基坑开挖长宽比对临近隧道及地表变形影响分析

胡建伟, 邵振臣, 陈学龙

(中冶武勘工程技术有限公司, 湖北武汉 430080)

0 引言

随着我国基础建设的快速发展,基坑工程规模也越来越大,深度越来越深。基坑开挖往往会对周围环境造成明显的扰动,导致基坑变形失稳以及周围地表和其他建筑物开裂等工程问题。考虑到基坑工程对于基础建设的重要性,因此基坑开挖的相关研究显得尤为必要。基坑开挖深度和宽度之比是基坑变形的重要影响因素。

李宇熙[1]采用数值模拟系统的研究了基坑尺寸效应对基坑变形影响。结果表明,基坑分部开挖和开挖结束后支护结构墙顶变形的最小点和最大点分别位于坑角和基坑中部,基坑尺寸接近或大于临界长宽比时最大位移接近稳定。吴兵等[2]深入研究了基坑空间形状对基坑变形的影响。结果表明,当基坑长宽比小于2时,基坑长边方向支护结构水平位移和基坑底部隆起变形具有明显的变化。罗欣[3]采用数值模拟研究了基坑开挖对邻近地表建筑物沉降影响。结果表明,基坑长边邻近的建筑物采取的水泥浆加固措施是有效的。王梅[4]采用数值模拟研究了基坑尺寸对基坑支护结构变形影响。结果表明,在开挖面以上,随着基坑长宽比增大,挡墙上主动土压力随长宽比增大而减小,在基坑开挖面以下,挡墙上的主动土压力随基坑开挖长宽比增大而增大。葛晓永等[5]综合采用现场监测数据和数值模拟研究了狭长型地铁基坑的空间效应,定量分析了基坑长宽比对支护结构及隧道的变形影响。俞建霖等[6]采用三维有限元研究了基坑开挖过程中围护结构变形、土压力的空间分布及基坑的几何尺寸效应,验证了三维分析的合理性。杨剑维等[7]基于杆系有限元法研究了排桩支护结构的计算模型,分别考虑了基坑长×宽×深尺寸对基坑稳定性的影响。梁艳等[8]基于极限平衡法研究了基坑开挖尺寸效应对基坑稳定性的影响。结果表明,在其他条件不变的情况下,基坑开挖尺寸越小,基坑的抗隆起安全系数越大,影响也更为显著。李凯等[9]基于理论解析方法研究了基坑降水开挖对邻近隧道附加变形和内力影响。结果表明,隧道附加变形和内力随初始水位和开挖深度的增大而显著。张鑫海等[10]基于理论解析手段研究了基坑开挖尺寸对下方隧道横向受力的影响。结果表明,基坑开挖引起的围压卸载效应主要作用于隧道拱顶和拱底。

本文基于三维数值模拟,建立基坑开挖模型,研究了基坑长宽比变化的情况下地表变形规律。本文的研究对于相似工程的施工及设计具有指导意义。

1 工程概况

研究区位于某软土地区,根据钻孔资料,基坑地层岩性由上到下依次为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土、砂质粉土和砂质粉土夹粉砂。具体岩层厚度如图1所示。拟建隧道开挖深度为16 m,基坑开挖过程中为了保证基坑稳定性,采用0.8 m厚的地下连续墙进行支护,地连墙纵向长度约为32 m。此外,基坑共设置4道内支撑,主撑的截面尺寸为1 m×0.7 m,对撑的截面尺寸为0.8 m×0.7 m,联系杆的截面尺寸为0.6 m×0.6 m。

图1 基坑典型断面(单位:m)

2 数值模拟

2.1 模型建立及材料参数

采用MIDAS/GTS建立典型三维数值计算模型如图2所示。其中基坑开挖长度为120 m,两侧延伸长度为80 m。计算中假定基坑长度保持120 m不变,长宽比变化主要通过基坑宽度变化控制,开挖宽度取值分别为40 m、60 m、80 m、100 m和120 m 5种。数值模型的边界条件为:底部约束3个方向的自由度,4个侧边约束水平方向的位移,顶部为开挖自由边界。衬砌结构采用板单元模拟,混凝土强度等级为C50,容重为25 kN/m3。支撑采用强度等级为C30的混凝土。为模拟支护结构与土体的相互作用,本文在地下连续墙与土体之间设置Goodman界面单元。

图2 数值模型及网格划分

计算中采用的岩土体材料参数主要基于钻孔取样的室内土工试验和参考既有相关研究获得,最终使用的材料参数汇总见表1。

表1 岩土体物理力学参数

2.2 计算工况

为了深入分析基坑开挖过程中,长宽比对基坑变形的影响,本文数值模拟施工工况与实际开挖情况完全相同,模拟共13步:第一步为地应力平衡;第二步为隧道开挖,并施加衬砌结构;第三步为地下连续墙施工;第四步为施加第一道支撑;第五步为施加第二道支撑;第六步为施加第三道支撑;第七步为施加第四道支撑;第八步为开挖结束,提取计算结果。注意的是,基坑在开挖的整个过程中,排水是连续进行的。

3 计算结果与分析

3.1 基坑开挖宽度对地表沉降影响

本文计算了基坑开挖深度为16 m时,侧方存在隧道和不存在隧道工况下,基坑长宽比变化对地表沉降的影响见图3和图4。结果表明,在基坑宽度增大过程中,地表沉降值先增大后减小随后趋于稳定,地表沉降值在距地下连续墙12 m位置处出现最大值,不同的基坑开挖宽度对应的最大值分别为54 mm、68 mm、82 mm、84 mm和88 mm。此外,不同基坑开挖宽度的地表沉降值大于3 mm的范围为距地下连续墙40 m位置,这也证明基坑开挖过程中,对地表影响的范围约为2.4倍的基坑开挖深度。

图3 无隧道侧地表沉降曲线

图4 有隧道侧地表沉降曲线

图4为有隧道侧基坑开挖深度对地表沉降的影响。结果表明,当基坑宽度增大过程中,地表沉降值先增大后减小随后趋于平衡,地表沉降值在距地下连续墙12 m位置处出现最大值,不同的基坑开挖宽度对应的最大值分别为30 mm、46 mm、60 mm、66 mm和70 mm。与无隧道侧相比,存在隧道侧的地表位移明显小于无隧道侧地表沉降。

3.2 基坑开挖宽度对地表沉降影响

图5汇总得到基坑开挖长宽比对地表沉降的影响。结果表明,当长宽比增大,沉降与开挖深度比值逐渐增大,但当长宽比增大到0.6以上时,沉降与开挖深度比值增大速度有所减小。总体来看,当基坑开挖长宽比分别为0.35、0.5、0.7、0.85和1.0时,沉降与开挖深度比值分别为0.33、0.41、0.51、0.52和0.55;0.15、0.27、0.35、0.38和0.41。因此,如果基坑侧方存在隧道时,地表沉降值与开挖深度的区间值会减小。

图5 基坑长宽比对地表沉降影响

图6汇总得到有隧道侧地表沉降最大值与无隧道侧沉降最大值的比值随基坑长宽比的变化趋势,结果表明,当长宽比小于0.8时,沉降最大值的比值随基坑长宽比增大而线性增大,当长宽比大于0.8时,沉降最大值的比值随基坑长宽比增大而保持不变。

图6 无隧道侧和有隧道侧地表沉降比较

4 结论与建议

本文依托某软土地区基坑开挖对临近隧道变形影响工程案例,基于MIDAS建立三维数值模型,研究了基坑开挖长宽比对地表变形的影响,得到几点结论:

(1)基坑在开挖过程中,对地表影响的范围约为2.4倍的基坑开挖深度;此外,基坑侧方是否存在隧道对地表变形影响不显著。

(2)基坑开挖长宽比的变化对地表位移和支护结构的侧移影响趋势基本一致,即两者均随基坑开挖长宽比增大而显著增大。

(3)当基坑开挖长宽比小于0.8时,地表沉降最大值的比值随基坑长宽比增大而线性增大,当长宽比大于0.8时,沉降最大值的比值随基坑长宽比增大而保持不变。

根据本文的研究结果,实际施工过程中应充分考虑基坑长宽比对临近建筑的影响,通常需估算基坑长宽比对临近结构影响范围,合理利用基坑开挖长宽比对基坑及周围环境的影响,节省工程材料和降低工程造价。