鄰近基坑開挖順序?qū)扔兴淼赖淖冃斡绊懛治?/h1>
2021-09-14 03:27:30朱國權(quán)司壹恒葉俊能
寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版) 2021年5期
朱國權(quán) ,陸 幸 ,司壹恒 ,葉俊能
（1.中化地質(zhì)礦山總局浙江地質(zhì)勘查院,浙江 杭州 310002;2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司,浙江 寧波 315010;3.寧波大學(xué) 巖土工程研究所,浙江 寧波 315211）
隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展,城市中人口密集,土地資源有限,不可避免會(huì)出現(xiàn)新建構(gòu)筑物與既有地下交通隧道緊鄰的情況.常見基坑都具有開挖區(qū)域?qū)拸V,開挖深度大以及周邊地下環(huán)境狀況復(fù)雜的特點(diǎn)[1],而地鐵隧道作為重要的運(yùn)輸方式也有著嚴(yán)格的保護(hù)要求[2],因此如何在近接隧道的基坑施工過程中,嚴(yán)格控制基坑自身安全及隧道變形已經(jīng)成了巖土學(xué)者密切關(guān)注的技術(shù)難題之一.
Sharma 等[3]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開挖施工過程中引起隧道水平位移朝向基坑側(cè),豎向位移向地面?zhèn)?其中最大水平位移發(fā)生在隧道頂部,最大豎向位移發(fā)生在靠近基坑一側(cè).況龍川等[4]研究發(fā)現(xiàn)隧道豎向位移方向與其周邊土體位移相關(guān),且基坑開挖造成隧道周邊地應(yīng)力是在不斷變化的.陳郁等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基坑開挖導(dǎo)致坑底土體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化,從而發(fā)生坑底土體回彈,造成隧道產(chǎn)生向地面?zhèn)鹊呢Q向變形.孔令榮等[6]提出隧道結(jié)構(gòu)的位移變形主要受基坑與隧道間的相對(duì)距離以及開挖過程中時(shí)空效應(yīng)兩方面的影響.邵華等[7]發(fā)現(xiàn)對(duì)隧道影響最大的因素是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和基坑坑底土體回彈隆起,考慮到時(shí)空效應(yīng)的影響,提出對(duì)基坑進(jìn)行分區(qū)順序開挖,可有效地控制隧道結(jié)構(gòu)的位移變形.伍尚勇等[8]利用Midas/GTS 研究了既有隧道兩側(cè)深基坑在不同開挖順序施工時(shí),對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移變形的影響.左殿軍等[9]選用了ABAQUS 數(shù)值模擬軟件,研究基坑近接開挖施工對(duì)既有隧道的擾動(dòng)影響.劉方梅[10]則選取了HSS 土體計(jì)算模型來研究基坑和既有隧道的空間位置、基坑分區(qū)開挖、隧道周邊土體擾動(dòng)、地下水水位和單雙基坑同時(shí)開挖施工等多種工況下對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響.王罡[11]利用ANSYS 有限元分析軟件分析了基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的擾動(dòng)規(guī)律,提出了隧道結(jié)構(gòu)變形的控制標(biāo)準(zhǔn).鄭剛等[12]、杜一鳴[13]通過有限元方法研究了隔離樁對(duì)基坑的牽引作用,提出了最佳的隔離樁樁頭埋深.此外,魏少偉[14]、王強(qiáng)[15]、林杭等[16]都運(yùn)用有限元對(duì)不同工況下基坑開挖對(duì)鄰近隧道的影響進(jìn)行了研究.
本文以寧波軌道交通2 號(hào)線鼓外區(qū)間側(cè)方近接的綠地中心深基坑工程為案例,采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法,研究了深基坑開挖過程中對(duì)既有運(yùn)營隧道的變形影響規(guī)律,并探討了基坑開挖順序和隔離樁設(shè)置方式的影響,可為類似工程提供參考.
1 基坑開挖對(duì)隧道影響測(cè)試
1.1 工程概況
寧波綠地中心項(xiàng)目基坑面積約41 000 m2,周長(zhǎng)約885 m.基坑采用分區(qū)順作開挖方式,被劃分為6 個(gè)區(qū)域開挖,其中Ⅱ區(qū)又被劃分為5 個(gè)基坑,共10 個(gè)基坑,分階段進(jìn)行開挖(圖1).基坑開挖順序如下:Ⅰ區(qū)→III 區(qū)→II-D 區(qū)→IV 區(qū)、Ⅴ區(qū)→II-E區(qū)→II-A 區(qū)→II-B→II-C 區(qū)→VI 區(qū).在前個(gè)區(qū)域地下室結(jié)構(gòu)施工完成后,才可進(jìn)行下個(gè)區(qū)域的基坑開挖.
鼓外區(qū)間隧道直徑為6.2 m,中心距為13.8 m,隧道頂埋深約9 m,底埋深約15.2 m,隧道位于基坑西北側(cè),距離綠地中心地下室最近距離約為11.5 m.由于本項(xiàng)目距軌道交通2 號(hào)線鼓外區(qū)間隧道較近(圖1),地鐵保護(hù)工作要求較高.在基坑開挖過程中,對(duì)隧道水平位移、隧道沉降、道床沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè).
對(duì)鼓外區(qū)間隧道進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè),隧道內(nèi)每5 環(huán)(6 m)布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,上行線隧道共布設(shè)22 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖2).
圖2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析所選取數(shù)據(jù)點(diǎn)示意圖
1.2 測(cè)試結(jié)果
1.2.1 隧道水平位移
圖 3 為基坑各分區(qū)開挖完成后隧道拱頂水平位移變化圖.隧道水平位移隨著各區(qū)域開挖,整體增大,位移最大出現(xiàn)在DMS-13C 的位置,最大水平位移為14.6 mm.隧道結(jié)構(gòu)水平位移主要受I 區(qū)和II 區(qū)開挖影響較大.前期I 區(qū)、III 區(qū)施工時(shí),隧道前部靠近該區(qū)域的部分水平位移增加較大,其余部分變形較小.II 區(qū)各分基坑施工時(shí)隧道中部靠近該基坑的部分水平位移增加較大,其中II-E 區(qū)、II-B 區(qū)、II-C 區(qū)的3 個(gè)距離隧道較近的分基坑開挖時(shí),隧道水平位移增量最大;而隧道的后部由于距離基坑相對(duì)較遠(yuǎn),因此水平位移整體變化不大,且在基坑施工的后期發(fā)生了回彈.
圖3 分區(qū)開挖完成后隧道拱頂水平位移變化
圖 4 為DMS-13C 點(diǎn)位移時(shí)程圖.由圖可見,在I 區(qū)及III 區(qū)開挖完畢后,該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處隧道水平位移為負(fù)值,即位移趨向于遠(yuǎn)離基坑方向;在II-D 區(qū)開挖施工后,隧道該點(diǎn)處才開始向基坑側(cè)發(fā)生水平位移,并隨著其余各基坑的開挖而逐漸增加;其中水平位移增量最大的施工階段為II-E 區(qū)、II-B 區(qū)、II-C 區(qū)的3 處分基坑的開挖施工,位移增量均在3 mm 以上,這3 個(gè)分基坑在空間關(guān)系上與隧道距離最近,且在II-E 區(qū)進(jìn)行施工開挖時(shí),水平位移增量最大,達(dá)到4.3 mm.
圖4 最大位移點(diǎn)時(shí)程變化
1.2.2 隧道沉降
圖 5 和圖6 分別為各分區(qū)開挖完成后隧道拱頂、拱底沉降變化圖.由圖可見,隧道拱頂沉降和拱底沉降變化趨勢(shì)基本一致,且都隨著基坑區(qū)域的開挖而逐漸增大,拱頂最大沉降出現(xiàn)在DMS-13C 處,最大拱頂沉降為-25.8 mm;拱底沉降最大出現(xiàn)在JS-13D 處,最大拱底沉降為-25.0 mm,最終隧道拱頂沉降量略大于拱底沉降.
圖5 分區(qū)開挖完成后隧道拱頂沉降變化
圖6 分區(qū)開挖完成后隧道拱底沉降變化
在各區(qū)域分階段開挖施工中,在開挖如III 區(qū)、II-D 區(qū)、II-E 區(qū)面積較大的分基坑時(shí),隧道沉降變化量也相對(duì)較大.
圖 7 為拱頂、拱底沉降時(shí)程變化圖.可見隧道拱頂與拱底的下沉量隨各個(gè)基坑的開挖施工中逐漸增加,且整個(gè)基坑開挖過程中,隧道拱頂沉降始終大于拱底沉降.在圖中沉降變化量較大施工區(qū)域?yàn)镮II 區(qū)、II-D 區(qū)、II-E 區(qū)以及II-C 區(qū).其中II-C區(qū)分基坑施工過程中沉降量變化值較大,是因?yàn)樗淼琅c該區(qū)域基坑距離較近,III區(qū)雖然與隧道距離較遠(yuǎn),但由于其開挖面積較大,隧道沉降也較大,II-D 和II-E 區(qū)開挖面積大,隧道沉降也大.
圖7 拱頂、拱底沉降時(shí)程變化
1.2.3 道床沉降
在圖8 和圖9 分別為隧道左線和右線道床沉降變化圖.由圖可見,隨著各分區(qū)基坑的開挖,道床沉降逐漸增大,左右線變化趨勢(shì)基本一致,最大沉降均出現(xiàn)DCS-13 測(cè)點(diǎn)處,左側(cè)隧道沉降最大值為-14.6 mm,右側(cè)隧道沉降最大值為-13.9 mm.在各區(qū)域分階段開挖施工中,開挖面積較大的分基坑如II-D 區(qū)、II-E 區(qū)等開挖時(shí),隧道的道床沉降變化量也較大,可見道床沉降除了與基坑和隧道距離有關(guān)之外,與基坑面積也有關(guān).
圖8 分區(qū)開挖完成后隧道左側(cè)道床沉降變化
圖9 分區(qū)開挖完成后隧道右側(cè)道床沉降變化
2 基坑開挖順序?qū)λ淼烙绊懹邢拊M
對(duì)于鄰近軌道交通的基坑開挖是先遠(yuǎn)坑后近坑,還是先近坑后遠(yuǎn)坑有一定的爭(zhēng)論.為此,本節(jié)采用有限元方法討論基坑分區(qū)、分塊開挖順序?qū)λ淼雷冃蔚挠绊?通過設(shè)置4 個(gè)新的工況(表1)與原開挖工況(工況一)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析開挖順序?qū)扔兴淼雷冃蔚挠绊?
表1 不同工況各施工階段開挖區(qū)域
2.1 模型的建立
采用PLAXIS 3D 模擬寧波綠地中心基坑開挖順序?qū)λ淼烙绊?模型尺寸為長(zhǎng)400 m,寬330 m,深度55 m,初始地下水位為地下1.9 m.模型邊界條件為底部完全約束,上表面為自由面,其他面約定其法向位移.網(wǎng)格劃分如圖10 所示,總體網(wǎng)格密度為中等,網(wǎng)格單元數(shù)608 747,節(jié)點(diǎn)數(shù)為852 553.土體共劃分為9 層,采用HSS 本構(gòu)模型,具體參數(shù)見表2.每層土體深度分別為2.6、1.3、4.0、13.7、7.4、5.1、9.5、3.1、8.3 m,土層總深度為55 m.
圖10 有限元模型
表2 土體HSS 模型參數(shù)
基坑近隧道側(cè)采用1 000 mm 厚、埋深46 m 地下連續(xù)墻,其他邊采用800 mm 厚、埋深41 m 地下連續(xù)墻,墻體的彈性模量3.00×107kN·m-3,泊松比0.2;模型中隧道厚度0.35 m,采用板單元,其彈性模量3.00×107kN·m-3,泊松比0.2.
2.2 模擬結(jié)果及分析
2.2.1 模型驗(yàn)證
將工況一的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖11和12所示),可以看出,計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合.在前期I、III 區(qū)、II-D 區(qū)以及IV、V 區(qū)分基坑進(jìn)行開挖時(shí),實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果接近,驗(yàn)證了模型的合理性.
圖11 隧道水平位移對(duì)比
圖12 隧道沉降對(duì)比
在II-E 區(qū)分基坑開挖階段,軌道交通開始運(yùn)營,給隧道帶來了較大的影響,故II-E 區(qū)后續(xù)施工引起的隧道沉降結(jié)果大于模擬結(jié)果.
2.2.2 分區(qū)開挖順序影響
按表1 各工況給定的順序?qū)舆M(jìn)行挖,隧道水平位移、沉降計(jì)算結(jié)果如圖13 和圖14 所示.對(duì)比所有工況的位移變化,工況五最終累計(jì)位移均小于其他工況,且除了開挖階段二之外,其余3 個(gè)階段增量位移也都小于其他工況中對(duì)應(yīng)階段的位移增量.將工況五與工況一進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),將引起隧道變形最大的階段一安排在最后施工可以有效地減小隧道變形.
圖13 不同施工順序時(shí)隧道水平位移對(duì)比
圖14 不同施工順序時(shí)隧道沉降位移對(duì)比
將工況五與工況四進(jìn)行對(duì)比,將距離隧道更近的II-C 區(qū)分基坑安排在距離基坑相對(duì)較遠(yuǎn)的II-A 區(qū)分基坑之后進(jìn)行施工時(shí),隧道累計(jì)位移變形較小.將工況五與工況二進(jìn)行對(duì)比分析,根據(jù)其計(jì)算結(jié)果可知,距離既有隧道最近的II-A 區(qū)、II-B 區(qū)、II-C 區(qū)在分隔開挖時(shí),隧道累計(jì)位移變形較小.綜上,鄰近軌道交通的基坑開挖時(shí),應(yīng)先遠(yuǎn)坑后近坑,先小坑后大坑,并采取跳挖的施工順序.
3 結(jié)論
(1)基坑開挖完成后,既有隧道的最大水平位移、最大沉降均發(fā)生在與基坑距離最小處,且隧道拱頂沉降較拱底沉降大.
(2)隧道沉降與道床沉降受基坑分塊、分區(qū)開挖區(qū)域面積的影響較大,兩者關(guān)系呈正相關(guān),即開挖區(qū)域基坑面積越大,隧道沉降和道床沉降變形增量越大.
(3)鄰近軌道交通的基坑開挖時(shí),應(yīng)先遠(yuǎn)坑后近坑,先小坑后大坑,并采取跳挖的施工順序.
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Sharma 等[3]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開挖施工過程中引起隧道水平位移朝向基坑側(cè),豎向位移向地面?zhèn)?其中最大水平位移發(fā)生在隧道頂部,最大豎向位移發(fā)生在靠近基坑一側(cè).況龍川等[4]研究發(fā)現(xiàn)隧道豎向位移方向與其周邊土體位移相關(guān),且基坑開挖造成隧道周邊地應(yīng)力是在不斷變化的.陳郁等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基坑開挖導(dǎo)致坑底土體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化,從而發(fā)生坑底土體回彈,造成隧道產(chǎn)生向地面?zhèn)鹊呢Q向變形.孔令榮等[6]提出隧道結(jié)構(gòu)的位移變形主要受基坑與隧道間的相對(duì)距離以及開挖過程中時(shí)空效應(yīng)兩方面的影響.邵華等[7]發(fā)現(xiàn)對(duì)隧道影響最大的因素是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和基坑坑底土體回彈隆起,考慮到時(shí)空效應(yīng)的影響,提出對(duì)基坑進(jìn)行分區(qū)順序開挖,可有效地控制隧道結(jié)構(gòu)的位移變形.伍尚勇等[8]利用Midas/GTS 研究了既有隧道兩側(cè)深基坑在不同開挖順序施工時(shí),對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移變形的影響.左殿軍等[9]選用了ABAQUS 數(shù)值模擬軟件,研究基坑近接開挖施工對(duì)既有隧道的擾動(dòng)影響.劉方梅[10]則選取了HSS 土體計(jì)算模型來研究基坑和既有隧道的空間位置、基坑分區(qū)開挖、隧道周邊土體擾動(dòng)、地下水水位和單雙基坑同時(shí)開挖施工等多種工況下對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響.王罡[11]利用ANSYS 有限元分析軟件分析了基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的擾動(dòng)規(guī)律,提出了隧道結(jié)構(gòu)變形的控制標(biāo)準(zhǔn).鄭剛等[12]、杜一鳴[13]通過有限元方法研究了隔離樁對(duì)基坑的牽引作用,提出了最佳的隔離樁樁頭埋深.此外,魏少偉[14]、王強(qiáng)[15]、林杭等[16]都運(yùn)用有限元對(duì)不同工況下基坑開挖對(duì)鄰近隧道的影響進(jìn)行了研究.
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1 基坑開挖對(duì)隧道影響測(cè)試
1.1 工程概況
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鼓外區(qū)間隧道直徑為6.2 m,中心距為13.8 m,隧道頂埋深約9 m,底埋深約15.2 m,隧道位于基坑西北側(cè),距離綠地中心地下室最近距離約為11.5 m.由于本項(xiàng)目距軌道交通2 號(hào)線鼓外區(qū)間隧道較近(圖1),地鐵保護(hù)工作要求較高.在基坑開挖過程中,對(duì)隧道水平位移、隧道沉降、道床沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè).
對(duì)鼓外區(qū)間隧道進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè),隧道內(nèi)每5 環(huán)(6 m)布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,上行線隧道共布設(shè)22 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖2).
圖2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析所選取數(shù)據(jù)點(diǎn)示意圖
1.2 測(cè)試結(jié)果
1.2.1 隧道水平位移
圖 3 為基坑各分區(qū)開挖完成后隧道拱頂水平位移變化圖.隧道水平位移隨著各區(qū)域開挖,整體增大,位移最大出現(xiàn)在DMS-13C 的位置,最大水平位移為14.6 mm.隧道結(jié)構(gòu)水平位移主要受I 區(qū)和II 區(qū)開挖影響較大.前期I 區(qū)、III 區(qū)施工時(shí),隧道前部靠近該區(qū)域的部分水平位移增加較大,其余部分變形較小.II 區(qū)各分基坑施工時(shí)隧道中部靠近該基坑的部分水平位移增加較大,其中II-E 區(qū)、II-B 區(qū)、II-C 區(qū)的3 個(gè)距離隧道較近的分基坑開挖時(shí),隧道水平位移增量最大;而隧道的后部由于距離基坑相對(duì)較遠(yuǎn),因此水平位移整體變化不大,且在基坑施工的后期發(fā)生了回彈.
圖3 分區(qū)開挖完成后隧道拱頂水平位移變化
圖 4 為DMS-13C 點(diǎn)位移時(shí)程圖.由圖可見,在I 區(qū)及III 區(qū)開挖完畢后,該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處隧道水平位移為負(fù)值,即位移趨向于遠(yuǎn)離基坑方向;在II-D 區(qū)開挖施工后,隧道該點(diǎn)處才開始向基坑側(cè)發(fā)生水平位移,并隨著其余各基坑的開挖而逐漸增加;其中水平位移增量最大的施工階段為II-E 區(qū)、II-B 區(qū)、II-C 區(qū)的3 處分基坑的開挖施工,位移增量均在3 mm 以上,這3 個(gè)分基坑在空間關(guān)系上與隧道距離最近,且在II-E 區(qū)進(jìn)行施工開挖時(shí),水平位移增量最大,達(dá)到4.3 mm.
圖4 最大位移點(diǎn)時(shí)程變化
1.2.2 隧道沉降
圖 5 和圖6 分別為各分區(qū)開挖完成后隧道拱頂、拱底沉降變化圖.由圖可見,隧道拱頂沉降和拱底沉降變化趨勢(shì)基本一致,且都隨著基坑區(qū)域的開挖而逐漸增大,拱頂最大沉降出現(xiàn)在DMS-13C 處,最大拱頂沉降為-25.8 mm;拱底沉降最大出現(xiàn)在JS-13D 處,最大拱底沉降為-25.0 mm,最終隧道拱頂沉降量略大于拱底沉降.
圖5 分區(qū)開挖完成后隧道拱頂沉降變化
圖6 分區(qū)開挖完成后隧道拱底沉降變化
在各區(qū)域分階段開挖施工中,在開挖如III 區(qū)、II-D 區(qū)、II-E 區(qū)面積較大的分基坑時(shí),隧道沉降變化量也相對(duì)較大.
圖 7 為拱頂、拱底沉降時(shí)程變化圖.可見隧道拱頂與拱底的下沉量隨各個(gè)基坑的開挖施工中逐漸增加,且整個(gè)基坑開挖過程中,隧道拱頂沉降始終大于拱底沉降.在圖中沉降變化量較大施工區(qū)域?yàn)镮II 區(qū)、II-D 區(qū)、II-E 區(qū)以及II-C 區(qū).其中II-C區(qū)分基坑施工過程中沉降量變化值較大,是因?yàn)樗淼琅c該區(qū)域基坑距離較近,III區(qū)雖然與隧道距離較遠(yuǎn),但由于其開挖面積較大,隧道沉降也較大,II-D 和II-E 區(qū)開挖面積大,隧道沉降也大.
圖7 拱頂、拱底沉降時(shí)程變化
1.2.3 道床沉降
在圖8 和圖9 分別為隧道左線和右線道床沉降變化圖.由圖可見,隨著各分區(qū)基坑的開挖,道床沉降逐漸增大,左右線變化趨勢(shì)基本一致,最大沉降均出現(xiàn)DCS-13 測(cè)點(diǎn)處,左側(cè)隧道沉降最大值為-14.6 mm,右側(cè)隧道沉降最大值為-13.9 mm.在各區(qū)域分階段開挖施工中,開挖面積較大的分基坑如II-D 區(qū)、II-E 區(qū)等開挖時(shí),隧道的道床沉降變化量也較大,可見道床沉降除了與基坑和隧道距離有關(guān)之外,與基坑面積也有關(guān).
圖8 分區(qū)開挖完成后隧道左側(cè)道床沉降變化
圖9 分區(qū)開挖完成后隧道右側(cè)道床沉降變化
2 基坑開挖順序?qū)λ淼烙绊懹邢拊M
對(duì)于鄰近軌道交通的基坑開挖是先遠(yuǎn)坑后近坑,還是先近坑后遠(yuǎn)坑有一定的爭(zhēng)論.為此,本節(jié)采用有限元方法討論基坑分區(qū)、分塊開挖順序?qū)λ淼雷冃蔚挠绊?通過設(shè)置4 個(gè)新的工況(表1)與原開挖工況(工況一)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析開挖順序?qū)扔兴淼雷冃蔚挠绊?
表1 不同工況各施工階段開挖區(qū)域
2.1 模型的建立
采用PLAXIS 3D 模擬寧波綠地中心基坑開挖順序?qū)λ淼烙绊?模型尺寸為長(zhǎng)400 m,寬330 m,深度55 m,初始地下水位為地下1.9 m.模型邊界條件為底部完全約束,上表面為自由面,其他面約定其法向位移.網(wǎng)格劃分如圖10 所示,總體網(wǎng)格密度為中等,網(wǎng)格單元數(shù)608 747,節(jié)點(diǎn)數(shù)為852 553.土體共劃分為9 層,采用HSS 本構(gòu)模型,具體參數(shù)見表2.每層土體深度分別為2.6、1.3、4.0、13.7、7.4、5.1、9.5、3.1、8.3 m,土層總深度為55 m.
圖10 有限元模型
表2 土體HSS 模型參數(shù)
基坑近隧道側(cè)采用1 000 mm 厚、埋深46 m 地下連續(xù)墻,其他邊采用800 mm 厚、埋深41 m 地下連續(xù)墻,墻體的彈性模量3.00×107kN·m-3,泊松比0.2;模型中隧道厚度0.35 m,采用板單元,其彈性模量3.00×107kN·m-3,泊松比0.2.
2.2 模擬結(jié)果及分析
2.2.1 模型驗(yàn)證
將工況一的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖11和12所示),可以看出,計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合.在前期I、III 區(qū)、II-D 區(qū)以及IV、V 區(qū)分基坑進(jìn)行開挖時(shí),實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果接近,驗(yàn)證了模型的合理性.
圖11 隧道水平位移對(duì)比
圖12 隧道沉降對(duì)比
在II-E 區(qū)分基坑開挖階段,軌道交通開始運(yùn)營,給隧道帶來了較大的影響,故II-E 區(qū)后續(xù)施工引起的隧道沉降結(jié)果大于模擬結(jié)果.
2.2.2 分區(qū)開挖順序影響
按表1 各工況給定的順序?qū)舆M(jìn)行挖,隧道水平位移、沉降計(jì)算結(jié)果如圖13 和圖14 所示.對(duì)比所有工況的位移變化,工況五最終累計(jì)位移均小于其他工況,且除了開挖階段二之外,其余3 個(gè)階段增量位移也都小于其他工況中對(duì)應(yīng)階段的位移增量.將工況五與工況一進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),將引起隧道變形最大的階段一安排在最后施工可以有效地減小隧道變形.
圖13 不同施工順序時(shí)隧道水平位移對(duì)比
圖14 不同施工順序時(shí)隧道沉降位移對(duì)比
將工況五與工況四進(jìn)行對(duì)比,將距離隧道更近的II-C 區(qū)分基坑安排在距離基坑相對(duì)較遠(yuǎn)的II-A 區(qū)分基坑之后進(jìn)行施工時(shí),隧道累計(jì)位移變形較小.將工況五與工況二進(jìn)行對(duì)比分析,根據(jù)其計(jì)算結(jié)果可知,距離既有隧道最近的II-A 區(qū)、II-B 區(qū)、II-C 區(qū)在分隔開挖時(shí),隧道累計(jì)位移變形較小.綜上,鄰近軌道交通的基坑開挖時(shí),應(yīng)先遠(yuǎn)坑后近坑,先小坑后大坑,并采取跳挖的施工順序.
3 結(jié)論
(1)基坑開挖完成后,既有隧道的最大水平位移、最大沉降均發(fā)生在與基坑距離最小處,且隧道拱頂沉降較拱底沉降大.
(2)隧道沉降與道床沉降受基坑分塊、分區(qū)開挖區(qū)域面積的影響較大,兩者關(guān)系呈正相關(guān),即開挖區(qū)域基坑面積越大,隧道沉降和道床沉降變形增量越大.
(3)鄰近軌道交通的基坑開挖時(shí),應(yīng)先遠(yuǎn)坑后近坑,先小坑后大坑,并采取跳挖的施工順序.
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