續(xù)墻變形和墻后地表位移的影響。數(shù)值分析土體采用修正劍橋模型，考慮了連續(xù)墻和土體的接觸滑移作用。數(shù)值分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)隧道變形大小與基坑距離關(guān)系并不完全單調(diào)，隧道的存在對(duì)基坑墻后土體有明顯的“加筋效應(yīng)”。

關(guān)鍵詞: 基坑開挖; 相鄰隧道; 數(shù)值分析; 修正劍橋模型; 三維快速拉格朗日方法

 

      深基坑工程設(shè)計(jì)和施工需要考慮基坑開挖對(duì)相鄰建筑物的影響。隧道是較為典型的地下建筑物，基坑開挖往往導(dǎo)致鄰近隧道發(fā)生變形，引起隧道漏水、漏泥，影響隧道的使用和適用性，甚至造成隧道主體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞^［1-2］。為了既能夠保證隧道安全運(yùn)行又能在隧道周邊實(shí)施必要的工程建設(shè)，有必要分析兩者間的相互作用規(guī)律，為解決上述問(wèn)題獲得技術(shù)支持。

      王衛(wèi)東等^［1］、高廣運(yùn)等^［2］對(duì)基坑施工引起運(yùn)營(yíng)地鐵車站和隧道的變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)基坑開挖卸荷會(huì)使隧道產(chǎn)生位移，由于隧道相對(duì)土層的剛度較大，隧道的變形以豎向上抬的剛體變位為主。

      本文采用 FLAC^3D建立三維數(shù)值模型，土體采用修正劍橋模型，考慮連續(xù)墻與土體的接觸滑移，分析了不同工況下深基坑開挖與單行隧道間的相互影響。

 

      計(jì)算模型的三維尺寸為 120m × 6m × 100m( y 方向取水平支撐距離) ，基坑平面尺寸 40m × 20m，開挖深度 20m，隧道直徑 6m。地下連續(xù)墻支護(hù)方案，插入比 1． 0。考慮對(duì)稱性，取模型一半計(jì)算。

      模型的邊界條件: 在對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界條件，豎向邊界約束水平方向位移，底面約束三個(gè)方向的位移，上表面邊界自由。

      單元網(wǎng)格采用不均勻網(wǎng)格，基坑開挖區(qū)及其附近和隧道區(qū)的網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)處網(wǎng)格稀疏。地下連續(xù)墻采用 FLAC^3D內(nèi)置的襯砌單元 Liner 模擬，基坑設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如表 1 所示。

      共設(shè) 5 道水平向支撐，采用 FLAC^3D內(nèi)置的能承受彎矩和軸力的梁?jiǎn)卧?Beam 來(lái)模擬，基本參數(shù)如表 2所示。支撐與地下連續(xù)墻之間的連接按剛結(jié)考慮。隧道襯砌采用 Shell 單元模擬，基本參數(shù)如表 3 所示。

      FLAC^3D中的襯砌單元與土體間的切向相互作用具有單面特性，因而不能同時(shí)考慮圍護(hù)墻與內(nèi)、外兩側(cè)土體的相互接觸。計(jì)算模型中采用以下近似處理辦法: 襯砌單元建立在墻外土體區(qū)域的外表面上以模擬圍護(hù)墻與墻外土體的相互接觸作用，圍護(hù)墻與坑內(nèi)土體的相互接觸采用在坑內(nèi)外土體間建立接觸面單元，墻底處襯砌單元節(jié)點(diǎn)與坑內(nèi)外土體網(wǎng)格點(diǎn)自由度耦合，假定墻底處結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)格點(diǎn)變形協(xié)調(diào)。接觸界面摩擦系數(shù)取為 0． 20，最大剪應(yīng)力 20kPa。

      修正劍橋模型能夠反映土體加載與卸載模量的差異，考慮土體材料靜水壓力屈服特性和壓硬性，在軟土地基開挖分析中應(yīng)用非常廣泛。因此本文土體采用修正劍橋模型模擬，上海第③層土的計(jì)算參數(shù)為^［3］: 重度 γ =18． 0，初始孔隙比 e₀= 1． 20，側(cè)壓力系數(shù) K₀= 0． 50，泊松比 ν = 0． 30，v － lnp'平面正常固結(jié)曲線斜率和回彈曲線斜率依次為 λ = 0． 12、κ = 0． 012，p'-q' 平面上臨界狀態(tài)線的斜率 M = 1． 2。

 

      計(jì)算分7 種工況，工況1 基坑附近無(wú)隧道; 工況2 ～工況 5 為“淺埋型”工況，坑深 H =10m，基坑與隧道間距分別為5m、10m、19m、35m; 工況2、工況6、工況7 為“緊貼型”工況，隧道離基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅 5m，坑深 H 分別為 10m、20m、29m，且未考慮加固措施。

數(shù)值模擬的步驟如下:

      ( 1) 施工地下連續(xù)墻并生成地應(yīng)力;

      ( 2) 施工第 1 道支撐并開挖至地面以下 4m 處;

      ( 3) 施工第 2 道支撐并開挖至地面以下 8m 處;

      ( 4) 施工第 3 道支撐并開挖至地面以下 12m 處;

      ( 5) 施工第 4 道支撐并開挖至地面以下 16 處;

      ( 6) 施工第 5 道支撐并開挖至地面以下 20m 處。

      分析模型的第 1 道支撐設(shè)置在地面，因而沒(méi)有懸臂開挖階段，這是深基坑支護(hù)理想的開挖方案。通過(guò)依次激活結(jié)構(gòu)單元、移除相應(yīng)的土體單元和接觸面單元來(lái)實(shí)現(xiàn)基坑的開挖過(guò)程。

 

      如圖 1 所示，基坑開挖會(huì)引起隧道向基坑一側(cè)的水平位移，并隨開挖步的增加逐漸增大; 隧道與基坑水平間距越遠(yuǎn)，基坑開挖引起的隧道最終水平位移越小。

      由圖 2 可知，當(dāng)隧道離基坑較近時(shí)( 工況 2、工況3) ，隨著開挖步的增加，隧道豎向位移先向上后向下，隧道與基坑間距越大，最終豎向位移越小; 當(dāng)隧道距離基坑較遠(yuǎn)時(shí)( 工況 4、工況 5) ，隨著開挖步的增加，隧道豎向位移先向下后向上，距離越遠(yuǎn)，最終豎向位移越小。亦即，對(duì)淺埋型隧道，基坑開挖最終引起隧道豎向位移大小與水平距離之間的關(guān)系并不是單調(diào)的，存在一個(gè)“臨界距離”( 介于工況 3 與工況 4 之間) ，使得基坑最終開挖引起隧道的豎向位移最小。

      基坑開挖會(huì)引起隧道向基坑一側(cè)的水平位移。水平位移隨開挖深度的增大而增大，當(dāng)隧道位于基坑開挖深度附近時(shí)( 工況 6) ，水平位移最小，如圖 3所示。

      由圖 4 可知，除工況 2 外( 該工況的豎向位移較小) ，隧道的位移向上，且隨開挖深度的增大而增大，隧道位于基坑開挖深度附近時(shí)豎向位移最大。

      綜上，當(dāng)隧道位于基坑最終開挖深度附近時(shí)( 工況6) ，隧道變形以豎向位移為主。當(dāng)隧道既“緊貼”又“淺埋”時(shí)( 工況 2) ，隧道變形主要為水平方向。

      先分析沒(méi)有隧道時(shí)( 工況 1) 基坑開挖引起的地表沉降和側(cè)移。如圖 5 和圖 6 所示，墻后地表最大沉降為 15． 20mm，最大沉降的發(fā)生位置并不是位于基坑邊緣，而是位于距離擋墻 18． 1m 處。最大地表側(cè)移為11． 30mm，最大側(cè)移位置距基坑 26． 2m。

      再來(lái)分析淺埋工況下水平距離對(duì)墻后地表位移的影響。如圖 7 和圖 8 所示，有隧道情況下墻后地表最大沉降和側(cè)移均明顯減小，圖 8 中工況 4 墻后地表沉降最小，可知應(yīng)存在一個(gè)“臨界距離”使得墻后地表沉降達(dá)最小值。圖 8 中工況 5 的地表側(cè)移最小，表明隨隧道與基坑間距的增加，墻后地表側(cè)移會(huì)逐步“恢復(fù)”到工況 1 的情況，所以也存在某個(gè)“臨界距離”使得墻后地表最大側(cè)移值最小。

      如圖 9、圖 10 所示，在有隧道且“緊貼”的工況下，墻后地表最大位移明顯減小，隧道埋深位于基坑開挖深度附近時(shí)( 工況 6) ，地表最大沉降達(dá)最小值，但在更遠(yuǎn)的地表處卻產(chǎn)生了一定的隆起和側(cè)移。

      圖 11( a) 和圖 11( b) 分別為淺埋和緊貼工況下基坑最終開挖步下地下連續(xù)墻水平位移曲線。由圖 11( a) 可知，從“淺埋”工況 1 到工況 3，地下連續(xù)墻最大側(cè)移逐漸減小，但是很不明顯。工況 4 和工況 5 地下連續(xù)墻水平位移明顯減小，并且隨隧道與基坑之間的水平距離增大( 工況 4 下連續(xù)墻最大側(cè)移最小) ，地下連續(xù)墻最大側(cè)移增大。因此存在一個(gè)“臨界距離”使地連墻側(cè)移達(dá)最小值。

      由圖 11( b) 可知，“緊貼型”工況當(dāng)隧道埋深在基坑最終開挖深度附近( 工況 6) 時(shí)地下連續(xù)墻最大側(cè)移最小。

 

      ( 1) “淺埋型”工況下，基坑開挖會(huì)引起隧道向基坑一側(cè)的水平位移。水平位移隨開挖步的增加逐漸增大，隧道與基坑水平間距越大，開挖引起的隧道最終水平位移越小。隧道豎向位移與基坑和隧道之間的水平距離關(guān)系并不是單調(diào)的，存在某一“臨界距離”，使得基坑最終開挖引起隧道的豎向位移最小。

      ( 2) “緊貼型”工況下，當(dāng)隧道埋深在基坑最終開挖深度附近時(shí)，隧道變形以豎向?yàn)橹鳌．?dāng)隧道既是“緊貼”又是“淺埋”時(shí)，隧道變形主要為水平方向。

      ( 3) “淺埋型”工況下，隧道存在使得基坑開挖引起的墻外地表沉降和側(cè)移減小，存在不同的“臨界距離”分別使墻后地表最大沉降和最大側(cè)移達(dá)到最小。

      ( 4) “緊貼型”工況下，基坑開挖引起的墻外地表沉降和側(cè)移比無(wú)隧道工況下要小，隧道埋深在基坑最終開挖深度附近時(shí)，地表最大沉降達(dá)最小值，但在更遠(yuǎn)的地表處同時(shí)產(chǎn)生隆起。

      ( 5) “淺埋型”工況下，存在一個(gè)“臨界距離”使得連續(xù)墻側(cè)移達(dá)到最小。

      ( 6) “緊貼型”工況下，當(dāng)隧道埋深在基坑最終開挖深度附近時(shí)，連續(xù)墻最大側(cè)移值達(dá)到最小。

 

［1］ 王衛(wèi)東，吳江斌，翁其平． 基坑開挖卸載對(duì)地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬［J］． 巖土力學(xué)，2004，25( 增 2) :251-255 ( Wang Weidong，Wu Jiangbin，Weng Qiping．Numerical modeling of affection of foundation pit excavation on metro tunnel［J］． Rock and Soil Mechanics，2004，25( S2) : 251-255( in Chinese) )

［2］ 高廣運(yùn)，高盟，楊成斌，等． 基坑施工對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的變形影響及控制研究［J］． 巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32( 3) :453-459( Gao Guangyun，Gao Meng，Yang Chengbin，et al． Influence of deep excavation on deformation of operating metro tunnels and countermeasure［J］． Chinese Journal of Geotechnical and Engineering，2010，32 ( 3 ) : 453-459 ( in Chinese) )

［3］ DGJ 08-37—2002 巖土工程勘察規(guī)范［S］