基坑開挖隔離墻措施對既有水工隧洞保護作用分析

章 賽，張 迅

(杭州市富陽區(qū)水利水電工程監(jiān)管中心，浙江 杭州 311400 )

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展及基建水平的快速提高，水利工程的建設(shè)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢，相繼建成的三峽工程、錦屏水電站工程均表明我國水利工程建設(shè)已達到了世界先進水平[1- 2]。水利工程與居民的生活息息相關(guān)，水電站、水庫等工程的建設(shè)極大程度上增加了居民生活的便利，并提高了居民生活質(zhì)量[3]。為節(jié)約土地資源、合理利用地形，隧洞的建設(shè)可提高輸水的效率，降低水資源損失，已被逐漸廣泛應(yīng)用于輸水工程建設(shè)中[4]。在浙江地區(qū)，華光潭水電站、杭州西區(qū)水廠均采用隧洞進行輸水，這極大地提高了輸水效率[5- 6]。由于隧洞位于地下一定深度內(nèi)，在進行相鄰建筑物基坑施工時極可能對既有水工隧洞造成一定影響，因此在進行基坑開挖時，需采取一定的措施保護既有水工隧洞。

基坑開挖均會對周圍建筑物及土體造成一定的影響，尤其對隧洞工程等地下工程的影響顯著。Burford[7]研究了基坑開挖對隧洞變形影響，指出倫敦某基坑開挖27年后，周圍隧洞工程隆起變形達到了50mm左右，遠高于允許值；郜新軍等[8]研究了基坑開挖狀態(tài)下對臨近管線工程的影響，并綜合分析了注漿法、微型樁法及二者聯(lián)合的三種加固措施的加固效果，指出基坑開挖深度越大，管線工程位移越高，同時二者聯(lián)合的方法為最優(yōu)加固措施；李福林[9]基于三維有限元分析對深基坑開挖對深層土體變形的影響進行了研究，同樣指出隨著開挖深度的增加，土體變形增大；孫超等[10]研究了基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，指出基坑開挖將導(dǎo)致建筑物發(fā)生不均勻沉降，對建筑物的影響顯著。

目前，對于基坑支護措施的研究主要集中在隔離墻、圍護樁等方面，其中隔離墻由于具有施工難度較低、支護效果較好的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于基坑支護中[11- 12]。目前針對隔離樁支護穩(wěn)定方面的研究，已取得了一定的進展[13]，但具體針對隔離墻措施對基坑開挖下的建筑物的保護作用的量化分析方面的研究較少，尤其對水工隧洞的影響的研究較少。因此，為了解隔離墻對于水工隧洞的保護作用，文章基于實測位移及Midas三維有限元分析軟件，分析施加隔離墻前后對隧洞不同方向位移的影響，并構(gòu)建隔離墻措施與水工隧洞的三維有限元分析模型，模擬隧洞位移變形，為隔離墻在基坑開挖施工中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 監(jiān)測點布設(shè)及三維有限元模型構(gòu)建

隔離墻保護下基坑開挖對隧洞位移影響的模型的基本結(jié)構(gòu)組成部分如圖1所示。由圖1可知，隔離墻措施由地連墻及隔斷墻2部分組成，二者之間由直徑為1m的連系梁連接，水工隧洞直徑為6m，所在土層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成由上到下依次為0～2m的雜填土層、2～8m的粉土層、8～14m的粉質(zhì)黏土層、14～20m的粉細砂土層和20m以下的砂巖層，不同土層基本特性可見表1。在隧洞周圍布設(shè)位移監(jiān)測點，分析施加隔離墻前后對隧洞不同方向位移的影響。

表1 土層參數(shù)基本特性表

基于Midas三維有限元分析軟件構(gòu)架三維有限元分析模型，如圖2所示。圖2中與圖1中的結(jié)構(gòu)形式基本一致，基坑開挖的順序、深度、隔離墻的組成結(jié)構(gòu)及土層分布情況均一致?；谠撃Ｐ涂沙浞址治鍪┘痈綦x墻前后基坑開挖對隧洞位移的影響，可進一步佐證實測值的研究結(jié)論。

圖1 計算模型剖面圖

圖2 三維有限元計算網(wǎng)絡(luò)圖

2 結(jié)果與分析

2.1 施加隔離墻前后對隧洞周圍土體保護作用分析

圖3為施加隔離墻前后對水工隧洞周圍土體的影響。其中，圖3(a)為對不同埋深土地橫向位移的影響，圖3(b)為對不同橫向距離土體縱向沉降位移的影響。圖3(a)顯示，不同措施下土體橫向位移的分布規(guī)律基本一致，隨著土層埋深的增加，橫向位移均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，施加隔離墻后不同土體埋深范圍內(nèi)的橫向位移分布更加均勻，最大橫向位移均發(fā)生在埋深15m左右的范圍內(nèi)，施加隔離墻前后的土體最大橫向位移分別為5.42mm和3.83mm，施加隔離墻后土體位移平均降低了26.4%，表明隔離墻的施加可明顯降低土體橫向位移，對土體起到保護作用。圖3(b)顯示，隨著橫向距離的增加，豎向沉降值呈現(xiàn)先增加后降低最后區(qū)域平穩(wěn)的趨勢，施加隔離墻后的平穩(wěn)沉降值為1.36mm，而未施加措施的平穩(wěn)沉降值為1.49mm。施加隔離墻前后的最大沉降值均出現(xiàn)在橫向距離為12m附近，最大沉降值分別為2.38mm和1.98mm，因此，隔離墻措施的施加可明顯降低土體橫向和豎向位移，對土體有明顯的保護作用。

圖3 施加隔離墻前后對隧洞周圍土體影響

2.2 施加隔離墻前后對隧洞保護作用分析

圖4為施加隔離墻前后對水工隧洞的影響。其中，圖4(a)為對隧洞水平位移的影響，圖3(b)為對隧洞豎向位移的影響。圖4(a)顯示，施加隔離墻后隧洞不同位置的水平位移均低于未施加情況，其中隧洞左側(cè)位移要明顯高于右側(cè)，這可能是由于隧洞左側(cè)區(qū)域更靠近基坑開挖工程的緣故，隧洞頂部和底部的位移基本對稱，可保證隧洞的正常運行。圖4(b)顯示，未施加隔離墻的隧洞監(jiān)測點，隧道左右兩側(cè)和底部z向位移均明顯大于施加隔離墻工況，說明施加隔離墻后隧洞整體穩(wěn)定，而未施加隔離墻隧洞整體下沉較為明顯。因此，施加隔離墻同樣對隧洞結(jié)構(gòu)有著明顯的保護作用。

圖4 施加隔離墻前后對隧洞主體結(jié)構(gòu)影響

2.3 施加隔離墻前有限元模型位移三維云圖分析

圖5為施加隔離墻前后隧洞-接坑-土體三維有限元模型水平位移的三維云圖。由圖5可以看出，不同工況下不同位置橫向位移分布存在一定的差異，其中，基坑底角部位置的橫向位移最大，且基坑2個底角部呈對稱分布，在相同位置施加隔離墻后的橫向向位移明顯小于未施加隔離墻工況，施加隔離墻后隧洞周圍位移分布取值明顯低于未施加隔離墻工況，位移分別為3.33mm和4.31mm，這表明施加隔離墻均可降低橫向位移的數(shù)值，對隧洞和基坑附近土體在水平方向均具有一定的保護作用，同時驗證了上述結(jié)論。

圖5 施加隔離墻前后模型橫向位移分布

圖6為施加隔離墻前后隧洞表面豎向位移的三維云圖。由圖6可以看出，不同工況的豎向位移分布規(guī)律均呈現(xiàn)為隧洞頂部位置最大，且呈對稱分布，施加隔離墻后隧洞豎向位移小于未施加隔離墻工況，最大豎向位移值分別為2.00、2.33mm，這表明施加隔離墻可降低隧洞表面豎向位移的數(shù)值，對隧洞和基坑附近土體在豎向沉降方向具有一定的保護作用。

圖6 施加隔離墻前后隧洞表面豎向位移分布

3 結(jié)論

(1)隔離墻的施加對基坑開挖范圍內(nèi)的土體具有一定的保護作用，施加隔離墻可明顯降低土地的橫向和豎向位移。

(2)隔離墻的施加對隧洞結(jié)構(gòu)具有一定的保護作用，施加隔離墻后隧洞不同位置的水平位移均低于未施加情況，施加隔離墻后隧洞整體穩(wěn)定，而未施加隔離墻隧洞整體下沉較為明顯。

(3)通過分析模型三維云圖可知，隔離墻的施加對整體結(jié)構(gòu)的橫向位移和豎向位移均有一定的降低作用，對基坑開挖下的土體和隧洞可明顯起到保護作用。

(4)文章形象地表征了隔離墻對基坑開挖下土體和隧洞的保護作用，表明隔離墻措施的保護效果較好，在今后的研究中，可基于不同長度隔離墻對土體和隧洞保護作用分析，得出隔離墻最優(yōu)長度的施工方案，進一步為隔離墻應(yīng)用提供基礎(chǔ)。