明挖地鐵配套的深基坑開挖卸載的計(jì)算與設(shè)計(jì)

吳燕泉

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建福州350025）

明挖地鐵配套的深基坑開挖卸載的計(jì)算與設(shè)計(jì)

吳燕泉

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建福州350025）

以廈門軌道交通1號(hào)線杏錦路站基坑支護(hù)工程為案例，運(yùn)用有限元和理正深基坑設(shè)計(jì)軟件，通過數(shù)值模擬結(jié)果分析基坑開挖坑底回彈的規(guī)律和不對(duì)稱開挖對(duì)地鐵工程的影響.研究發(fā)現(xiàn)，離基坑邊越遠(yuǎn)、開挖越深，坑底土體回彈越明顯；土體不對(duì)稱開挖產(chǎn)生土體偏壓，樁前塑性區(qū)范圍與基坑開挖深度成正比，且在土體偏壓一側(cè)比另一側(cè)明顯.為保護(hù)地鐵工程結(jié)構(gòu)的功能性和安全性，可采用排樁+預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合排樁+內(nèi)支撐支護(hù)方案，解決基坑整體穩(wěn)定性和變形控制問題；可采用土方分層分段分塊、均勻、對(duì)稱的開挖方案，減少土體偏壓對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響.

地鐵工程；基坑開挖；有限元；土體偏壓；坑底回彈；廈門；軌道交通1號(hào)線

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，地鐵隧道建成通車，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)日益完善，拉動(dòng)了地鐵沿線特別是地鐵口經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，因而地鐵沿線及地鐵口的開發(fā)將會(huì)成為城市的黃金地段.錯(cuò)綜復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)決定了地下空間利用開發(fā)的困難性，基坑往往位于地鐵隧道之上、單側(cè)或兩側(cè)，必然會(huì)大大增加地下空間開發(fā)的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)性.

基坑的開挖卸載引起地層損失，土體初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，土體有效應(yīng)力的重新分配造成土體發(fā)生形變，基坑不對(duì)稱開挖造成土體偏壓，土體開挖坑底回彈帶動(dòng)地鐵工程結(jié)構(gòu)變形等問題，對(duì)地鐵使用功能和安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅.陳震等通過建立位于地鐵上部的基坑數(shù)值分析模型得到，基坑開挖對(duì)開挖面以下土體具有顯著的垂直方向卸荷作用，帶動(dòng)土體中的地鐵產(chǎn)生位移，同時(shí)基坑開挖卸荷的速度和方式是直接影響既有地鐵變形的關(guān)鍵因素［1］.王衛(wèi)東等建立位于地鐵區(qū)間隧道正上方的基坑數(shù)值分析模型，考慮設(shè)計(jì)中隧道周圍土體加固充分利用時(shí)空效應(yīng)開挖土方等重要措施，動(dòng)態(tài)地分析了施工過程中開挖卸荷對(duì)地鐵隧道的影響［2］.伍尚勇等針對(duì)地鐵隧道雙側(cè)的深基坑建立數(shù)值分析模型，通過數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析及數(shù)值試驗(yàn)等手段，分析雙側(cè)深基坑按不同順序開挖對(duì)穿越其間的已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響，得出兩基坑對(duì)稱開挖比不對(duì)稱開挖能更好地控制隧道水平位移［3］.因此，尋求合理的基坑設(shè)計(jì)方案，控制基坑開挖對(duì)地鐵軌道的影響是一個(gè)亟需解決的問題.為此，本文結(jié)合廈門軌道交通1號(hào)線杏錦路站地塊配套項(xiàng)目基坑支護(hù)工程實(shí)例，綜合運(yùn)用有限元和理正深基坑設(shè)計(jì)軟件，模擬了基坑開挖對(duì)地鐵工程的影響，提出合理的基坑開挖設(shè)計(jì)方案，為基坑開挖保護(hù)地鐵工程結(jié)構(gòu)的安全性和功能性提供參考.

1 工程概況

廈門軌道交通1號(hào)線杏錦路站地塊配套項(xiàng)目位于廈門市集美區(qū)，場(chǎng)地東側(cè)為杏錦路，西側(cè)為居民區(qū)，北側(cè)為董任站南地塊.場(chǎng)地原始地貌類型屬剝蝕臺(tái)地，周邊環(huán)境較為簡(jiǎn)單，主要為已回填的廢棄鰻魚池、菜地、空地和已拆遷零星分布的工廠倉(cāng)庫(kù)及低矮民房.場(chǎng)地內(nèi)有地鐵工程穿越，地鐵工程采用明挖法，支護(hù)形式由灌注樁+對(duì)撐和樁頂放坡組成，與基坑大致同時(shí)施工，基坑開挖過程中以地鐵工程優(yōu)先原則，保護(hù)地鐵工程順利施工.

現(xiàn)場(chǎng)地標(biāo)高大部分區(qū)域在黃海高程3.0～4.0 m，西北側(cè)為兩層地下室，底板墊層底標(biāo)高為黃海高程-5.70 m，挖深為8.7 m；其他區(qū)域?yàn)?層地下室，底板墊層底標(biāo)高為黃海高程-9.80 m，挖深為12.8 m、13.3 m和13.8 m.穿越的地鐵工程基坑坑底標(biāo)高為黃海高程-16.7～-17.774 m，出入口處的基坑坑底標(biāo)高為黃海高程-9.70 m.地鐵工程內(nèi)穿基坑，基坑與地鐵工程結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系見圖1.

圖1 基坑與地鐵工程平面位置關(guān)系Fig.1 PIan at foundation pit and subway

2 計(jì)算分析

地鐵工程優(yōu)先作業(yè)，而基坑與地鐵及出口處交叉點(diǎn)甚多，基坑的開挖處處都要考慮保護(hù)地鐵工程及附屬結(jié)構(gòu)，因此地鐵工程安全保護(hù)范圍的基坑設(shè)計(jì)將是重點(diǎn)和難點(diǎn).本文主要選取了基坑與地鐵左側(cè)收口處為例進(jìn)行計(jì)算分析.

基坑地下室范圍線與地鐵輪廓線距離比較近，采用直接放坡處理，坡腳線退地鐵輪廓線距離采用有限元數(shù)值分析來確定.放坡采用理正深基坑計(jì)算軟件來計(jì)算，結(jié)果 （見圖2）為：第一級(jí)坡高4.3 m，平臺(tái)2 m，第二級(jí)坡高5 m，坡率均為1∶1.25，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)［4］為1.27的放坡支護(hù).

圖2 放坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.2 ResuIt of sIope stabiIity

2.1 計(jì)算模型基本假定

圍護(hù)樁及支撐梁混凝土相對(duì)周圍土體強(qiáng)度和剛度都足夠大，模擬時(shí)采用線彈性本構(gòu)模型；土體已經(jīng)完成固結(jié)作用，土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性，模擬時(shí)采用摩爾庫(kù)倫模型.土體計(jì)算參數(shù)如表1所示.建立相應(yīng)的幾何模型：土深為基坑深度的2倍，土寬度為基坑深度的3倍，以盡可能消除邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響.

表1 基坑支護(hù)范圍內(nèi)巖土體物理力學(xué)參數(shù)TabIe 1 PhysicaI and mechanicaI parameters of rock and soiI within foundation pit support

模型采用自由網(wǎng)格劃分方式劃分網(wǎng)格.邊界約束情況為：模型左右兩邊界面限制其x方向線位移，底面邊界限制其x，y兩方向上的線位移，盡可能消除邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響.

2.2 工況計(jì)算

為了求得基坑開挖引起的位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布，需消除初始應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的沉降變形.首先根據(jù)土層自重，形成土體自重應(yīng)力場(chǎng)，又由于假定土體已完成固結(jié)作用，在模擬下一工況前，土體的位移場(chǎng)要?dú)w為0.為此，確定模擬開挖工況：先只施加重力荷載，得到初始應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)值；接著將土體初始位移場(chǎng)歸為0，完成圍護(hù)樁施工；再分兩次開挖土體至坑底；而后施工第一道支撐并完成第一段土體開挖；最后施工第二道支撐并完成第二段土體開挖.

3 結(jié)果與分析

通過比較坡腳線退地鐵輪廓線距離1，3，4，5，6，7 m對(duì)地鐵工程圍護(hù)樁位移影響分析，確定坡腳線退地鐵輪廓線距離5 m可使得土體偏壓對(duì)圍護(hù)樁的位移的影響在控制范圍之內(nèi).并對(duì)坡腳線退地鐵輪廓線距離5 m時(shí)，土體開挖產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)進(jìn)行分析.

通過3個(gè)階段的基坑開挖時(shí)所產(chǎn)生的位移場(chǎng) （圖3）顯示：上覆土層開挖后未開挖的土體位移場(chǎng)向上，在坑底同一開挖深度下，越靠近坑邊的向上位移場(chǎng)越??；當(dāng)?shù)罔F工程進(jìn)行開挖時(shí)，圍護(hù)樁及內(nèi)撐梁也出現(xiàn)了向上的位移并隨著開挖深度的增加而增大；土體開挖時(shí)左側(cè)放坡處坡體隨著地鐵工程開挖深度的加深產(chǎn)生的滑移位移越明顯.這是因?yàn)榛娱_挖引起地層損失，土體為彈塑性體，卸去上方的約束，坑底出現(xiàn)了回彈；離基坑邊越遠(yuǎn)處受邊界的約束越小，土體回彈越明顯；開挖越深處卸載越大，土體回彈越明顯；地鐵工程土體進(jìn)行開挖周邊土體發(fā)生側(cè)向位移，約束坡腳的土體發(fā)生了滑移，引起坡體的滑動(dòng)位移.

圖3 基坑開挖至地鐵工程坑底位移場(chǎng)變化Fig.3 DispIacement fieId variation of excavation to subway pit

通過3個(gè)階段的土體開挖時(shí)所產(chǎn)生的塑性區(qū) （圖4）顯示：當(dāng)?shù)罔F工程圍護(hù)樁施工后，土方開挖至基坑坑底時(shí)樁周及樁端土體有部分發(fā)生了塑性變化，坡體出現(xiàn)了圓弧狀塑性區(qū)；當(dāng)?shù)罔F工程進(jìn)行開挖時(shí)，放坡坡體塑性區(qū)范圍隨著開挖深度增加而增大，圍護(hù)樁周邊土體及靠近圍護(hù)樁的坑底土體也發(fā)生了塑性變化，且左側(cè)發(fā)生塑性變化的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右邊的.說明：基坑開挖坑底以上土體向基坑開挖方向移動(dòng)，形成主動(dòng)土壓力擠壓圍護(hù)樁，坑底以下土體則受到圍護(hù)樁的擠壓產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，引起土體發(fā)生塑性變化，基坑開挖的越深，被動(dòng)土壓力越大，塑性區(qū)范圍就越大；基坑右側(cè)土體完全開挖，左側(cè)放坡，左側(cè)土體形成的土壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右側(cè)，造成了土體的偏壓.因此，地鐵工程坑底左側(cè)圍護(hù)樁坑底土體受被動(dòng)土壓力遠(yuǎn)大于右側(cè)，形成的塑性區(qū)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右邊的.

圖4 基坑開挖至地鐵工程坑底塑性區(qū)變化Fig.4 PIastic zone variation of excavation to subway pit

4 技術(shù)措施

4.1 設(shè)計(jì)措施

根據(jù)該場(chǎng)地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、周邊環(huán)境、基坑開挖深度等條件［5］，為了解決基坑整體穩(wěn)定性和變形控制問題，基坑西北側(cè)兩層地下室采用灌注樁+2道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，其余區(qū)域采用灌注樁+3道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù).坑內(nèi)2、3層地下室分界處采用自然放坡臨時(shí)支護(hù).基坑采用樁間雙重管高壓旋噴樁作止水帷幕，樁間設(shè)噴射砼面層.基坑降排水采用坑內(nèi)疏干井結(jié)合集水明排.基坑支護(hù)平面布置圖如圖5所示.

圖5 基坑支護(hù)平面布置圖Fig.5 PIan of foundation pit support

1）1號(hào)出口.1號(hào)出口的一側(cè)為基坑3層地下室，一側(cè)為基坑一層地下室，為了避免兩層地下室高差的土體偏壓?jiǎn)栴}，一層地下室區(qū)域退地鐵輪廓線10 m范圍內(nèi)開挖至3層地下室標(biāo)高，并以1∶1.25坡率放坡到一層地下室標(biāo)高.待3層地下室地下結(jié)構(gòu)做到負(fù)一層時(shí)，一層地下室區(qū)域超挖部分才能進(jìn)行回填，再進(jìn)行一層地下結(jié)構(gòu)施工.

2）2號(hào)出口.為了避免土體偏壓?jiǎn)栴}，與地鐵車站垂直部分兩側(cè)都有3層地下室的，直接對(duì)稱開挖；一側(cè)有3層地下室，一側(cè)沒有地下室的部分，采取沒有地下室部分超挖至3層地下室，對(duì)稱開挖.與地鐵車站平行的部分因一側(cè)為3層地下室，一側(cè)靠近杏錦路沒有超挖的空間，采取盆挖法，兩道內(nèi)斜撐支護(hù).

3）區(qū)間部分.區(qū)間的一側(cè)為2層地下室，一側(cè)為3層地下室，有一層地下室高差的土體偏壓?jiǎn)栴}，3層地下室預(yù)留距地鐵輪廓線20 m的土臺(tái)，待地鐵地下結(jié)構(gòu)做完再進(jìn)行開挖.

4）車站部分.區(qū)間的兩側(cè)均為3層地下室，3層地下室預(yù)留距地鐵輪廓線20 m的土臺(tái)，待地鐵地下結(jié)構(gòu)做完再進(jìn)行對(duì)稱開挖，或不預(yù)留土臺(tái)在地鐵進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工前直接進(jìn)行對(duì)稱開挖均可.

5）收口處.左側(cè)收口處退線成一5 m寬平臺(tái)再放坡即可；右側(cè)收口處，開挖深度有3層地下室高差，因此采取沒有地下室部分超挖至3層地下室，對(duì)稱開挖.

4.2 施工措施

土方開挖應(yīng)分層分段分塊、均勻、對(duì)稱地進(jìn)行開挖，每一層土方開挖應(yīng)在其上部的支護(hù)體系能夠滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行.沿著地鐵走向的開挖分段開挖長(zhǎng)度約為20 m，土方開挖面高差不宜過大，以確保開挖過程中土體自身的穩(wěn)定，避免造成工程樁移位.如支護(hù)樁間出現(xiàn)流土或流砂現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)在圍護(hù)樁間噴錨阻土 （砂）.土方開挖過程中應(yīng)對(duì)整個(gè)支護(hù)體系的變形、受力情況進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況立即停止開挖，查明原因并采取有效措施后方可繼續(xù)開挖［5］.

5 結(jié)論

1）土體為彈塑性體，基坑開挖卸載，坑底表面失去豎直向上的約束，坑底出現(xiàn)回彈.離坑邊越遠(yuǎn)處受邊界約束越小，土體回彈越明顯.開挖越深卸載越多，土體回彈越明顯.

2）土體不對(duì)稱開挖時(shí)，產(chǎn)生土體偏壓.基坑開挖的越深，一側(cè)主動(dòng)土壓力越大，塑性區(qū)范圍就越大.

3）基坑開挖時(shí)，構(gòu)筑物兩側(cè)同時(shí)對(duì)稱開挖可以避開土體偏壓?jiǎn)栴}.若一側(cè)開挖空間有限時(shí)，要退一個(gè)安全距離減少土體偏壓的影響.當(dāng)坑開挖產(chǎn)生土體偏壓無法避免時(shí)，基坑可采用逆作法和盆挖法施工，后者較前者造價(jià)低且工期短.

［1］陳震，王希勇，呂小軍，等.基坑開挖卸載對(duì)下部地鐵的作用分析 ［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，35（4）：508-512.

［2］王衛(wèi)東，吳江斌，翁其平.基坑開挖卸載對(duì)地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬 ［J］.巖土力學(xué)，2004，25（S）：251-255.

［3］伍尚勇，楊小平，劉庭金.雙側(cè)深基坑施工對(duì)近鄰地鐵隧道變形影響的分析 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（S1）：3 453-3 458.

［4］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程 ［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［5］龔曉南，高有潮.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè) ［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

Calculation to the Excavation of Deep Foundation Pit Supporting the Open Excavation Subway Engineering

WU Yan-quan
（Fujian Academy of Architecture Research，F(xiàn)uzhou 350025，China）

According to Xiamen Subway Line 1 Xingjin Road Station excavations case，the finite element and the Leading deep foundation software are employed to establish a numerical analysis model to simulate and analyze the rules of pit bottom rebound and the asymmetric excavation on subway engineering.The study found that the farther from the side of foundation and the deeper excavation，the more obvious to the soil rebound；Asymmetric soil excavation produces bias，the soil plastic zone before the pile is proportional to the depth of excavation，and the soil bias side is more obvious than the other side.For the protection of subway excavation engineering structure functionality and security，row piles with prestressed anchor and row piles with inner brace can be used in combination to solve the overall stability of foundation and deformation control issues，excavation scheme of the sub block and uniform and symmetrical earth moving can be used to reduce the impact of bias on the soil of supporting structure.

subway engineering；excavation；finite element；soil bias；bottom rebound；Xiamen；rail transport subway line 1

TU94

A

1673-4432（2015）03-0091-05

（責(zé)任編輯 雨 松）

2015-02-02

2015-05-05

吳燕泉 （1988-），男，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)閹r土工程設(shè)計(jì).E-mail：929726662@qq.com