相鄰基坑影響下基坑施工對(duì)臨近地鐵影響分析

黎秉林 劉叔灼 陳俊生

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641； 2.亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641)

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相鄰基坑影響下基坑施工對(duì)臨近地鐵影響分析

黎秉林1,2劉叔灼1,2陳俊生1,2

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641； 2.亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641)

采用三維有限元模型，對(duì)某臨近地鐵深基坑的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)提取該相鄰基坑側(cè)地鐵的監(jiān)測(cè)資料，校核調(diào)整了整體模型參數(shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出了相應(yīng)的加強(qiáng)和保護(hù)措施。

基坑，地鐵結(jié)構(gòu)，隧道，數(shù)值模擬

0 引言

由于我國(guó)城市地下空間的高密度開(kāi)發(fā)及城市軌道交通的快速發(fā)展，緊鄰地鐵隧道的深基坑工程將越來(lái)越多。深基坑開(kāi)挖卸載會(huì)引起周?chē)貙右苿?dòng)及初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致緊鄰地鐵隧道的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，特別是已運(yùn)營(yíng)地鐵線(xiàn)路對(duì)于變形控制更為嚴(yán)格。正是由于大量鄰近地鐵工程的施工，眾多專(zhuān)家學(xué)者以有限元方法為基礎(chǔ)，對(duì)新建隧道、地鐵車(chē)站對(duì)已有地鐵車(chē)站的影響進(jìn)行了大量的研究工作，從變形計(jì)算方法、施工中變形控制等角度出發(fā)，研究了緊貼運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站基坑施工變形控制和運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站保護(hù)等相關(guān)問(wèn)題，取得了一系列的成果[1-6]。

本文在前述研究的基礎(chǔ)上，以佛山一深基坑工程為例，采用精細(xì)有限元模型，考慮了相鄰已開(kāi)挖基坑的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、地鐵結(jié)構(gòu)、施工工程對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮相鄰已施工基坑的影響，通過(guò)調(diào)取相鄰基坑側(cè)的地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)本模型的參數(shù)選取進(jìn)行校對(duì)和調(diào)整，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)本基坑工程的安全性及其對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響，為今后相關(guān)工程的設(shè)計(jì)和分析提供了參考。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于佛山市南海區(qū)寶石東路以北、佛山一環(huán)以東、永勝東路以南，占地面積約為17 500 m2，擬建3層地下室。本基坑平面上呈不規(guī)則形狀，南北最大尺寸約80 m，東西最大約245 m，周長(zhǎng)約為600 m?；娱_(kāi)挖深度為14.3 m。本基坑北側(cè)，即靠近地鐵一側(cè)擬采用三道“800厚地下連續(xù)墻+混凝土支撐”的支護(hù)方案，其他區(qū)域采用“旋挖灌注樁(1 200@1 400)+混凝土支撐”的支護(hù)方案，止水采用三軸攪拌樁。其平面分布及位置如圖1所示，本基坑某典型剖面見(jiàn)圖2，周邊詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

表1 本項(xiàng)目基坑周邊情況

2 三維模型的建立

2.1 土層參數(shù)

根據(jù)勘察報(bào)告，結(jié)合不同鉆孔的地質(zhì)分布，選取較具代表性的鉆孔，具體土層參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土層參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

2.2 分析工況

考慮東側(cè)基坑的開(kāi)挖過(guò)程，開(kāi)挖至現(xiàn)場(chǎng)施工工況后，施作本項(xiàng)目基坑，各施工步驟如下：1)初始定應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，整個(gè)分析模型內(nèi)只包含巖土體；2)地鐵隧道施工計(jì)算，不考慮地鐵隧道的多步開(kāi)挖，一次性開(kāi)挖并施作完畢；3)東側(cè)基坑開(kāi)挖，施作至第二道支撐頂部；4)本項(xiàng)目基坑第一次開(kāi)挖(開(kāi)挖至第一道支撐標(biāo)高處)，并施作第一道支撐；5)本項(xiàng)目基坑第二次開(kāi)挖(開(kāi)挖至第二道支撐標(biāo)高處)，并施作第二道支撐；6)本項(xiàng)目基坑第三次開(kāi)挖(開(kāi)挖至第三道支撐標(biāo)高處)，并施作第三道支撐；7)本項(xiàng)目基坑第四次開(kāi)挖(開(kāi)挖至坑底)。

2.3 有限元網(wǎng)格

整體有限元網(wǎng)格、本項(xiàng)目及東側(cè)基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵隧道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖3，圖4所示。整體模型共有563 958個(gè)單元，94 233個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.4 參數(shù)的校核和調(diào)整

1)根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告與以往分析的經(jīng)驗(yàn)，選取確定巖土參數(shù)，進(jìn)行初步計(jì)算；2)根據(jù)初步計(jì)算值與地鐵監(jiān)測(cè)報(bào)告的地鐵隧道位移實(shí)測(cè)值及東側(cè)基坑的實(shí)際施工情況進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值存在一定的偏差，經(jīng)過(guò)反分析，對(duì)第一步模型中的初選參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終把模型中東側(cè)基坑側(cè)的地鐵隧道側(cè)向位移計(jì)算結(jié)果調(diào)整至3.88 mm，豎向位移計(jì)算結(jié)果調(diào)整至-3.15 mm，其結(jié)果與監(jiān)測(cè)值接近；3)采用調(diào)整后的參數(shù)重新計(jì)算。

3 基坑開(kāi)挖的數(shù)值分析

3.1 地鐵結(jié)構(gòu)變形疊加效應(yīng)分析

考慮東側(cè)基坑開(kāi)挖的影響，討論本項(xiàng)目基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形的疊加效應(yīng)，將東側(cè)基坑現(xiàn)開(kāi)挖情況的工況與本項(xiàng)目基坑開(kāi)挖完畢的工況進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。

表3 東側(cè)基坑側(cè)地鐵隧道位移匯總表 mm

從表3可以看到，本基坑施工對(duì)東側(cè)基坑側(cè)地鐵位移影響值極小，最大位移增量為0.03 mm，得出：隧道的位移主要由隧道側(cè)邊的基坑控制，而相鄰基坑的開(kāi)挖對(duì)該隧道側(cè)的位移疊加影響甚小，即兩基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰地鐵隧道的位移疊加效應(yīng)并不顯著。

3.2 本基坑側(cè)地鐵結(jié)構(gòu)變形分析

由于基坑開(kāi)挖和土體卸載，地鐵隧道結(jié)構(gòu)朝基坑側(cè)方向產(chǎn)生一定量的位移，位移最大值出現(xiàn)在最接近基坑的區(qū)域，地鐵隧道的最大水平位移為3.98 mm(見(jiàn)圖5，正值表示隧道朝基坑側(cè)移動(dòng))，地鐵隧道的最大豎向位移為-3.24 mm(見(jiàn)圖6，正值表示隧道發(fā)生向上位移)，均滿(mǎn)足地鐵規(guī)范對(duì)位移限值(20 mm)的要求。

3.3 本基坑側(cè)地鐵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及裂縫寬度驗(yàn)算分析

表4 地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力匯總表 kN·m

表5 地鐵結(jié)構(gòu)的裂縫寬度匯總表 mm

根據(jù)勘察報(bào)告可知，本項(xiàng)目基坑靠近地鐵側(cè)的地下連續(xù)墻多位于砂層中，保證較好的成槽質(zhì)量難度加大，易出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，包括在基坑開(kāi)挖的降水過(guò)程均會(huì)導(dǎo)致坑外水位發(fā)生一定程度的下降。通過(guò)模擬坑外降水進(jìn)行穩(wěn)定流計(jì)算探討其對(duì)臨近地鐵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及裂縫寬度開(kāi)展情況的影響。分別選取坑外降水1 m及坑外降水2 m這兩種工況與未降水的情況進(jìn)行對(duì)比。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，表5。

從表4，表5可以看到，當(dāng)坑外降水達(dá)到2 m時(shí)，地鐵結(jié)構(gòu)的承載力小于設(shè)計(jì)值，當(dāng)坑外降水達(dá)到1 m時(shí)，地鐵結(jié)構(gòu)的裂縫寬度大于混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中0.2 mm的限值。因此，臨近地鐵的基坑工程必須嚴(yán)格控制降水，制定合理有效的防滲防漏措施。

4 結(jié)論及建議

本文以佛山某臨近地鐵區(qū)間隧道的基坑工程為背景，考慮對(duì)相鄰已開(kāi)挖基坑的影響，分析模擬了基坑開(kāi)挖的全過(guò)程，得出以下結(jié)論：1)在對(duì)臨近地鐵基坑開(kāi)挖的影響性分析中，可將其納入整體模型中，并利用該基坑側(cè)地鐵的監(jiān)測(cè)資料，對(duì)整體模型計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行校核和調(diào)整，使本項(xiàng)目基坑開(kāi)挖的預(yù)測(cè)和評(píng)估具有更高的合理性。2)本項(xiàng)目基坑對(duì)東側(cè)已開(kāi)挖基坑側(cè)地鐵的位移影響值極小，隧道的位移主要由隧道側(cè)邊的基坑控制，位移疊加效應(yīng)極不顯著，在今后的分析中可弱化這一情況的考量。3)臨近深基坑工程的地鐵結(jié)構(gòu)對(duì)坑外降水變化的敏感性極高，當(dāng)坑外降水達(dá)到1 m時(shí)，地鐵結(jié)構(gòu)的裂縫寬度就已超出規(guī)范中的限值。因此在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制基坑降水，對(duì)區(qū)間隧道的變形進(jìn)行觀測(cè)，制定合理有效的防滲防漏措施，并建議將基坑水位報(bào)警值取為水位下降1 m。

[1] 胡海英，張玉成，楊光華，等.基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵隧道影響的實(shí)測(cè)及數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014(S2):431-439.

[2] 張治國(guó)，張孟喜，王衛(wèi)東.基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法[J].巖土力學(xué)，2011(7):2085-2092.

[3] 肖同剛.基坑開(kāi)挖施工監(jiān)控對(duì)臨近地鐵隧道影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011(5):1013-1017.

[4] 阮艷妹，蔡軍安.臨近工程基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析[J].廣東土木與建筑，2014(5):59-61.

[5] 李宇升，喻衛(wèi)華.深基坑施工對(duì)緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013(2):352-358.

[6] 伍尚勇，楊小平，劉庭金.雙側(cè)深基坑施工對(duì)緊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(S1):3452-3458.

On influence of foundation pit construction on surrounding subways under neighboring foundation pits

Li Binglin1,2Liu Shuzhuo1,2Chen Junsheng1,2

(1.CollegeofCivilEngineeringandTraffic,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China; 2.StateKeyLaboratoryforSubtropicalBuildingScience,Guangzhou510641,China)

The paper adopts the three-dimension finite element model, undertakes the numeric simulation and calculation of the excavation process of some surrounding subway deep foundation pits, adjusts the overall model by extracting the supervision documents of the side subway of some neighboring subways, and points out the respective promotion and protection measures according to the calculation results.

foundation pit, subway structure, tunnel, numeric simulation

1009-6825(2016)24-0066-03

2016-06-18

黎秉林(1991- )，男，在讀碩士

TU463

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