基坑开挖隔离墙措施对既有水工隧洞保护作用分析

章 赛，张 迅

(杭州市富阳区水利水电工程监管中心，浙江 杭州 311400 )

随着国内经济的快速发展及基建水平的快速提高，水利工程的建设呈现出迅猛发展的态势，相继建成的三峡工程、锦屏水电站工程均表明我国水利工程建设已达到了世界先进水平[1- 2]。水利工程与居民的生活息息相关，水电站、水库等工程的建设极大程度上增加了居民生活的便利，并提高了居民生活质量[3]。为节约土地资源、合理利用地形，隧洞的建设可提高输水的效率，降低水资源损失，已被逐渐广泛应用于输水工程建设中[4]。在浙江地区，华光潭水电站、杭州西区水厂均采用隧洞进行输水，这极大地提高了输水效率[5- 6]。由于隧洞位于地下一定深度内，在进行相邻建筑物基坑施工时极可能对既有水工隧洞造成一定影响，因此在进行基坑开挖时，需采取一定的措施保护既有水工隧洞。

基坑开挖均会对周围建筑物及土体造成一定的影响，尤其对隧洞工程等地下工程的影响显著。Burford[7]研究了基坑开挖对隧洞变形影响，指出伦敦某基坑开挖27年后，周围隧洞工程隆起变形达到了50mm左右，远高于允许值；郜新军等[8]研究了基坑开挖状态下对临近管线工程的影响，并综合分析了注浆法、微型桩法及二者联合的三种加固措施的加固效果，指出基坑开挖深度越大，管线工程位移越高，同时二者联合的方法为最优加固措施；李福林[9]基于三维有限元分析对深基坑开挖对深层土体变形的影响进行了研究，同样指出随着开挖深度的增加，土体变形增大；孙超等[10]研究了基坑开挖对周围环境的影响，指出基坑开挖将导致建筑物发生不均匀沉降，对建筑物的影响显著。

目前，对于基坑支护措施的研究主要集中在隔离墙、围护桩等方面，其中隔离墙由于具有施工难度较低、支护效果较好的优点而被广泛应用于基坑支护中[11- 12]。目前针对隔离桩支护稳定方面的研究，已取得了一定的进展[13]，但具体针对隔离墙措施对基坑开挖下的建筑物的保护作用的量化分析方面的研究较少，尤其对水工隧洞的影响的研究较少。因此，为了解隔离墙对于水工隧洞的保护作用，文章基于实测位移及Midas三维有限元分析软件，分析施加隔离墙前后对隧洞不同方向位移的影响，并构建隔离墙措施与水工隧洞的三维有限元分析模型，模拟隧洞位移变形，为隔离墙在基坑开挖施工中的应用提供一定的理论依据。

1 监测点布设及三维有限元模型构建

隔离墙保护下基坑开挖对隧洞位移影响的模型的基本结构组成部分如图1所示。由图1可知，隔离墙措施由地连墙及隔断墙2部分组成，二者之间由直径为1m的连系梁连接，水工隧洞直径为6m，所在土层的地质结构组成由上到下依次为0～2m的杂填土层、2～8m的粉土层、8～14m的粉质黏土层、14～20m的粉细砂土层和20m以下的砂岩层，不同土层基本特性可见表1。在隧洞周围布设位移监测点，分析施加隔离墙前后对隧洞不同方向位移的影响。

表1 土层参数基本特性表

基于Midas三维有限元分析软件构架三维有限元分析模型，如图2所示。图2中与图1中的结构形式基本一致，基坑开挖的顺序、深度、隔离墙的组成结构及土层分布情况均一致。基于该模型可充分分析施加隔离墙前后基坑开挖对隧洞位移的影响，可进一步佐证实测值的研究结论。

图1 计算模型剖面图

图2 三维有限元计算网络图

2 结果与分析

2.1 施加隔离墙前后对隧洞周围土体保护作用分析

图3为施加隔离墙前后对水工隧洞周围土体的影响。其中，图3(a)为对不同埋深土地横向位移的影响，图3(b)为对不同横向距离土体纵向沉降位移的影响。图3(a)显示，不同措施下土体横向位移的分布规律基本一致，随着土层埋深的增加，横向位移均呈现先增加后减小的趋势，施加隔离墙后不同土体埋深范围内的横向位移分布更加均匀，最大横向位移均发生在埋深15m左右的范围内，施加隔离墙前后的土体最大横向位移分别为5.42mm和3.83mm，施加隔离墙后土体位移平均降低了26.4%，表明隔离墙的施加可明显降低土体横向位移，对土体起到保护作用。图3(b)显示，随着横向距离的增加，竖向沉降值呈现先增加后降低最后区域平稳的趋势，施加隔离墙后的平稳沉降值为1.36mm，而未施加措施的平稳沉降值为1.49mm。施加隔离墙前后的最大沉降值均出现在横向距离为12m附近，最大沉降值分别为2.38mm和1.98mm，因此，隔离墙措施的施加可明显降低土体横向和竖向位移，对土体有明显的保护作用。

图3 施加隔离墙前后对隧洞周围土体影响

2.2 施加隔离墙前后对隧洞保护作用分析

图4为施加隔离墙前后对水工隧洞的影响。其中，图4(a)为对隧洞水平位移的影响，图3(b)为对隧洞竖向位移的影响。图4(a)显示，施加隔离墙后隧洞不同位置的水平位移均低于未施加情况，其中隧洞左侧位移要明显高于右侧，这可能是由于隧洞左侧区域更靠近基坑开挖工程的缘故，隧洞顶部和底部的位移基本对称，可保证隧洞的正常运行。图4(b)显示，未施加隔离墙的隧洞监测点，隧道左右两侧和底部z向位移均明显大于施加隔离墙工况，说明施加隔离墙后隧洞整体稳定，而未施加隔离墙隧洞整体下沉较为明显。因此，施加隔离墙同样对隧洞结构有着明显的保护作用。

图4 施加隔离墙前后对隧洞主体结构影响

2.3 施加隔离墙前有限元模型位移三维云图分析

图5为施加隔离墙前后隧洞-接坑-土体三维有限元模型水平位移的三维云图。由图5可以看出，不同工况下不同位置横向位移分布存在一定的差异，其中，基坑底角部位置的横向位移最大，且基坑2个底角部呈对称分布，在相同位置施加隔离墙后的横向向位移明显小于未施加隔离墙工况，施加隔离墙后隧洞周围位移分布取值明显低于未施加隔离墙工况，位移分别为3.33mm和4.31mm，这表明施加隔离墙均可降低横向位移的数值，对隧洞和基坑附近土体在水平方向均具有一定的保护作用，同时验证了上述结论。

图5 施加隔离墙前后模型横向位移分布

图6为施加隔离墙前后隧洞表面竖向位移的三维云图。由图6可以看出，不同工况的竖向位移分布规律均呈现为隧洞顶部位置最大，且呈对称分布，施加隔离墙后隧洞竖向位移小于未施加隔离墙工况，最大竖向位移值分别为2.00、2.33mm，这表明施加隔离墙可降低隧洞表面竖向位移的数值，对隧洞和基坑附近土体在竖向沉降方向具有一定的保护作用。

图6 施加隔离墙前后隧洞表面竖向位移分布

3 结论

(1)隔离墙的施加对基坑开挖范围内的土体具有一定的保护作用，施加隔离墙可明显降低土地的横向和竖向位移。

(2)隔离墙的施加对隧洞结构具有一定的保护作用，施加隔离墙后隧洞不同位置的水平位移均低于未施加情况，施加隔离墙后隧洞整体稳定，而未施加隔离墙隧洞整体下沉较为明显。

(3)通过分析模型三维云图可知，隔离墙的施加对整体结构的横向位移和竖向位移均有一定的降低作用，对基坑开挖下的土体和隧洞可明显起到保护作用。

(4)文章形象地表征了隔离墙对基坑开挖下土体和隧洞的保护作用，表明隔离墙措施的保护效果较好，在今后的研究中，可基于不同长度隔离墙对土体和隧洞保护作用分析，得出隔离墙最优长度的施工方案，进一步为隔离墙应用提供基础。