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摘 要本文针对某隧道明挖暗埋段基坑围护结构特征，考虑到钻孔灌注桩间距密、隧道施工快和拱顶回填及时，提出开挖支护优化工况。结合数值分析，说明优化工况的可行性，为类似条件基坑支护设计和施工提供有益参考。
关键词隧道；明挖暗埋；施工；深基坑
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)041-0225-02
在软土地区进行基坑开挖，变形控制尤其重要。软土通常具有强度低、压缩性高、含水量大等特性，深基坑的开挖施工过程是基坑支护结构与周围土体的相互作用过程，在此过程中土与支护结构相互作用，使支护结构的内力与变形不断发生变化，如果支护不当，容易造成过大的围护体侧向位移、结构内力及基坑地表沉陷，影响基坑和周边结构物的稳定及其正常使用。
1工程概况
基坑横断面布置如图1所示，基坑外施作100cm钻孔灌注桩，间距120cm，C30钢筋混凝土。开挖从上至下分6步进行，每次开挖完毕后立即布置横向钢支撑，钢支撑采用δ=16mm、Φ=609mm钢管，上面3道钢支撑为单根，下面3道为并排2根。
开挖到预定深度后，铺设素混凝土垫层，从下至上逐步拆除钢支撑，并修建隧道主体，隧道修建完毕后回填至地表。
支撑安装后，按要求预施加轴力。预加轴力在支撑两端同步对称进行。基坑钢支撑的预加轴力见表1。
注：图中尺寸除钢支撑为mm，钻孔桩为cm外，均以m计。
图1基坑横断面布置
2数值模拟分析
运用有限元软件进行建模、分析，建立二维有限元模型。基坑开挖宽度15.7m，深度26.9m，模型长度和深度均为基坑开挖宽度和深度的5倍。岩土体采用摩尔库仑模型，平面应变单元；摆喷桩墙和钻孔桩采用实体单元；支撑结构采用梁单元。左右两侧水平方向位移约束，底面水平和竖直方向位移均约束。考虑到钻孔灌注桩的空间间距分布效应，计算中将钻孔灌注桩的弹性物理模量除以其间距来考虑其空间效应。模型岩土体计算参数见表2。
2.1原施工方案分析
按原设计方案，从上到下布置6道横撑，横撑均在打设时施以预加轴力。运用有限元软件建模分析，可得到最终支撑计算结果:钢支撑最大轴力为300.424kN，出现在第6步开挖时第6道钢支撑上。表3中最大水平位移为钻孔桩的最大水平位移为1.90cm，出现在第1步桩身开挖时。由计算结果可知，最大轴力和最大水平位移均满足规范要求；第1道钢支撑除开挖第2步时短暂受压外，其他施工过程一直处于受拉状。因此在此施工方案基础上，欲减少第6道钢支撑，优化施工方案。
2.2施工方案优化
在原方案基础上，提出优化方案，即减少第6道钢支撑，并将第5道和第4道支撑同时拆除，在原修建了部分隧道主体的基础上一次整体将隧道主体浇筑完毕，计算结果如表4所示。计算结果显示，同时拆除第4道和第5道支撑，即使将隧道主体浇筑完成，对第3道支撑的受力影响也不是很大，但在接下来拆除第3道支撑时，会引起第2道支撑的轴力陡然增大；拆除第2道支撑时，第1道支撑的受力状态由受拉转变为受压。但就整体而言，各道支撑轴力均在设计值范围内，桩身最大水平位移也满足规范要求。
2.3数值结果分析
原施工方案中，钢支撑最大轴力出现在第6道支撑，最大轴力为300.42kN；优化支护参数后，钢支撑最大轴力出现在第5道支撑，最大轴力为117.99kN。2种方案计算结果中，最大轴力均出现在最下面一道钢支撑，但均小于钢支撑设计值。原施工方案中，第1道钢支撑除在开挖步1受压，在后续工序中均處于受拉状态；优化方案中，第1道钢支撑先期变化情况与原施工方案相同，但在拆除第2道钢支撑时，应力变化较大，由受拉时68.46kN急剧转变为受压69.68kN。钢支撑在2种不同受力状态之间发生急剧变化，应给予重视，以避免钢支撑产生折断，引起工程事故。计算结果表明，在2种方案中，各道支撑轴力值均满足设计要求。
桩身最大位移均出现在开挖步1中，且都为1.900cm，满足规范要求。其他开挖步中，由于钢支撑的存在且对其施加了预加轴力，桩身受钢支撑作用变形均匀，侧向位移均不大。
3现场监测
由于钢支撑为临时支撑，所以现场仅对基坑侧向位移进行监控量测。埋设测斜管，监测点布置在基坑周围。量测结果见表5。
由监测结果可知，由于基坑开挖后及时浇筑隧道洞身并进行拱顶回填，一定程度上限制了桩身的侧向位移，监测结果与计算结果较为吻合。
4结语
本文通过有限元数值模拟方法，对某隧道浅埋暗挖段基坑开挖施工优化方案进行了计算分析，结果表明：
1）数值计算结果较实测值偏小，可能是由于桩身刚度和隧道洞身刚度较实际偏大，但现场监测结果与数值计算较为吻合。
2）钢支撑预加轴力后，可避免其出现较大轴力值，且钢支撑多数均处于受压状态，桩身侧向位移也比较小。可见预加钢支撑轴力后，可大大改善基坑围护结构受力性状，提高基坑稳定性。
3）通过2种方案对比计算，可知钢支撑最明显变化出现在第1道钢支撑，受力状态会发生急剧变化，优化方案中第2道钢支撑轴力增大也较为明显。因此在拆除最后2道钢支撑时应引起足够重视，必要时可采取一些辅助措施，避免钢支撑受力状态由于变化过快而引起基坑失稳。
4）基坑开挖后，由于及时浇筑隧道洞身主体并进行洞顶回填，很大程度提高了基坑的稳定性，保证了拆除钢支撑后，除最上面2道钢支撑外，其他各道钢支撑轴力变化并不明显。
基坑工程是具有时空效应的系统工程，施工过程中应充分考虑其时空效应影响，尽量做到快速施工、及时支护，分部开挖、分部支护，严格有效地控制基坑的变形发展。
参考文献
[1]李晓红,王宏图,杨春和,等.城市地下空间开发利用问题的探讨[J].地下空间与工程学报,2005.
[3]魏群.离散单元法的基本原理数值方法及程序[M].北京:科技出版社,1991.
关键词隧道；明挖暗埋；施工；深基坑
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)041-0225-02
在软土地区进行基坑开挖，变形控制尤其重要。软土通常具有强度低、压缩性高、含水量大等特性，深基坑的开挖施工过程是基坑支护结构与周围土体的相互作用过程，在此过程中土与支护结构相互作用，使支护结构的内力与变形不断发生变化，如果支护不当，容易造成过大的围护体侧向位移、结构内力及基坑地表沉陷，影响基坑和周边结构物的稳定及其正常使用。
1工程概况
基坑横断面布置如图1所示，基坑外施作100cm钻孔灌注桩，间距120cm，C30钢筋混凝土。开挖从上至下分6步进行，每次开挖完毕后立即布置横向钢支撑，钢支撑采用δ=16mm、Φ=609mm钢管，上面3道钢支撑为单根，下面3道为并排2根。
开挖到预定深度后，铺设素混凝土垫层，从下至上逐步拆除钢支撑，并修建隧道主体，隧道修建完毕后回填至地表。
支撑安装后，按要求预施加轴力。预加轴力在支撑两端同步对称进行。基坑钢支撑的预加轴力见表1。
注：图中尺寸除钢支撑为mm，钻孔桩为cm外，均以m计。
图1基坑横断面布置
2数值模拟分析
运用有限元软件进行建模、分析，建立二维有限元模型。基坑开挖宽度15.7m，深度26.9m，模型长度和深度均为基坑开挖宽度和深度的5倍。岩土体采用摩尔库仑模型，平面应变单元；摆喷桩墙和钻孔桩采用实体单元；支撑结构采用梁单元。左右两侧水平方向位移约束，底面水平和竖直方向位移均约束。考虑到钻孔灌注桩的空间间距分布效应，计算中将钻孔灌注桩的弹性物理模量除以其间距来考虑其空间效应。模型岩土体计算参数见表2。
2.1原施工方案分析
按原设计方案，从上到下布置6道横撑，横撑均在打设时施以预加轴力。运用有限元软件建模分析，可得到最终支撑计算结果:钢支撑最大轴力为300.424kN，出现在第6步开挖时第6道钢支撑上。表3中最大水平位移为钻孔桩的最大水平位移为1.90cm，出现在第1步桩身开挖时。由计算结果可知，最大轴力和最大水平位移均满足规范要求；第1道钢支撑除开挖第2步时短暂受压外，其他施工过程一直处于受拉状。因此在此施工方案基础上，欲减少第6道钢支撑，优化施工方案。
2.2施工方案优化
在原方案基础上，提出优化方案，即减少第6道钢支撑，并将第5道和第4道支撑同时拆除，在原修建了部分隧道主体的基础上一次整体将隧道主体浇筑完毕，计算结果如表4所示。计算结果显示，同时拆除第4道和第5道支撑，即使将隧道主体浇筑完成，对第3道支撑的受力影响也不是很大，但在接下来拆除第3道支撑时，会引起第2道支撑的轴力陡然增大；拆除第2道支撑时，第1道支撑的受力状态由受拉转变为受压。但就整体而言，各道支撑轴力均在设计值范围内，桩身最大水平位移也满足规范要求。
2.3数值结果分析
原施工方案中，钢支撑最大轴力出现在第6道支撑，最大轴力为300.42kN；优化支护参数后，钢支撑最大轴力出现在第5道支撑，最大轴力为117.99kN。2种方案计算结果中，最大轴力均出现在最下面一道钢支撑，但均小于钢支撑设计值。原施工方案中，第1道钢支撑除在开挖步1受压，在后续工序中均處于受拉状态；优化方案中，第1道钢支撑先期变化情况与原施工方案相同，但在拆除第2道钢支撑时，应力变化较大，由受拉时68.46kN急剧转变为受压69.68kN。钢支撑在2种不同受力状态之间发生急剧变化，应给予重视，以避免钢支撑产生折断，引起工程事故。计算结果表明，在2种方案中，各道支撑轴力值均满足设计要求。
桩身最大位移均出现在开挖步1中，且都为1.900cm，满足规范要求。其他开挖步中，由于钢支撑的存在且对其施加了预加轴力，桩身受钢支撑作用变形均匀，侧向位移均不大。
3现场监测
由于钢支撑为临时支撑，所以现场仅对基坑侧向位移进行监控量测。埋设测斜管，监测点布置在基坑周围。量测结果见表5。
由监测结果可知，由于基坑开挖后及时浇筑隧道洞身并进行拱顶回填，一定程度上限制了桩身的侧向位移，监测结果与计算结果较为吻合。
4结语
本文通过有限元数值模拟方法，对某隧道浅埋暗挖段基坑开挖施工优化方案进行了计算分析，结果表明：
1）数值计算结果较实测值偏小，可能是由于桩身刚度和隧道洞身刚度较实际偏大，但现场监测结果与数值计算较为吻合。
2）钢支撑预加轴力后，可避免其出现较大轴力值，且钢支撑多数均处于受压状态，桩身侧向位移也比较小。可见预加钢支撑轴力后，可大大改善基坑围护结构受力性状，提高基坑稳定性。
3）通过2种方案对比计算，可知钢支撑最明显变化出现在第1道钢支撑，受力状态会发生急剧变化，优化方案中第2道钢支撑轴力增大也较为明显。因此在拆除最后2道钢支撑时应引起足够重视，必要时可采取一些辅助措施，避免钢支撑受力状态由于变化过快而引起基坑失稳。
4）基坑开挖后，由于及时浇筑隧道洞身主体并进行洞顶回填，很大程度提高了基坑的稳定性，保证了拆除钢支撑后，除最上面2道钢支撑外，其他各道钢支撑轴力变化并不明显。
基坑工程是具有时空效应的系统工程，施工过程中应充分考虑其时空效应影响，尽量做到快速施工、及时支护，分部开挖、分部支护，严格有效地控制基坑的变形发展。
参考文献
[1]李晓红,王宏图,杨春和,等.城市地下空间开发利用问题的探讨[J].地下空间与工程学报,2005.
[3]魏群.离散单元法的基本原理数值方法及程序[M].北京:科技出版社,1991.