堆载作用对临近隧道深基坑开挖的影响

王 强，钱 程，崔进杨

( 安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

基坑开挖会对土体产生扰动，打破土体原有应力的平衡，引起土体应力的重新分布[1-2]，基坑工程多是对围护体强度与稳定性的设计，但基坑事故发生的原因多是基坑施工的不当有关，如基坑坑边的堆载。施工现场的实际情况，如基坑边的运输车、堆积的钢筋都会产生基坑堆载，若没及时的处理这些临时堆载，可能会导致基坑围护体的破坏甚至失效，造成基坑的坍塌。进行堆载作用对深基坑开挖的影响分析是很有必要的，理论研究、数值模拟、工程实例现场实测都可用来计算预测堆载的作用。文献[3]以Boussinesq解与圆弧滑动法，提出了一种考虑地面局部荷载的基坑抗隆起安全系数计算方法；文献[4]给出了基坑堆载对基坑围护结构侧压力的影响的计算方法与计算公式；文献[5]运用PLAXIS有限元软件对不平衡堆载作用下基坑工程的开挖过程进行了模拟，分析了不同阶段基坑围护体的位移、弯矩、轴力的差异并得出一定的规律；文献[6]运用PLAXIS 3D Foundation模拟软件，对相邻基坑间堆载情况下基坑变形规律进行研究，发现了基坑底隆和周边地面沉降存在的规律，并以实际工程加以验证；文献[7]以试件工程为背景对偏压基坑围护体的位移、内力进行实测详细分析，并对围护体的稳定性进行评价；文献[8-13]使用模拟软件来分析不平衡堆载、超挖深度、施工工序对基坑开挖工程的影响。文献[14]针对隧道穿越软弱破碎围岩时出现塌方破坏问题，采取模型试验和数值模拟相结合的方法，得出拱腰以下岩体往往因应力集中程度较高而率先剪切破坏。文献[15]采用颗粒离散单元法模拟了不同开挖方法和加固措施对围岩稳定和变形的影响，得出隧道拱肩和拱脚应力集中处水平位移较大。

本文以实际工程为背景，采用软件模拟基坑开挖过程，分析堆载作用对深基坑开挖中围护体与临近隧道变形、内力的影响[16]，为相关工程提供参考。

1 工程概况

本基坑工程占地约13 800m2，坑底周长约470m。工程主体建筑由主楼、附楼、裙楼组成。主楼基础采用桩基加厚板形式，底板厚4m，附楼基础采用桩基加独立承台形式，底板厚1.5m，基础的桩基为人工挖孔桩。主楼区域基坑开挖深度为23.50m，附楼与裙楼区域基坑开挖深度为21.00m，开挖土石方十分巨大。

1.1 周边环境概况

基坑工程位于市区，环境很复杂。基坑四边环路，周边道路下市政管线众多，如路灯电缆、电信线缆与上下水管等。且与敏感建、构筑物相邻，基坑东侧道路下建有地铁隧道，地铁隧道采用矿山法施工，邻近基坑侧隧道为地铁停车线段。地铁隧道主体衬砌结构距离基坑约5.0m，周边超前支护锚杆外端距离基坑约2.0m。地铁隧道底部埋深最深约20m。隧道衬砌断面穿越强风化安山岩和残积土。地铁主管部门要求，紫峰大厦基坑工程施工对地铁结构造成的附加变形影响不得大于15mm。典型地铁隧道断面图如图1所示，初次支护为C20喷射混凝土、S6，二次支护为C30建筑钢筋混凝土、S8。锚杆布设形式为：Ф25中空锚杆，梅花型布置环、纵向间距1.0m，L=3.0m。

图1 典型地铁隧道断面图

1.2 工程地质条件

土层物理力学性质如表1所示。基坑场地地下水分两类：一是上层滞水赋予上部(1)层填土中，水位在1.30～1.40m；二是弱承压水主要赋予(5)层安山岩中，埋深5.50～9.10m。

表1 土层力学参数

注：Kh为土层水平的平均渗透系数，Kv为土层竖向的平均渗透系数。

1.3 基坑设计方案

此基坑工程围护体为地下连续墙，外加三道水平支撑，地下连续墙为钢筋混凝土结构，起到挡土、止水和充当地下结构外墙的作用，墙体的强度等级为C30(水下强度提高一级)、墙厚0.8m、有效施工长度为28.4m、嵌入坑底以下基岩深度为7m。支撑系统选择为三道钢筋混凝土水平支撑、边桁架结合对撑的布置型式。

2 Midas GTS NX软件模拟

2.1 模型建立

本文运用Midas GTS NX模拟软件对基坑工程施工过程进行建模，模型选取基坑工程的一个断面，基坑开挖深度23.5m。基坑开挖会对土体产生扰动，造成周边地表沉降，建立模拟的长为140m、宽为70m。

模拟土体选用平面应变与莫尔-库伦本构模型，立柱、支撑与锚杆选用桁架单元，隧道衬砌与地连墙选用梁单元，立柱、锚杆选用钢材参数，地连墙、支撑、隧道衬砌选用C30混凝土参数。为了更好的模拟地连墙与土体的相互作用，添加地连墙与周围土体的接触单元。

2.2 堆载与工况模拟

本文基坑模拟只有一侧，在模拟中设计出不同的堆载，具体为0kN/m、20kN/m、40kN/m、60kN/m、80kN/m与100kN/m，分别用P0、P20、P40、P60、P80与P100表示。基坑堆载长度为地连墙右侧10m。本模拟为应力-渗流耦合分析，施工阶段组选用应力-渗流-边坡，施工模拟主要工况如下：stage1：基坑降水，基坑区域地下水降到坑底下1m处；stage2：第一次开挖，开挖土体至-1.8m；stage3：第一道支撑施工，第二次开挖，开挖土体至-9.7m；stage4：第二道支撑施工，第三次开挖，开挖土体至-17m；stage5：第三道支撑施工，开挖到坑底，开挖土体至-23.5m。

3 计算结果与分析

3.1 变形分析

本基坑工程临近地铁隧道，基坑开挖过程中的围护体与隧道的变形是很重要的指标，进行了不同堆载下地连墙水平位移、隧道变形的分析。

1)地连墙水平位移分析

由图2分析得，在无堆载的情况下，地连墙的最大水平位移发生在第二道支撑下方(-10.59m处)，变形是向基坑方向，大小为18.89mm，是由于这个工况开挖深度较大、各种荷载在增大与土体具有的流变特性也使变形加大，基坑开挖设计时要特别注意在第二道支撑附近的加固。

由图3分析得，随着坑边堆载的增加，地连墙的水平位移在加大，堆载在0kN/m、20kN/m、40kN/m、60kN/m、80kN/m与100 kN/m时，地连墙水平位移及变化率如表2所示。由表2可知，当堆载为100 kN/m时地连墙水平位移会比无堆载时多31.77%，在实际的基坑工程开挖设计时，变化率不大于5%为宜，在实际施工过程中堆载应不大于20 kN/m。

图2 地连墙水平位移

图3 地连墙在不同堆载组合下的水平位移

S1S2S3S4S5S6(S2-S1)/S1(S3-S1)/S1(S4-S1)/S1(S5-S1)/S1(S6-S1)/S1 18.8919.6720.5021.4522.8324.894.16%8.56%13.55%20.87%31.77%

注：S1、S2、S3、S4、S5、S6分别表示地连墙在P0、P20、P40、P60、P80与P100下的水平位移，单位mm。

2)隧道变形分析

不同堆载组合下隧道最大变形如表3所示，可以看出基坑开挖引起了隧道变形。堆载为0kN/m时，隧道最大变形都发生在左线隧道，最大水平位移为7.21mm，变形为基坑方向，位置在隧道的拱腰上，竖直最大位移为3.33mm，竖直向下，位置在隧道顶部附近，最大总变形为7.43mm，小于地铁部门的相关指标要求15mm。右隧道因为离基坑较远，变形相对较小，最大变形为2.05mm，约为左隧道的1/4。施工对隧道结构的附加影响主要表现为：隧道水平变形整体大于竖向变形，水平变形为基坑方向、竖向变形为沉降。

隧道结构变形随开挖深度而变大，开挖到底时变形最大。随着坑边堆载的增加，地连墙水平变形变大，堆载可以一定程度上可以降低隧道的水平变形，加大竖向变形，缓解隧道的总变形，但会大大增加地连墙的变形。也就是说只有地连墙的变形增加较大，隧道的变形才会有所降低，实际工程中通过加大堆载来降低隧道变形是不可取的。

表3 隧道变形

3.2 内力分析

在基坑开挖过程的内力分析中，弯矩是很重要的指标之一，进行了不同堆载下地连墙与隧道的弯矩分析。

1)地连墙弯矩分析

无堆载时，开挖到坑底的地连墙弯矩如图4所示，可以看出在无堆载的情况下，图中支撑-2与支撑-3的位置上，地连墙的弯矩都发生了降低，因为水平支撑的存在使得地连墙的弯矩有了很大的降低，可有效的降低土的侧向压力，最大弯矩在第二道支撑下方(-11.92m处)，大小为719.69kN·m。

地连墙在不同堆载组合作用下的弯矩图如图5， 由图5分析得， 随着坑边堆载的增加， 地连墙的水平位移在加大， 堆载在0kN/m、 20kN/m、 40kN/m、60kN/m、80kN/m与100 kN/m时，地连墙最大弯矩及变化率如表4所示，可以看出当堆载为100 kN/m时地连墙最大弯矩会比无堆载时多10.57%，这个变形的增加是比较大的，会影响基坑开挖时地连墙的稳定性，在实际的基坑工程开挖设计时，对坑边堆载要给予重视。

图4 地连墙弯矩 图5 地连墙在不同堆载组合下的弯矩

M1M2M3M4M5M6(M2-M1)/M1(M3-M1)/M1(M4-M1)/M1(M5-M1)/M1(M6-M1)/M1 719.69733.63748.82764.93777.15795.751.94%4.05%6.29%7.99%10.57%

注：M1、M2、M3、M4、M5、M6分别表示地连墙在P0、P20、P40、P60、P80与P100下的最大弯矩，单位kN·m。

2)隧道弯矩分析

隧道在不同堆载组合作用下的弯矩如表5所示，左隧道的最大弯矩比右隧道大得多，右隧道约为左隧道的2/5，这与前面隧道的变形分析具有一致性。随着坑边堆载的增加，左隧道的最大弯矩在增加，当堆载为100kN/m时，左隧道最大弯矩会比无堆载时多12.61%；右隧道的最大弯矩略有降低，当堆载为100kN/m时，右隧道最大弯矩会比无堆载时降低了3.57%。实际施工中要加强注意堆载对隧道弯矩的影响。

表5 隧道弯矩

注：M1、M2、M3、M4、M5、M6分别表示隧道在P0、P20、P40、P60、P80与P100下的最大弯矩，单位kN·m。

4 结论

(1)随着基坑的开挖，地连墙的最大水平变形发生在第二道支撑下方，地下5m到17m处，地连墙的水平变形是比较大的；随着堆载的增加，地连墙的水平位移在加大，当堆载为20 kN/m，水平位移增幅4.16%。

(2)对地连墙与隧道弯矩分析可知，水平支撑的存在使得地连墙的弯矩有了很大的降低，可有效的降低土的侧向压力；随着堆载的增加，地连墙的最大弯矩增大，左隧道的最大弯矩有较大增加，右隧道则略有降低。

(3)堆载作用对基坑开挖过程中的围护体与临近隧道都有较大影响，在实际施工过程中要注意避开较大的坑边堆载。