緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)深基坑半逆作法施工方案的三維數(shù)值分析

伍尚勇，楊小平，劉庭金

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510640;2.亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640)

隨著我國(guó)城市地下空間的高密度開(kāi)發(fā)和城市軌道交通的快速發(fā)展，緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的深基坑工程越來(lái)越多。對(duì)這種環(huán)境狀況下的基坑工程，設(shè)計(jì)方經(jīng)常通過(guò)采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的逆作法或半逆作法方案以減小基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的不利影響。董月英等［1］結(jié)合工程實(shí)例對(duì)基坑施工順序由“順作法”改為“半逆作法”時(shí)圍護(hù)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了探討和計(jì)算分析，指出基坑按半逆作法施工能有效縮短總工期，并能有效緩解深基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的不利影響和解決施工場(chǎng)地狹小的問(wèn)題。芮瑞等［2］基于三維有限元，對(duì)采用“逆作法”施工的地下連續(xù)墻深基坑進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案研究，提出了按變形控制的設(shè)計(jì)方法。鐘錚等［3］以工程實(shí)例為背景，介紹了該基坑工程的逆作法設(shè)計(jì)內(nèi)容，針對(duì)周邊特殊環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)主要監(jiān)測(cè)結(jié)果作了分析。徐中華等［4］分析了上海軟土地區(qū)的一個(gè)全逆作法深基坑施工對(duì)周邊三幢歷史保護(hù)建筑物的影響。

在廣州益豐小區(qū)三期項(xiàng)目深基坑工程中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外壁與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的最小水平距離僅4.4 m，深基坑開(kāi)挖將對(duì)緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。為此，本文結(jié)合深基坑工程及緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用有限元軟件建立三維數(shù)值分析模型，分別按半逆作法和順作法對(duì)基坑施工的全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。研究深基坑工程采用不同的施工工藝時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及對(duì)緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的影響，并探討相應(yīng)的控制措施，以期為類似工程提供一定的借鑒意義。

1 工程概況

益豐小區(qū)三期項(xiàng)目位于廣州市海珠區(qū)江南大道，規(guī)劃總用地面積約2 289 m2，總建筑面積約44 312 m2。項(xiàng)目為商住樓，地上28層，地下4層，其基礎(chǔ)為人工挖孔樁。項(xiàng)目基坑周長(zhǎng)約為234 m，近似呈長(zhǎng)方形，基坑開(kāi)挖深度為14.9 m，原設(shè)計(jì)為人工挖孔樁+內(nèi)支撐及樁錨組合支護(hù)。

本項(xiàng)目地塊東側(cè)為江南大道中小學(xué)，該小學(xué)地上5層，無(wú)地下室;南側(cè)緊鄰佳兆業(yè)項(xiàng)目深基坑工程，該基坑開(kāi)挖深度為15.0 m左右，設(shè)4層地下室，其基礎(chǔ)形式為人工挖孔樁，目前該項(xiàng)目地下室已完工;西側(cè)為一排單層商鋪，商鋪與基坑開(kāi)挖邊線距離較近，商鋪下方有正在運(yùn)營(yíng)的廣州地鐵二號(hào)線江南西—市二宮區(qū)間隧道;北側(cè)為地鐵二號(hào)線市二宮地鐵車站及其風(fēng)亭結(jié)構(gòu)。深基坑平面、立面布置及其周邊環(huán)境見(jiàn)圖1、圖2。本項(xiàng)目場(chǎng)地原始地貌為剝蝕殘丘地貌單元，局部有少量沖積土層分布，場(chǎng)地地層的主要物理參數(shù)如表1所示。

2 基坑支護(hù)方案

圖2 深基坑立面(單位:mm)

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

本項(xiàng)目基坑設(shè)計(jì)采用φ1200@2500 mm人工挖孔灌注樁圍護(hù)，半逆作法施工，地下室負(fù)一層為順作，負(fù)二至負(fù)四層為逆作，在基坑長(zhǎng)邊方向設(shè)一道φ600@7500 mm鋼管(t=12 mm)作為負(fù)一層順作時(shí)的臨時(shí)水平支撐。對(duì)于東側(cè)鄰近地鐵隧道一側(cè)，考慮到部分原人工挖孔半樁嵌固深度較小，為確保地鐵隧道安全，在原人工挖孔半樁樁間新增旋挖灌注樁φ1200@2500 mm，要求進(jìn)入相鄰地鐵隧道底下不小于3 m;緊貼佳兆業(yè)項(xiàng)目的南側(cè)擬利用佳兆業(yè)已施作的旋挖樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu);西側(cè)利用原已施工半樁作為現(xiàn)基坑圍護(hù)并在樁下部新增鎖腳錨索;北側(cè)由原施工人工挖孔樁和新增一道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。基坑止水形式采用深層水泥土攪拌樁，并在靠近地鐵隧道側(cè)增加樁間三管旋噴樁止水。

2.1 基坑前期原半圓形舊圍護(hù)樁的利用

為了滿足業(yè)主要求，本工程現(xiàn)主要利用原已施工的人工挖孔半樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于現(xiàn)基坑開(kāi)挖深度為14.9 m，故原部分圍護(hù)樁的嵌固深度將不足0.6 m，基坑超短嵌固深度圍護(hù)樁的安全性將是本工程應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)，如何在利用原圍護(hù)樁取得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)保證工程的安全也是本工程的難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，原圍護(hù)半樁按照原施工樁長(zhǎng)、C25混凝土、φ800@2500、主筋18φ25考慮，圍護(hù)樁與地下室側(cè)墻通過(guò)植筋聯(lián)結(jié)為整體，并通過(guò)在東側(cè)及西側(cè)圍護(hù)樁頂冠梁上設(shè)置壓頂梁以保證地上結(jié)構(gòu)施工時(shí)豎向荷載的可靠傳遞。由于舊圍護(hù)半樁距今已有7年多時(shí)間，故在本工程施工前應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)定對(duì)原人工挖孔半樁樁身長(zhǎng)度、完整性、強(qiáng)度、配筋等進(jìn)行檢測(cè)、驗(yàn)證，以保證在工程安全的前提下取得合理的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 鎖腳錨索的應(yīng)用

本工程利用原半圓形人工挖孔樁(φ1200@2500 mm)作為現(xiàn)基坑的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，且基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)全部為原人工挖孔半樁，原圍護(hù)樁本設(shè)計(jì)用于開(kāi)挖深度為10.70 m的原基坑，由于現(xiàn)基坑開(kāi)挖深度達(dá)14.9 m，按施工記錄揭示，原圍護(hù)樁所對(duì)應(yīng)嵌固深度僅為0.50～5.90 m，故基坑開(kāi)挖過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)較大。加之基底軟質(zhì)泥巖通常具有吸水膨脹特性和軟化特性，若基坑開(kāi)挖到底后，暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則基坑?xùn)|側(cè)的超短嵌固深度圍護(hù)樁有可能會(huì)發(fā)生“踢腳”而造成嚴(yán)重安全事故，故設(shè)計(jì)在基坑開(kāi)挖至－14.0 m時(shí)，在樁腳設(shè)置一道預(yù)應(yīng)力鎖腳錨索，使樁腳所受土壓力轉(zhuǎn)化為基巖內(nèi)力，以提高基坑開(kāi)挖過(guò)程?hào)|側(cè)圍護(hù)樁的穩(wěn)定性。

3 基坑開(kāi)挖的三維數(shù)值計(jì)算與分析

3.1 有限元三維數(shù)值模型

采用巖土隧道專用有限元分析軟件Midas/GTS建立三維數(shù)值模型，重點(diǎn)分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律及基坑施工對(duì)緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形的影響。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在三維數(shù)值分析中做了如下假設(shè):

1)在土體小應(yīng)變范圍內(nèi)［5］，土體采用線彈性模型，有利于提高進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)的計(jì)算效率;

2)三維有限元計(jì)算模型中的地層自上而下依次簡(jiǎn)化為等厚的成層土，土層厚度依據(jù)場(chǎng)地內(nèi)各土層埋深的變異性及起伏性，經(jīng)綜合考慮確定。

三維有限元模型的尺寸為320 m×250 m×64 m。采用板殼單元模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地鐵結(jié)構(gòu)、隧道襯砌和地下室結(jié)構(gòu)，采用梁?jiǎn)卧爸踩胧借旒軉卧M基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系;模型采用不均勻網(wǎng)格，共307 912個(gè)單元，48 560個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型上表面為自由邊界，底部為豎向位移約束，各側(cè)面均為對(duì)應(yīng)方向的位移約束。

3.2 半逆作法施工計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)基坑實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程，基坑按半逆作法施工的主要步驟如下:①場(chǎng)地初始應(yīng)力分析;②施作地鐵車站結(jié)構(gòu);③施作盾構(gòu)及礦山法隧道;④施作地鐵南端風(fēng)亭及共建商鋪結(jié)構(gòu);⑤施作益豐原支護(hù)結(jié)構(gòu);⑥開(kāi)挖基坑至－8 m后回填;⑦佳兆業(yè)基坑開(kāi)挖并回筑地下室結(jié)構(gòu);⑧施作益豐基坑新圍護(hù)樁和結(jié)構(gòu)柱及臨時(shí)鋼支撐;⑨開(kāi)挖基坑至－5.5 m并施作負(fù)一層地下室;⑩開(kāi)挖基坑至－8.8 m并施作負(fù)二層地下室;?開(kāi)挖基坑至－12.1 m并施作負(fù)三層地下室;?開(kāi)挖基坑至－14.0 m并施作鎖腳錨索;?開(kāi)挖基坑至底并施作負(fù)四層地下室。圖3和圖4分別為基坑施工過(guò)程基坑西側(cè)和東側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，圖5為基坑施工過(guò)程緊鄰基坑西側(cè)右線隧道結(jié)構(gòu)的水平位移。

圖3 基坑西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形

圖4 基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形

圖5 右線隧道結(jié)構(gòu)的水平位移

由圖3和圖4可以看出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律如下:①按半逆作法施工時(shí)，當(dāng)?shù)谝粚油馏w開(kāi)挖后，圍護(hù)樁頂出現(xiàn)較大水平變形，但當(dāng)負(fù)一層地下室樓板施工完成后，再向下開(kāi)挖過(guò)程中，圍護(hù)樁頂基本不產(chǎn)生水平變形，說(shuō)明地下室樓板平面內(nèi)的剛度是非常大的，能很好地限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形;②隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，圍護(hù)樁最大側(cè)移的位置開(kāi)始下移，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了“腰鼓”現(xiàn)象，基坑開(kāi)挖至－14.9 m深度時(shí)，最大側(cè)移位置出現(xiàn)在－7.5 m深度左右，最大側(cè)移量為3.2 mm，說(shuō)明按半逆作法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形能得到很好控制;③由于基坑西側(cè)存在超載，基坑開(kāi)挖過(guò)程側(cè)向土壓力通過(guò)水平支撐的傳遞，使基坑?xùn)|側(cè)的圍護(hù)樁頂發(fā)生了向坑外的變形;④基坑開(kāi)挖到底后，東側(cè)超短嵌固深度原圍護(hù)樁腳的水平變形較小，對(duì)原圍護(hù)樁用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行及時(shí)“鎖腳”后，將能有效控制原圍護(hù)樁發(fā)生“踢腳”事故。

由圖5可知，基坑按半逆作法施工造成緊鄰區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生朝向基坑方向的水平位移，并且隧道結(jié)構(gòu)的水平位移隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而不斷增加，但隧道結(jié)構(gòu)的水平位移較小，最大只有1.5 mm。計(jì)算還表明，由于基坑施工過(guò)程未采取應(yīng)對(duì)豎向卸載的有效措施，故隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的豎向隆起，且隨著開(kāi)挖深度的增加而不斷增大，基坑開(kāi)挖到底時(shí)發(fā)生了最大豎向位移4.0 mm。

基坑開(kāi)挖對(duì)隧道水平和豎向位移影響較大范圍都主要集中在基坑開(kāi)挖區(qū)域附近，對(duì)基坑開(kāi)挖范圍以外的隧道結(jié)構(gòu)影響甚小。

3.3 兩種不同施工工藝的變形對(duì)比分析

基坑早期的支護(hù)方案為采用一排φ1200@2500 mm的旋挖樁對(duì)基坑形成整體圍閉，設(shè)兩道混凝土內(nèi)撐，按順作法施工，不考慮原圍護(hù)半樁的擋土作用。

圖6和圖7分別為基坑按兩種不同施工工藝開(kāi)挖到底時(shí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移對(duì)比和隧道結(jié)構(gòu)右線的水平位移對(duì)比。

圖6 兩種不同施工方式基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形

圖7 兩種不同施工方式右線隧道結(jié)構(gòu)水平位移

由圖6可知，相對(duì)于順作法，基坑采取半逆作法施工可以明顯減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移減小了43%，故認(rèn)為逆作法施工對(duì)于控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形是十分有效的。由圖7可知基坑采取半逆作法施工能有效減小緊鄰隧道結(jié)構(gòu)的水平位移。對(duì)比分析可知，限制地鐵結(jié)構(gòu)側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能有效減小地鐵結(jié)構(gòu)的水平變形。

綜上可知，半逆作法以結(jié)構(gòu)梁板作為水平支撐體系，大大增強(qiáng)了支撐體系的平面內(nèi)剛度，能有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，保護(hù)周邊環(huán)境，特別是對(duì)基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜時(shí)更能發(fā)揮它的重要作用。因此，半逆作法作為一種很有發(fā)展前途和推廣價(jià)值的施工工藝，不僅能更好地控制基坑施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境的影響和縮短總工期，在設(shè)計(jì)方案合理，施工組織科學(xué)的前提下，還能節(jié)約成本和資源。

4 結(jié)論

1)基坑開(kāi)挖誘使隧道結(jié)構(gòu)一側(cè)的土壓力發(fā)生水平卸載和豎向卸載，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生了朝向基坑內(nèi)的水平側(cè)移和豎向隆起，且隧道受影響范圍主要集中在卸土區(qū)段。

2)半逆作法相對(duì)于順作法施工會(huì)明顯減小基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移與緊鄰地鐵隧道的水平位移，限制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移對(duì)于控制緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形非常關(guān)鍵，但對(duì)于水平位移的控制作用較豎向位移更顯著。

3)在類似開(kāi)挖之后又回填或緊貼其它地下工程的基坑工程中，合理地利用基坑前期或其它項(xiàng)目已施作的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅能取得較理想的經(jīng)濟(jì)效益，還能節(jié)約資源，縮短工期，做環(huán)境友好型項(xiàng)目。

［1］ 董月英，魏建華，李象范．“半逆作法”施工的深基坑工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用探討［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(增1):299-233．

［2］ 芮瑞，夏元友．基于三維有限元的地下連續(xù)墻深基坑逆作法施工方案設(shè)計(jì)［J］．巖土力學(xué)，2008，29(5):1391-1395．

［3］ 鐘錚，許亮，王祺國(guó)，等．緊鄰保護(hù)建筑的深基坑逆作法設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(增1):249-255．

［4］ 徐中華，王衛(wèi)東，王建華．逆作法深基坑對(duì)周邊保護(hù)建筑影響的實(shí)測(cè)分析［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(10):88-96．

［5］ 褚峰，李永盛，梁發(fā)云，等．土體小應(yīng)變條件下緊鄰地鐵樞紐的超深基坑變形特性數(shù)值分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(增 1):3184-3192．