張治國, 費思異, 邢 李

(上海理工大學 環(huán)境與建筑學院,上海 200093)

雙基坑開挖對鄰近隧道結(jié)構(gòu)變形影響分析

張治國, 費思異, 邢 李

(上海理工大學 環(huán)境與建筑學院,上海 200093)

通過建立三維有限元數(shù)值模型,分析了雙基坑開挖不同施工階段對已有隧道變形的影響.結(jié)果表明:雙基坑與鄰近隧道平行布置時,隧道會發(fā)生較大變形,其水平最大位移比垂直布置時的大10%,且后開挖基坑造成的隧道位移較先開挖基坑變形大7%左右;雙基坑與隧道垂直布置時,遠隧道基坑開挖對隧道影響極小,隧道變形主要由近隧道基坑開挖決定.針對上述水平布置和垂直布置工況均發(fā)現(xiàn),隧道一側(cè)雙基坑開挖施工對隧道的水平位移影響較大,豎向位移約為水平位移的1/10.隧道本身在豎直方向變形為上下向中心擠壓,隧道在水平方向上有指向基坑的側(cè)移,同時隧道本身的變形為中心向兩側(cè)拉伸,且在開挖基坑中心位置對應處隧道的位移與變形最為明顯.

雙基坑開挖;隧道;水平變形;豎向變形

隨著城市地下空間的不斷開發(fā),不可避免地出現(xiàn)了大量鄰近既有地鐵隧道的工程施工.在既有隧道周圍開挖基坑,必然引起基坑周圍土體位移場和應力場的改變,從而導致隧道的變形,威脅隧道運行安全.

近年來,眾多學者[1-12]針對隧道受鄰近基坑開挖影響進行了研究.其中，Xing等[3]結(jié)合上海地鐵4號線、海倫路站周圍10號線的施工案例,采用解析與數(shù)值模擬的方法對該案例進行了分析,提出了地鐵車站地下水處理的措施和保護方案.Zhang等[4]提出了一種預測由于上部基坑開挖引起的隧道變形的計算方法,討論了其變形機制,通過深圳市車公廟綜合交通樞紐工程對該理論進行了驗證.陳錦劍等[5]基于上海陸家嘴金融區(qū)一實際工程,采用有限元模擬軟件模擬分析了兩側(cè)深基坑開挖對穿越其間的淺埋運營隧道的影響.鄭剛等[8]以天津地鐵 1 號線既有隧道箱體上方的西青道下沉隧道基坑工程為背景,采用ABAQUS模擬基坑施工對隧道的影響,并提供了多種保護措施及其效果分析.郭力群等[9]采用Z-soil模擬了內(nèi)支撐基坑群之間的相互作用,分析了地下連續(xù)墻的變形和受力,討論了基坑間距的影響.林杭等[11]采用FLAC3D有限差分軟件,模擬了不同基坑長度、寬度、隧道、基坑相對位置對隧道變形的影響.鄭剛等[12]以天津市某鄰近既有隧道深基坑實測資料為基礎(chǔ),劃分了不同圍護結(jié)構(gòu)變形模式和最大水平位移條件下坑外既有隧道變形影響區(qū).

本文采用三維有限元軟件建立了雙基坑和隧道協(xié)同作用的有限元模型,分析了在既有隧道和雙基坑不同位置布置情況下隧道受施工開挖而造成的水平位移和豎向位移,以及隧道整體變形和立面變形.

1 工程背景

1.1 結(jié)構(gòu)布置

圖1為隧道與雙基坑平面圖.圖2為基坑、隧道和土體的立面圖.基坑尺寸為60 m×60 m,開挖深度為14 m,兩基坑間距為15 m.基坑支護結(jié)構(gòu)包括地下連續(xù)墻、立柱、環(huán)形支撐、圈梁和底板這5部分.隧道埋深13.1 m,基坑與隧道邊水平距離為15 m,隧道內(nèi)直徑為5.5 m,外直徑為6.2 m.土體采用各項同性的摩爾-庫倫模型,土層分布如圖2所示.根據(jù)勘察報告以及工程經(jīng)驗確定如下土體參數(shù):土體重度γ、彈性模量E、泊松比、粘聚力c、摩擦角φ.各土層參數(shù)如表1所示(見下頁).

地下連續(xù)墻高24 m,埋入地下24 m;立柱長22 m,埋入地下24 m;環(huán)形支撐共設置2道,分別位于地下2 m與地下8 m處,環(huán)形支撐布置如圖1所示.

圖1 隧道與基坑平面布置圖

圖2 基坑、隧道與土體立面布置圖

層號土層層厚/mγ/(kN·m-3)E/MPa泊松比c/kPaφ/(°)1填土217.022.50.331015.02粉質(zhì)粘土1418.532.00.322218.53淤泥質(zhì)土1216.917.90.331413.54粉質(zhì)粘土2419.548.50.322521.55砂土618.896.40.24133.06粉質(zhì)粘土3819.256.00.292621.57花崗巖420.0120.00.213030.0

圈梁位于支撐外邊緣與地下連續(xù)墻交界處,圈梁布置如圖2所示;底板位于地下14 m處.各結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示,包括材料重度γ、彈性模量E及結(jié)構(gòu)尺寸.

表2 結(jié)構(gòu)尺寸及材料信息

1.2 工序設置

為了研究隧道受雙基坑開挖的影響,建立了雙基坑平行于既有隧道和雙基坑垂直于既有隧道2個計算模型,2個計算模型的施工工序相同,如表3所示.

表3 施工工序

1.3 數(shù)值模擬方案

結(jié)合上述工程信息,采用有限元軟件建立模型,如圖3所示.圖3(a)為隧道平行于兩基坑開挖情況,圖3(b)為隧道垂直于兩基坑開挖情況.

圖3 雙基坑開挖對既有地鐵隧道影響的有限元模型

2 雙基坑平行于既有隧道布置

通過模擬上述施工方案,研究不同施工階段后隧道襯砌的整體變形,討論基坑開挖對鄰近隧道結(jié)構(gòu)的影響.考慮隧道的上、下頂點為豎向位移改變最明顯位置,選取隧道襯砌上側(cè)頂點A與下側(cè)頂點C研究隧道豎向位移;考慮隧道的左、右端點為水平位移改變最明顯位置,選取隧道襯砌左側(cè)頂點B與右側(cè)頂點D研究隧道水平位移,具體位置如圖4和圖5所示.

2.1 雙基坑平行于既有隧道布置時隧道的豎向位移

圖4(a)為隧道上側(cè)A位置節(jié)點位移曲線.如圖4(a)所示,基坑施工使得對應的隧道A位置節(jié)點產(chǎn)生沉降.由工序2可知,在地下連續(xù)墻施工時,基坑周圍土體沉降,引起隧道在該基坑影響范圍內(nèi)的豎向沉降.但隨著基坑的開挖,隧道與基坑間土體上浮,對比工序2,4,6,隨著基坑的開挖,隧道A位置節(jié)點的最大沉降值不斷減小.對比工序3和工序4可以發(fā)現(xiàn),支撐結(jié)構(gòu)與圈梁對隧道與基坑間土體上浮有一定的抑制作用.工序3隧道的最大位移為-0.89 mm,工序4為-1.01 mm,有效地減少了由于開挖對隧道造成的變形,且工序4的隧道變形均大于工序3的.對比工序6與工序8可以發(fā)現(xiàn),底板澆筑后,隧道的最大位移由-0.55 mm增加至-1.75 mm,明顯地增加了隧道的豎向位移.觀察工序9,11,13,15可知,基坑2開挖時,在基坑2相應位置,隧道變形與基坑1開挖相似.兩基坑對應位置的最大豎向變形均發(fā)生在工序15,變形基本相同.

圖4(b)為隧道下側(cè)C位置節(jié)點位移曲線,與圖4(a)對比發(fā)現(xiàn),隨著基坑的不斷開挖,隧道的豎向變形也是不斷減小的;但從工序6開始,隧道在基坑1對應位置產(chǎn)生明顯的上拱變形.對比工序8與工序6可以發(fā)現(xiàn),在底板澆筑后,對土體的上拱趨勢起到了明顯的抑制作用,隧道的豎向變形整體下移,但上拱趨勢仍然存在.分析工序15可以發(fā)現(xiàn),隧道的豎向變形基本是對稱的,基坑2施工對隧道整體變形的影響與基坑1施工相似.

圖4 雙基坑平行于既有隧道的隧道豎向位移曲線

2.2 雙基坑平行于既有隧道布置時隧道的水平位移

圖5(a)為B位置節(jié)點水平位移曲線.如圖所示,基坑開挖會使隧道產(chǎn)生向基坑方向的水平位移,且隨著開挖的進行,隧道的水平位移也不斷增加.對比工序3與工序4可以發(fā)現(xiàn),工序3水平位移為1.26 mm,工序4水平位移為1.24 mm;支撐與圈梁的施工一定程度上減小了隧道的水平位移,但效果并不顯著.對比工序2,4,6可以發(fā)現(xiàn),地下連續(xù)墻施工基本不會對隧道水平位移產(chǎn)生影響;隨著基坑的開挖,隧道的水平位移不斷增加.在基坑2開挖時,隧道在基坑2開挖對應位置也有相同的變形趨勢.分析所有工序可以發(fā)現(xiàn),基坑1開挖在基坑2相應位置隧道產(chǎn)生的水平位移較大,基坑2中心位置對應的隧道水平位移增加量為1.00 mm;但在基坑1開挖完成后,基坑2開挖在基坑1相應位置造成的水平位移較小,基坑1中心位置增加量僅為0.43 mm;開挖完成后,隧道在基坑2位置的水平位移大于基坑1位置的.>

圖5(b)為隧道右側(cè)D位置節(jié)點水平位移曲線,與圖5(a)相似,隧道左右兩側(cè)的變形趨勢和變形均相同.

2.3 雙基坑平行于既有隧道布置時隧道的變形

圖6(見下頁)為基坑2中心對應位置隧道剖面變形效果圖.圖中工序1為隧道零變形前位置,圖中隧道各節(jié)點的變形位移均為放大100倍后的結(jié)果.結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn),隧道豎向整體位移較小,最大變形均發(fā)生在兩基坑中心對應位置;隧道上側(cè)主要變形為沉降,隧道底部先沉降后拱起.隧道整體豎向變形為上下向中心擠壓,且隨著基坑的開挖,擠壓效果越來越明顯.結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn),隨著基坑的開挖,隧道整體發(fā)生指向基坑方向的水平位移,最大變形均發(fā)生在兩基坑中心對應位置;基坑開挖對隧道近基坑側(cè)影響大于遠基坑側(cè)影響.基坑水平位置整體變形為中心向兩側(cè)拉伸.

圖6 雙基坑平行于既有隧道的隧道變形

3 雙基坑垂直于既有隧道布置

3.1 雙基坑垂直于既有隧道布置時隧道的豎向位移

圖7(a)為A位置節(jié)點位移曲線.工序2,4,6,8均為較遠的基坑施工,由圖可知,遠隧道的基坑開挖會造成土體整體沉降,隨著基坑的開挖,隧道的沉降不斷增加,但沉降值最大僅為-0.05 mm,可以忽略不計.對比工序12與工序13可以發(fā)現(xiàn),支撐和圈梁的施工對基坑變形起到了很好的抑制作用,從而使隧道的豎向位移有很明顯的減小.對比工序9,11,13,15可以發(fā)現(xiàn),由于基坑開挖造成隧道與基坑間土體上浮,隧道豎向位移不斷減小,底板的澆筑很好地抑制了隧道與基坑間土體上浮,但增加了隧道的豎向沉降.分析工序9,11,13,15可以發(fā)現(xiàn),隧道在基坑影響范圍內(nèi)變形較大,且隨著基坑的進一步開挖,隧道的變形范圍不斷縮小.

圖7(b)為隧道底部C位置節(jié)點位移曲線.對比工序9,11,13,15可以發(fā)現(xiàn),隨著基坑的開挖,隧道先產(chǎn)生下凹局勢,受隧道與基坑間土體上浮作用的影響,隧道下凹趨勢減弱,變形慢慢改變?yōu)樯瞎摆厔?隨著基坑開挖深度的不斷增加,隧道產(chǎn)生一個向上的位移,對比工序13與工序15可以發(fā)現(xiàn),底板的澆筑則很好地抑制了隧道向上位移的增加,且使隧道產(chǎn)生了一個向下的整體沉降.

3.2 雙基坑垂直于既有隧道布置時隧道的水平位移

圖8(a)為隧道左側(cè)B點位置節(jié)點水平位移曲線,圖8(b)與圖8(a)相似,隧道左右兩側(cè)的變形趨勢和變形均相同.

圖7 雙基坑垂直于既有隧道的隧道豎向位移曲線

圖8 雙基坑垂直于既有隧道的隧道水平位移曲線

3.3 雙基坑垂直于既有隧道布置時隧道的變形

圖9為基坑2中心對應位置隧道剖面變形效果圖.圖中工序1為隧道零變形前位置,圖中隧道各節(jié)點的變形位移均為放大100倍后的結(jié)果.分析工序1與工序8可以發(fā)現(xiàn),遠基坑開挖對隧道位移與變形影響極小,圖中工序1和工序8隧道基本重合.結(jié)合圖7可以發(fā)現(xiàn),隧道上側(cè)發(fā)生向下的沉降;隧道底部發(fā)生上拱趨勢.隧道整體的豎向變形為上下向中心擠壓.結(jié)合圖8可以發(fā)現(xiàn),隧道整體向開挖基坑靠攏,基坑開挖對隧道近基坑側(cè)影響大于遠基坑側(cè)影響.基坑整體的水平變形為中心向兩側(cè)拉伸.

圖9 雙基坑垂直于既有隧道的隧道變形

4 結(jié) 論

研究了雙基坑開挖對鄰近隧道的影響.通過三維有限元模擬軟件進行了數(shù)值分析,得到以下結(jié)論:

a. 基坑開挖會使鄰近隧道上部產(chǎn)生下凹趨勢沉降,隧道底部則會產(chǎn)生上拱趨勢的豎向變形.隨著基坑開挖深度的不斷增加,隧道與基坑間土體上浮會減小隧道上部沉降趨勢,增加隧道底部上拱趨勢,從而使隧道在豎向的位移較小.隧道本身的豎向變形為向中心擠壓,且在基坑開挖處變形最為明顯.

b. 基坑開挖會使鄰近隧道發(fā)生指向基坑位置的水平位移,且越靠近基坑中心位置,隧道的水平位移越大.隨著基坑開挖深度的不斷增加,隧道的水平位移會不斷增加,隧道右側(cè)與隧道左側(cè)變形基本相同.基坑開挖會使隧道產(chǎn)生中心向兩側(cè)拉伸變形,且在基坑開挖處的變形最為明顯.

c. 雙基坑平行或垂直既有隧道布置均會對隧道產(chǎn)生較大的水平位移影響.平行布置時,兩基坑均會使隧道產(chǎn)生較大的變形,且先開挖基坑對總體變形的影響較大,后開挖基坑對先開挖基坑變形影響較小,但在后開挖基坑變形處產(chǎn)生的隧道水平位移較大.垂直布置時,遠隧道基坑對隧道位移與變形的影響很小,且影響均為整體的水平位移.近隧道基坑的開挖對隧道變形影響有決定性的作用.

[1] TAN Y,LI X,KANG Z J,et al.Zoned excavation of an oversized pit close to an existing metro line in stiff clay:case study[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2015,29(6):04014158.[2] ZHANG H B,CHEN J J,FAN F,et al.Deformation monitoring and performance analysis on the shield tunnel influenced by adjacent deep excavations[J].Journal of Aerospace Engineering,2017,30(2):B4015002.

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(編輯:石 瑛)

Analysis on the Influence of Adjacent Double Foundation Pit Excavation on Tunnel Deformations

ZHANG Zhiguo, FEI Siyi, XING Li

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

The deformations of an existing tunnel induced by the adjacent double foundation pit excavation at different construction stages were analyzed by establishing a 3D finite element model.The results show that the deformation of the tunnel is great when the double foundation pit is parallel to the adjacent tunnel,and the maximum horizontal displacement is approximately 10% larger than the displacement when the double foundation pit is perpendicular to the tunnel.The later pit excavated later will cause larger deformation of the tunnel than that excavated earlier by about 7%.The excavation of the pit far from the tunnel has few influences on the deformation of the tunnel when the double foundation pit is perpendicular to the adjacent tunnel.The tunnel deformation is mainly determined by the excavation of the foundation pit near the tunnel.No matter which kind of layout,it is found that the excavation of double foundation pit on one side of the tunnel causes superior influence on the horizontal displacement and little influence on the vertical direction of the tunnel.The vertical displacement is about 1/10 of the horizontal displacement.The vertical deformation of the tunnel is an extrusion from two sides to the center of the tunnel.The horizontal displacement of the tunnel is pointed to the side of pit and the horizontal deformation ofthe tunnel is a tension from center to the edge sides of the tunnel.The most obvious displacement and deformation of the tunnel appear at the place corresponding to the center of the excavated pit.

doublefoundationpitexcavation;tunnel;horizontaldeformation;verticaldeformation

1007-6735(2017)02-0176-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.014

2016-11-21

上海市自然科學基金資助項目(15ZR1429400)

張治國(1978-),男,副教授.研究方向:地下工程施工對周邊環(huán)境影響控制.E-mail:zgzhang@usst.edu.cn

TU 430

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