基于緊鄰隧道變形深基坑支護方案優(yōu)化

楊春山，莫海鴻，李亞東

(1.廣州市市政工程設計研究總院，廣州　510060；2.華南理工大學土木與交通學院，廣州　510640；3.廣州大學土木學院，廣州　510006)

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基于緊鄰隧道變形深基坑支護方案優(yōu)化

楊春山1，莫海鴻2，李亞東3

(1.廣州市市政工程設計研究總院，廣州510060；2.華南理工大學土木與交通學院，廣州510640；3.廣州大學土木學院，廣州510006)

摘要：以典型工程為依托，借助有限元軟件，開展基坑施工過程模擬，對基坑開挖過程支護結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境進行響應評價，以此為基礎優(yōu)化基坑支護方案，并通過現(xiàn)場實測驗證。研究表明：采用原有支護方案基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響，存在安全隱患，有必要進行優(yōu)化；基于計算結(jié)果作支護方案調(diào)整后，車站與隧道最大位移較原有方案減小29%和27%；緊鄰地鐵側(cè)采用灌注樁圍護引起的位移小于連續(xù)墻，究其原因是連續(xù)墻成槽影響產(chǎn)生可觀的變形；同時采用灌注樁圍護能顯著降低工程造價，實際工程設計施工應引起重視。與實測結(jié)果對比表明，實例基坑采用的計算模型具備合理性。

關鍵詞：深基坑；既有結(jié)構(gòu)；響應評價；方案優(yōu)化；數(shù)值模擬

隨著城市建設的快速發(fā)展，基坑工程常處于密集的既有建筑物附近，基坑施工受到了更加嚴格的環(huán)境制約，如何確保支護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的穩(wěn)定是深基坑施工的首要問題[1-5]。

基坑支護的設計優(yōu)化涉及其自身和周邊環(huán)境的穩(wěn)定安全，同時需考慮工程費用。國內(nèi)外已有不少學者針對基坑支護優(yōu)化選型做了相關研究。蔡海波等[6]用有限差分軟件，用延伸開挖方法對既有支護結(jié)構(gòu)進行設計優(yōu)化分析。黃躍翔[7]通過兩相鄰深基坑交叉施工影響分析，從施工角度對支護結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。何暉[8]等探討了基坑工程優(yōu)化設計原理及途徑，并對典型基坑工程進行了優(yōu)化設計，提供了較好的借鑒。但總的來看，由于問題的復雜性，這些研究對于合理優(yōu)化復雜環(huán)境中深基坑支護方案還遠遠不夠，如緊鄰運營隧道的深基坑工程大多要求采用連續(xù)墻圍護，認為連續(xù)墻剛度大而產(chǎn)生的環(huán)境效應小，而實際上考慮墻體成槽作用引起的擾動往往較支護樁大。

基于此，在已有研究成果的基礎上，以廣州金融城深基坑工程為背景，借助有限元軟件GTS建立較為精細的三維有限元模型，通過對基坑自身與周邊環(huán)境的響應評價，開展了基坑支護方案優(yōu)化。研究結(jié)果對于基坑支護結(jié)構(gòu)設計具有顯著的意義。

1工程背景

金融城基坑位于廣州市黃埔大道與科韻路交匯處，緊鄰車站與隧道埋深分別為3 m和9 m的地鐵5號線?；娱_挖面積約為22 175 m2，開挖深度為26.4 m?；优c地鐵結(jié)構(gòu)位置關系見圖1，與科韻路地鐵站最小相距為17.4 m，與區(qū)間隧道最小距離為22 m?；幽蟼?cè)為華城大道，東側(cè)為待建深基坑。

圖1　基坑與地鐵結(jié)構(gòu)位置關系

根據(jù)勘察資料，土層參數(shù)如表1所示。地下水為潛水型，通過排水溝導流入集水井。

基坑設計方案為西北角、北側(cè)及東北角采用1 m厚的地下連續(xù)墻，其余采用φ1 000@1 200 mm灌注樁+3道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐采用對撐加環(huán)梁的形式；灌注樁區(qū)段采用φ850@600 mm三軸攪拌樁止水，基坑支護平面布置如圖2所示。該方案鄰近地鐵側(cè)采用地下連續(xù)墻，認為結(jié)構(gòu)剛度大、整體性及防滲性好，是一種相對可靠的基坑支護方式。

表1　土層物理力學參數(shù)

圖2　基坑圍護平面布置

2數(shù)值計算

基坑工程結(jié)構(gòu)-土相互作用異常復雜，難以通過簡單理論分析評判不同方案的變形響應，而數(shù)值計算法能夠較好地刻畫基坑開挖過程支護結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的變形響應，故此采用有限元法對設計方案進行計算分析。

2.1計算模型與工況

根據(jù)工程經(jīng)驗[9]，基坑開挖影響寬度約為基坑開挖深度的3～5倍，影響深度為開挖深度的2～4倍。因此計算模型幾何尺寸X、Y、Z分別取300、400 m及80 m；考慮到周邊地鐵離得最近，故周邊環(huán)境主要探討地鐵變形響應，模型側(cè)向加水平位移約束，底部加豎向位移約束，頂為自由面。

模型中土體、連續(xù)墻和樁用實體單元模擬；車站板墻、基坑板撐及管片采用殼單元模擬，車站柱子、基坑立柱、內(nèi)支撐梁、冠梁與腰梁采用梁單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元。土層用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)用彈性模型?？傮w計算模型、支護結(jié)構(gòu)與地鐵結(jié)構(gòu)模型如圖3～圖4所示，總體計算模型含319 793個單元，239 844個節(jié)點。

圖3　整體計算模型

圖4　優(yōu)化后支護結(jié)構(gòu)與地鐵結(jié)構(gòu)模型(局部)

在地鐵車站和出入口連接部位設置變形縫，以考慮兩者之間的差異變形，模型中通過設置低模量單元模擬。為了充分考慮基坑圍護結(jié)構(gòu)與土層之間的滑移與脫離，在兩者界面間設置接觸單元，接觸單元采用非線性連續(xù)介質(zhì)力學中Goodman單元[10]。

模型計算包括8種計算工況，具體如表2所示?；禹敳扛叱虨?2.5 m，支撐高程為支撐中心的高程。

表2　模型計算工況

2.2計算結(jié)果與分析

圖5～圖7為初始方案基坑開挖至坑底后支護結(jié)構(gòu)、既有地鐵車站及隧道變形云圖。定義水平位移指向坑外為正，豎向位移向上為正。

圖5　連續(xù)墻水平方向位移云圖

圖6　地鐵車站水平位移云圖

圖7　左側(cè)隧道水平變形增量位移云圖

由圖5～圖7可知，基坑開挖卸載引起地層損失向周圍的土層和結(jié)構(gòu)傳遞，使得支護結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑內(nèi)的位移。連續(xù)墻水平位移最大值出現(xiàn)在坑深中部偏下位置，符合圍護墻+內(nèi)支撐常見的變形規(guī)律；最大水平位移為22.67 mm，滿足基坑規(guī)范要求[11]，基坑整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。地鐵車站最大變形出現(xiàn)在臨近基坑一側(cè)為5.03 mm，而區(qū)間隧道位移在與地鐵車站連接處達到最大為3.99 mm；由此可知，基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響，計算增量位移達到限值[12]的83%，且參考文獻[13]計算管片張開量為3.15 mm，超過了廣州地鐵張開量控制值3 mm[14-15]。此外，還發(fā)現(xiàn)車站變形縫兩側(cè)最大差異變形有1.2 mm，存在滲漏隱患?；谏鲜鼋Y(jié)果可知，有必要對支護方案進行優(yōu)化設計分析。

3支護方案優(yōu)化設計

原有支護方案基坑施工引起的變形偏大，在原有設計方案的基礎上提高內(nèi)支撐剛度，改為板撐+桁架撐的支護形式，具體布置見圖8。板撐整體剛度更大，且施工較靈活，但支撐結(jié)構(gòu)材料費用較原有方案略有增加。

圖8　初步優(yōu)化后基坑支護平面布置

圖9～圖10為初步優(yōu)化后既有地鐵結(jié)構(gòu)水平位移云圖。由圖可知，支護方案優(yōu)化后基坑施工引起的位移減小，車站與隧道結(jié)構(gòu)最大位移分別為3.57 mm與2.9 mm，較原有方案分別減小29%和27%；相應的管片張開量為2.4 mm，小于張開量控制值，可見方案優(yōu)化可行，也從一側(cè)面說明優(yōu)化有必要。

圖9　地鐵車站水平位移云圖

圖10　左側(cè)隧道水平變形增量位移云圖

值得注意的是，該項目起初沿用了近既有構(gòu)筑物一側(cè)采用剛度相對大的連續(xù)墻思路，而忽視了連續(xù)墻成槽過程引起的擾動。鑒于此，筆者提出進一步優(yōu)化方案，將原有靠近地鐵一側(cè)圍護結(jié)構(gòu)改為φ1 000@1 200 mm灌注樁(圖11)。

圖11　最終基坑支護平面布置

圖12　灌注樁水平方向位移云圖

圖13　地鐵車站水平位移云圖

圖14　左側(cè)隧道水平變形增量位移云圖

圖12～圖14為維護結(jié)構(gòu)優(yōu)化后既有地鐵結(jié)構(gòu)位移云圖。該方案引起的地鐵車站結(jié)構(gòu)最大位移為3.3 mm，區(qū)間隧道位移最大值為2.3 mm，均略小于方案初步優(yōu)化后產(chǎn)生的位移；究其原因為連續(xù)墻剛度雖大，但成槽過程產(chǎn)生了比較可觀的位移，相比之下灌注樁施工階段產(chǎn)生的位移更小。這一特點在工程實踐中應給予充分考慮，此外灌注樁可以顯著降低工程造價。

該項目最終支護方案采用了灌注樁+板撐+桁架撐的支護形式。為了確保鄰近地鐵運營安全，基坑施工過程對地鐵車站和局部隧道區(qū)間進行了現(xiàn)場位移監(jiān)控，取隧道部分監(jiān)測點(圖1)實測結(jié)果與本文數(shù)值計算結(jié)果對比分析，如圖15所示。

圖15　隧道水平位移計算與實測對比曲線

從對比結(jié)果看，數(shù)值計算值反映了隧道實際水平位移的趨勢，模擬結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合。隧道水平位移實測值總體比計算值大，最大相差0.28 mm。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是因為基坑施工中，土體狀況和地下水情況都有很大的不確定性所致。上述結(jié)論可知，模型具備一定的合理性。

4結(jié)語

基坑支護方案研究對于基坑工程的設計、施工具有重要的指導意義。通過對復雜環(huán)境下深大基坑工程支護方案計算優(yōu)化，主要得到如下認識。

(1)基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響，所得增量位移達到位移限值的83%，管片張開量超過了控制值；同時變形縫兩側(cè)存在明顯的不同，最大差異變形為1.2 mm，存在滲漏隱患。

(2)支護方案優(yōu)化后位移減小，車站與隧道最大位移較原有支護方案分別減小29%和27%，相應的管片張開量小于控制值，說明方案優(yōu)化可行。

(3)連續(xù)墻成槽影響產(chǎn)生了可觀的變形，導致近地鐵側(cè)采用連續(xù)墻圍護時引起的位移大于灌注樁；且用灌注樁能顯著降低工程造價，這一現(xiàn)象在工程實踐中應給予充分考慮。

參考文獻：

[1]潘振華.超大型深基坑對高速鐵路橋墩穩(wěn)定性影響分析[J].鐵道標準設計，2014，58(7)：80-84.

[2]張保存，董秀竹，鄭剛.近接基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬分析[J].鐵道標準設計 2012(1)：59-62.

[3]李小青，王鵬團，張劍.軟土基坑周圍地表沉陷變形計算分析[J].巖土力學，2007，28(9)：1879-1882.

[4]曠慶華.同深基坑開挖引起緊鄰地鐵車站變形特性研究[J].鐵道標準設計，2015，59(5)：130-132.

[5]龔旭東.基于受力計算的深基坑支護設計優(yōu)化方法[J].鐵道建筑，2014(5)：82-85.

[6]蔡海波，吳順川，周喻.既有基坑延伸開挖穩(wěn)定性評價和支護方案確定[J].巖土力學，2011，32(11)：3306-3311.

[7]黃躍翔.地鐵深基坑交叉施工支護方案設計優(yōu)化與實踐[J].鐵道標準設計，2010(7)：103-105.

[8]何暉，王建智，朱有祿.深基坑工程優(yōu)化設計技術(shù)及其工程應用[J].地下空間與工程學報，2007，3(8)：1529-1536.

[9]楊春山，莫海鴻，陳俊生，等.盾構(gòu)隧道先隧后井施工法對管片張開量的影響研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33(增1)：2870-2877.

[10]李守德，俞洪良.Goodman接觸面單元的修正與探討[J].巖石力學與工程學報，2004，23(15)：2628-2631.

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB 50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[12]王燕燕，莫海鴻.基坑開挖對近距離地鐵隧道及車站影響的計算分析[J].科學技術(shù)與工程，2011，11(24)：5854-5857.

[13]楊春山，莫海鴻，陳俊生，等.近距離下穿盾構(gòu)隧道對上覆運營地鐵隧道的影響研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52(5)：145-151.

[14]C S Y， H H M，J S C. Selection of reasonable scheme of entering into a working well in shield construction[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering， 2013(18)：3987-3998.

[15]胡國新，劉庭金，陳俊生，等.基坑三維滲流對緊鄰區(qū)間隧道影響的數(shù)值分析[J].鐵道建筑，2007(7)：42-44.

收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2015-11-19

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51508119)

作者簡介：楊春山(1986—)，男，工程師，工學博士，E-mail：13808843

文章編號：1004-2954(2016)07-0125-05

中圖分類號：U231+.4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.029

Optimization of Deep Foundation Pit Support Based on Deformation Evaluation of Adjacent Subway Tunnel

YANG Chun-shan1， MO Hai-hong2， LI Ya-dong3

(1.Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute， Guangzhou 510060， China; 2.School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;3.School of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China)

Abstract：Based on typical engineering examples， the foundation pit excavation process is simulated with finite element software to evaluate the construction supporting and the impact on surrounding environment. On this basis， the foundation pit supporting is optimized and verified. The results show that the influence of foundation excavation on existing subway structures is significant， which may cause hidden danger. The displacements of station and tunnel decrease respectively by 29% and 27% after supporting optimization based on calculation results. The subway displacement caused by foundation excavation where retaining structures adopts bored pile on the subway side is smaller than that of the diaphragm wall on account of the remarkable deformation caused by the form slot of the diaphragm. Meanwhile， the bored pile can significantly reduce the construction cost， which should be fully considered during design and construction. The comparison with the measured results indicates that the calculation model is reasonable．

Key words：Deep foundation pit; Existing structure; Response evaluation; Scheme optimization; Numerical simulation

193@163.com。