深基坑開挖與緊鄰在建地鐵車站影響優(yōu)化分析

丁習(xí)富 師 海 孟小偉

(1.中國中鐵二院集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;3.中國中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，云南昆明 650200)

0 引言

隨著我國城市地下空間及軌道交通的快速發(fā)展，在城市中心密集區(qū)遇到越來越多的深基坑工程，受到城市規(guī)劃及道路建設(shè)等的限制，既有建(構(gòu))筑物與深基坑、既有地鐵車站與深基坑、在建地鐵車站與深基坑、深基坑與深基坑等互相耦合、互相影響的問題越來越多，緊鄰在建及既有建(構(gòu))筑物的深基坑施工已成為基坑研究的問題之一［1］。目前對基坑開挖引起的地表已有建筑沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及開挖工況的優(yōu)化進(jìn)行了研究，但建筑密集區(qū)深基坑開挖對在建地鐵車站的沉降變形的綜合優(yōu)化研究有限［1］。因此在基坑設(shè)計(jì)和開挖過程中，如何有效地控制開挖過程引起鄰近在建地鐵車站的變形特性及內(nèi)力分布是至關(guān)重要的［2］。

由于開挖基坑與臨近在建地鐵施工邊界的復(fù)雜性，很難通過解析的方法求解其影響［3］，因此本文以臨近新城站的線網(wǎng)控制中心深基坑工程為背景，在確保地鐵車站及基坑安全的前提下，制定了安全、經(jīng)濟(jì)、施工可行的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用有限元軟件Midas-sws和Plaxis綜合對比考慮了深基坑實(shí)際開挖工序，深入研究了深基坑與在建新城站的相互影響，并以此進(jìn)行了優(yōu)化分析。

1 工程概況

控制中心為地面11層+地下4層混凝土框架結(jié)構(gòu)，該工程東南靠東莞大道，西南緊鄰西平二路和在建莞惠線新城站，東北緊鄰緯六路(規(guī)劃道路)，西北側(cè)靠近經(jīng)五路(規(guī)劃道路)。場地范圍內(nèi)無建(構(gòu))筑物，管線已經(jīng)全部遷改?？刂浦行墓こ膛c周邊環(huán)境關(guān)系詳見圖1。

新城站為地下3層島式車站，基坑平均開挖深度約為26.7 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，支撐體系采用三道混凝土支撐+三道鎖腳錨索，錨索最長為24 m，進(jìn)入控制中心場地范圍22 m，車站目前處于開挖施工期間。

鑒于控制中心基坑及地下室結(jié)構(gòu)施工過程中對新城站的影響，同時(shí)考慮工期緊張等原因，控制中心分為A，B區(qū)先后施工，分界線距車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)25 m(避開新城站錨索及考慮地下室柱跨的1/3處)。

圖1 基坑平面示意圖（單位：m）

A區(qū)基坑開挖深度為21.0 m，局部深坑區(qū)域?yàn)?5.3 m，基坑開挖底面積約為4 142.5 m2;B區(qū)基坑開挖深度21.0 m，基坑開挖底面積約為1 436.4 m2。典型剖面詳見圖2。

圖2 基坑典型剖面示意圖

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

基坑開挖范圍內(nèi)主要土層依次分布見表1，基底主要位于全風(fēng)化混合片麻巖以及砂質(zhì)粘土層中。場址范圍內(nèi)地表水不發(fā)育。地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水。綜合滲透系數(shù):0.56 m/d，判定基坑為弱透水土［4］。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)及計(jì)算

本基坑開挖深度大，距新城站過近，地下連續(xù)墻整體性及抗?jié)B性能有較大優(yōu)勢，剛度大，控制變形有利，內(nèi)支撐平面桁架整體剛度大，穩(wěn)定性高，本基坑采用0.8 m地連墻+三道混凝土桁架支撐體系。

4 數(shù)值模擬

控制中心基坑在新城站近1 m處進(jìn)行開挖施工，為確保新城站的安全，采用有限元軟件Midas-sws及Plaxis進(jìn)行數(shù)值模擬分析，依據(jù)“上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定”［3］中關(guān)于“地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量≤20毫米(包括各種加載和卸載的最終位移量)”。

4.1 初始應(yīng)力場

基坑工程的有限元模擬，初始地應(yīng)力分布對計(jì)算結(jié)果具有非常大的影響。本工程有限元分析過程中，初始地應(yīng)力是通過給出一點(diǎn)的豎向應(yīng)力和側(cè)壓力系數(shù)來計(jì)算的，并假定豎向應(yīng)力按靜水壓力分布。程序協(xié)調(diào)初始應(yīng)力和外荷載之間的平衡，得到了原始場地?zé)o任何變形狀態(tài)下的初始地應(yīng)力場。

4.2 計(jì)算模型

1)地基土層的模擬:根據(jù)“基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程”，本基坑的模型總寬度為115.00 m，模型高度為55 m，取至⑩-4微風(fēng)化混合片麻巖。

2)新城站地鐵車站結(jié)構(gòu)的模擬:地連墻、水平支撐、主體結(jié)構(gòu)用梁單元進(jìn)行模擬，錨索采用植入式桁架單元進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算參數(shù)見表2。

3)支護(hù)體系的模擬:支護(hù)體系包括豎向的支護(hù)結(jié)構(gòu)和水平支撐體系。本次計(jì)算支護(hù)體系采用800厚連續(xù)墻，墻插入深度為7 m，三道水平內(nèi)支撐采用平面梁單元模擬，參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)表

4)模型規(guī)模:計(jì)算模型的單元主要有8 702個(gè)巖土單元、774個(gè)結(jié)構(gòu)單元，共9 476個(gè)單元。

5)邊界條件［8］:土層單元土體采用平面單元，平面上部邊界為自由邊界，模型兩邊進(jìn)行X方向約束，豎向進(jìn)行Z方向約束，基坑開挖后對支撐梁自由端進(jìn)行固定約束，有限元網(wǎng)格見圖3。

6)物理力學(xué)參數(shù)［9］:土層的粘聚力及內(nèi)摩擦角采用固結(jié)不排水剪值(總應(yīng)力指標(biāo))，本構(gòu)關(guān)系Midas采用M-C彈塑性模型，土體彈性模量取值變形模量的3倍進(jìn)行計(jì)算，Plaxis采用H-S模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)見表2。

圖3 計(jì)算模型圖

4.3 計(jì)算工況

為了更加合理地模擬B區(qū)基坑施工對新城站的影響，本次基坑數(shù)值模擬共有15個(gè)工況，如表3所示。

表3 普通模擬工況

4.4 計(jì)算結(jié)果

4.4.1 基坑影響計(jì)算模型優(yōu)化對比分析

以Midas，Plaxis，理正三者計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如表4所示，工況15DX方向位移如圖4所示，彎矩內(nèi)力圖見圖5。

表4 優(yōu)化后的最大位移和彎矩

圖4 工況15DX方向位移（單位：mm）

圖5 彎矩內(nèi)力圖（單位：kN·m）

從以上模型的優(yōu)化對比分析可以看出:

1)采用H-S模型考慮土體卸載模量，基坑豎向位移比M-C模型計(jì)算結(jié)果小;2)采用理正軟件計(jì)算的內(nèi)力值大于有限元內(nèi)力值，位移大于有限元。由于理正未考慮側(cè)向夾土有限壓力，導(dǎo)致土壓力偏大，引起連續(xù)墻彎矩內(nèi)力增大，變形增大。

4.4.2 地鐵車站影響分析

本文主要將B區(qū)基坑施工過程中新城站側(cè)墻內(nèi)力、車站側(cè)向位移及土體水平位移進(jìn)行分析。具體分析計(jì)算結(jié)果詳見圖6，圖7。

圖6 土體側(cè)向位移圖

圖7 不同工況關(guān)系圖

通過以上數(shù)據(jù)表和關(guān)系曲線，分析結(jié)果如下:

1)計(jì)算得到新城站車站側(cè)墻最大側(cè)向位移分別為5.70 mm，基坑水平位移最大值為21.8 mm，滿足地鐵保護(hù)條例的要求，基坑變形在可控范圍內(nèi);

2)在基坑開挖過程中，側(cè)墻產(chǎn)生的最大彎矩為1 355 kN·m，按純彎曲構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算，所需配筋面積小于側(cè)墻配筋，車站裂縫計(jì)算值在規(guī)范要求范圍以內(nèi)，滿足地鐵車站的強(qiáng)度要求。

4.4.3 1 m夾土不同加固方案影響分析

由于B區(qū)基坑與新城站之間1 m夾土對連續(xù)墻成槽，及后期受力均有影響，故采用sws針對旋噴樁加固先后順序進(jìn)行模擬分析。從計(jì)算結(jié)果來看針對1 m夾土加固可以大大提高中間夾土的剛度，對于車站的水平位移限制有效保證，加固處理后，車站最大水平位移由11.8 mm降至5.7 mm(見圖8，圖9)。

5 結(jié)語

根據(jù)控制中心深基坑工程先后通過理正深基坑軟件計(jì)算分析確定支護(hù)類型，通過有限元軟件研究分析B區(qū)基坑與新城站的相互影響，經(jīng)數(shù)值模擬及理論綜合分析得到以下初步結(jié)論:

1)通過有限元軟件對比計(jì)算內(nèi)力及位移，理正在未考慮夾土有限土壓力作用的影響下計(jì)算連續(xù)墻彎矩內(nèi)力偏大及位移均偏大，故在今后設(shè)計(jì)中可針對局部夾土土壓力適當(dāng)考慮折減;

圖8 夾土加固前后對比圖

圖9 土體加固車站最大水平位移對比

2)通過Midas與Plaxis對比分析:B區(qū)基坑開挖導(dǎo)致地鐵車站側(cè)墻內(nèi)力增大，車站側(cè)向變形，通過有限元計(jì)算，B區(qū)基坑施工過程中，新城站位移及地面沉降均小于20 mm，車站裂縫計(jì)算滿足規(guī)范要求，變形滿足上海地鐵保護(hù)條例標(biāo)準(zhǔn);

3)1 m夾土空間考慮與周邊兩處連續(xù)墻剛度相差較大，通過有限元計(jì)算得知加固1 m夾土可有效降低B區(qū)基坑開挖對新城站的影響。

［1］劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］JGJ 120-2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］滬市政法(94)第854號，上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定［S］.

［4］DG/T J08-61-2010，上海建設(shè)規(guī)范基坑工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］張明遠(yuǎn)，楊小平，劉庭金.臨近地鐵隧道的基坑施工方案對比分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011(6):7-8.

［6］李 圍.隧道及地下工程ANSYS實(shí)例分析［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［7］姚燕明，周順華，陳力深.基坑開挖對既有地鐵車站影響的計(jì)算模式分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2003，33(10):54-56.

［8］姚燕雅，陳國興.滲流場—應(yīng)力場耦合作用下基坑三維數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009(3):19-20.

［9］況龍川.深基坑施工對地鐵隧道的影響［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(3):82-83.