基坑开挖对区间隧道管片结构的受力模拟分析

李晓刚 吴志明

中交二公局第四工程有限公司 国家林业局昆明勘察设计院

关键词：基坑;地铁隧道;Midas-GTS;

1 工程应用

1.1 工程概况

某房地产开发有限公司拟修建的工程项目位于某公司施工X 地铁线路区间附近，基坑场地原始状态为空地，场地整平高程在21.82-21.3m之间，X 地铁线路区间隧道等均施工完毕，等待交工验收。

某房地产公司拟开挖的基坑周长606m，占地面积22105m2，建筑面积112777.42m2，共33层。基坑开挖深度5.3～6.9m(电梯井处超挖2.32m)。基坑设计使用年限为一年，基坑重要性等级为一级，放坡段为二级。有淤泥层部位采用钻孔灌注桩+桩顶放坡+角撑的支护方式，地层中没有淤泥层，采用分阶放坡的支护方式。电梯井坑中坑采用放坡支护，周边水泥土挡墙支护。此项目临近某公司施工X 线区间隧道节点基坑支护主要采用悬臂桩、桩顶放坡和角撑，主楼段局部被动土加固，东南侧局部分阶放坡。

某公司施工的X 线区间右线里程范围为右DK26+277.256～右DK27+674.469，全长1397.213m;左线里程范围为:左DK26+277.888～左DK27+674.469，左线全长1398.457m(长链1.876m)，采用盾构法施工。区间隧道顶部主要在粉细砂层中穿越，局部地段穿越粉土与粉砂互层地层，区间隧道底部在细砂层中穿越。区间盾构隧道管片外径为6.0m，线间距为12.0～14.0m，线路纵坡设计为“V”型坡。临近地铁隧道侧地下室基坑开挖底标高15.6～16.8m，现状地面标高22.5m，区间隧道顶板最大埋深为15.50m，最小埋深为9.39m，拟建建筑侧墙离基坑最近处约12m。基坑与隧道的平面位置见图1。

图1 基坑与区间隧道平面关系示意图 下载原图

1.2 地质概况

拟建场地地形平坦，地势起伏不大，坡降较缓，地面高程一般在19.62～23.20m之间，拟建施工场地地貌属于堆积平原区，长江冲积I级阶地。场地地层自上而下可分为:1-2素填土、6-2黏土、10-1黏土、13-1a黏土、15b-1强风化泥质砂岩、15b-2中风化泥质砂岩。总体而言，场地上部土层较软弱，局部软土分布厚度较大，垂直方向由浅到深密实度和强度渐增，基岩层面埋深自西向东渐浅。各土层参数如下表1。

2 三维有限元计算与分析

2.1 基本假设

本次在建模和计算过程中，考虑主要因素，考虑具体问题进行适当简化，使用以下假设:

表1 土层参数 下载原图

(1)盾构隧道与基坑的平面平行，建模时简化为与基坑平行模型处理，且对区间隧道影响较大的基坑段分层开挖卸荷过程进行施工阶段分析;

(2)围岩土体材料为均质、各向同性的连续介质，假设是一种理想的弹塑性材料。基于宏观材料行为，岩土体采用Mohr—Coulomb弹塑性模型，采用实体单元模拟土体质量;

(3)在初始应力场模拟时不考虑构造应力，只考虑自重应力的影响;

(4)管片按均质弹性圆环模拟，环、纵缝对结构刚度的影响通过弹性刚度折减来模拟。

2.2 三维有限元建模

根据地铁X 线一期工程区间盾构隧道与项目基坑空间位置关系，建立三维有限元计算模型。为尽可能真实地模拟基坑开挖对盾构区间隧道的影响，模型X向范围共250m,Y向范围取250m;考虑盾构隧道埋深为20m，纵向盾构开挖方向(Z向)取约三倍埋深，即60m，因此模型尺寸为:X×Y×Z=长×宽×高=250×250×60m。

围岩采用实体单元进行模拟，服从莫尔—库伦(Mohr-Coulomb)屈服准则。型钢水泥土搅拌墙与钻孔灌注桩均使用弹性模型;为保证与基坑及围岩的节点耦合，型钢水泥土搅拌墙通过三维实体单元析取板单元获得，钻孔灌注桩通过二维面单元析取梁单元获得，而钢支撑、冠梁则通过节点分别扩展成桁架单元与梁单元获得。盾构隧道管片采用弹性模型，通过三维实体单元析取板单元获得。

根据以上约定，建立了MIDAS/GTS三维计算模型，模型共划分138550个实体单元，148260个节点。地层和基坑开挖土体三维数值模型如图2所示，盾构管片模型3所示。

2.3 计算过程

图2 地层和基坑开挖土体三维数值模型 下载原图

图3 盾构管片模型 下载原图

(1)创建边界条件、初始条件:模型的四周以及底部边界为法向约束，围岩地层首先达到初始应力平衡的状态。

(2)盾构隧道左右线开挖，沿着其轴线方向推进，每个挖掘步骤之后，立即对模型进行求解，使其处于应力平衡状态，然后分段施加盾构管片。模型位移清零。

(3)根据项目基坑施工工序图，按照施工工序，首先水泥搅拌桩施工止水桩和支护桩施工，其次桩顶土方开挖及坡面支护，然后冠梁、角撑施工，最后下层土方开挖。

(4)分析基坑开挖过程中，地铁区间隧道管片结构的受力发展过程、位移发展过程。确定最大位移增量，分析基坑施工对隧道结构的受力影响，达到判断区间隧道结构是否满足安全性的目的。

2.4 计算结果与分析

有限元计算重点在于研究基坑开挖对临近地铁隧道的影响，分析基坑开挖过程中，盾构隧道管片和周围围岩的位移变形计算值，详见图4～图7。

从图4、图5可知，基坑开挖卸载后，盾构隧道发生竖向位移和水平位移，隧道竖向位移与水平位移整体有逐渐增加的趋势，主要表现为水平方向变形，竖向变形相对较小;图6、图7可知基坑开挖至基坑底部时，地铁管片结构变形达到峰值。图中最大水平位移为-1.28mm，最大上浮量为-0.88mm。

为了保证基坑开挖与地铁施工的安全可靠，通过房地产公司与地铁施工项目相互配合，严格加强基坑开挖控制，并对基坑开挖过程中地铁管片结构变形(水平、竖向两个方向)进行了现场精密监测。实际现场监测数据显示，现场监测管片端头产生的水平位移为-1.78mm，竖向位移-1.03mm，基本与有限元模拟分析数据吻合。考虑到现场测试数据存在仪器以及人为读数误差，有限元模拟可以进一步确定，该基坑施工期间临近地铁区间隧道结构的影响在正常范围。

图4 隧道围岩竖向位移剖视图 下载原图

图5 隧道围岩水平位移剖视图 下载原图

图6 盾构管片水平位移图 下载原图

图7 盾构管片竖向位移图 下载原图

3 结论

基坑开挖后，隧道竖向位移与水平位移整体有上浮趋势;根据有限元模拟分析，主要表现最大水平位移为-1.28mm，最大竖向位移为-0.88mm，可以满足基坑开挖期间隧道区间管片结构的安全性。通过现场实施精密监测和实际施工验证，运用Midas GTS数值模拟分析基坑开挖对临近地铁X 线的影响，分析计算与实际监测指标的变化趋势和结果均基本吻合，更好佐证了利用Midas GTS NX三维软件对基坑开挖期间地铁管片架构的安全性分析对施工具有指导性。考虑到开挖基坑临近地铁隧道，因此在基坑施工开挖过程中应该严格监控基坑变形，同时基坑在开挖过程中，必须严格按照施工规范做到分层、分段、分区进行开挖。