明挖地鐵車站對(duì)臨近樁基的影響分析

周 勇，嚴(yán)登平，任永忠

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州工業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

隨著城市建設(shè)逐步推進(jìn)導(dǎo)致城市空間向立體化發(fā)展。截至2016年年底，我國(guó)將新建軌道交通線路近228條，建成和在建的城市軌道交通總里程將接近5 636.5 km[1]。由于城市建筑密度大，地鐵深基坑工程的施工對(duì)周邊環(huán)境影響較大，許多學(xué)者針對(duì)此問題作了大量的研究工作。逢鐵錚等[2]以廈門梧村隧道明挖段深基坑施工為例，對(duì)施工期間的支護(hù)結(jié)構(gòu)自身安全以及對(duì)周邊環(huán)境的影響相應(yīng)開展安全監(jiān)測(cè)研究工作，研究表明地質(zhì)條件是引起變形監(jiān)測(cè)成果分布差異的主要因素。李淑等[3]對(duì)北京地鐵30個(gè)明挖車站的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析表明北京地鐵車站深基坑開挖引起的地表變形表現(xiàn)為“凹槽形”。梅源等[4]基于西安地鐵10個(gè)明挖車站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了濕陷性黃土在西安地鐵車站深基坑開挖過程中引起地面沉降和排樁側(cè)向變形的取值范圍。吳鋒波等[5]根據(jù)基坑開挖深度、地層條件的不同，研究了北京地區(qū)砂卵石及黏性土地質(zhì)條件下80多個(gè)深基坑工程開挖引起地表沉降的規(guī)律。王衛(wèi)東等[6]分析研究了上海軟土地區(qū)35個(gè)基坑工程開挖引起地面變形的規(guī)律。國(guó)外許多學(xué)者們研究了深基坑降水、支護(hù)樁等因素對(duì)周邊環(huán)境的影響[7-9]。趙浩[10]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的原始資料，采用數(shù)值分析的手段研究了深基坑時(shí)空效應(yīng)下的變形規(guī)律并對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。針對(duì)大型復(fù)雜實(shí)際工程，為了保證工程的順利進(jìn)行，學(xué)者們采用數(shù)值分析的方法對(duì)其進(jìn)行了研究分析，為工程后續(xù)施工提供了科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)[11-14]。

通過以上綜述分析發(fā)現(xiàn)，目前學(xué)者們關(guān)于明挖地鐵深基坑施工過程關(guān)注點(diǎn)為坑邊的地表沉降、支護(hù)體系受力與變形、周邊建筑物的沉降等。但針對(duì)明挖地鐵深基坑開挖過程中對(duì)周邊建筑物樁基的影響研究較少。為此本文以蘭州地鐵1號(hào)線省政府車站為工程背景，采用巖土分析軟件PLAXIS 3D對(duì)其進(jìn)行研究分析，以期對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)有一定的借鑒意義。

1 工程概況

1.1 車站概況

蘭州地鐵1號(hào)線西起西固區(qū)石崗北側(cè)的環(huán)行西路，東至東崗，線路全長(zhǎng)34 000 m，目前已全部修建，無(wú)地上線路，共計(jì)有20個(gè)車站。

本站位于蘭州市張掖路省政府門口，車站總長(zhǎng)313 m，車站設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為AK16+641，車站終點(diǎn)里程為AK16+954，中心里程為AK16+868，車站寬度約21 m，為地下三層主體結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)底板埋深約21.6 m～22.5 m。設(shè)4個(gè)通道出入口，施工方法采用明挖法施工，本站北距黃河右岸的距離約500 m。圖1為地鐵車站與鄰近建筑物位置關(guān)系。

圖1地鐵車站與鄰近建筑物位置關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)概況

蘭州市城區(qū)位居興隆山至七道梁山前黃土塬與皋蘭北山梁峁溝壑區(qū)之間的黃河河谷盆地內(nèi)。本車站地貌單元屬黃河右岸一級(jí)階地，階面寬度約1.5 km～2.5 km，地面高程介于1 520.76 m～1 522.79 m之間，最大相對(duì)高差約2.03 m。

地層豎向分布為第四系全新統(tǒng)人工填土、粉細(xì)砂、卵石土及下伏上第三系砂巖等。依據(jù)土層特性等劃分為6個(gè)地質(zhì)層。具體各土層的力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層的力學(xué)指標(biāo)

1.3 水文地質(zhì)概況

依據(jù)巖土工程勘察可知，地下水位埋深為-4.2 m～-5.9 m處，由于卵石層的透水性好，是地層的主要含水層，其他土層含水率較少，地下水的來源主要為大氣降水和黃河側(cè)向補(bǔ)給，排泄方式為徑流排泄、蒸發(fā)等，由于受季節(jié)的影響，地下水位年變化幅度為1 m～2 m。

1.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案概況

基坑最大開挖深度為24 m，為了保證基坑開挖的安全性，其支護(hù)結(jié)構(gòu)采用咬合樁加鋼管內(nèi)支撐。咬合樁樁徑為1.0 m，樁間距為1.5 m，鋼管內(nèi)支撐支撐位置分別為-2 m、-8 m、-14 m、-20 m處，水平間距為3.0 m，鋼管直徑為0.6 m，最大壁厚為14 mm，并對(duì)其施加了預(yù)應(yīng)力，其預(yù)應(yīng)力值分別為100 kN、200 kN、200 kN和150 kN。圖2為車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近建筑物剖面圖。

2 數(shù)值建模

2.1 三維有限元模型

為分析明挖地鐵車站對(duì)臨近樁基的影響分析，采用巖土工程有限元軟件PLAXIS 3D對(duì)其進(jìn)行分析。有限元計(jì)算模型如圖3所示，模型主要包括了兩大類：一是土體；二是支護(hù)結(jié)構(gòu)，其包括了豎向圍護(hù)體系和水平支撐體系。臨近的中廣大廈(31F)、高層住宅A(27F)和高層住宅B(27F)，為了模擬建筑物自重荷載，將其轉(zhuǎn)化為總荷載，每層荷載取值為12 kN/m2，即中廣大廈(31F)自重荷載為372 kN/m2，高層住宅A(27F)和高層住宅B(27F)自重荷載為324 kN/m2。邊界條件為：模型側(cè)邊界約束法線方向位移，模型底部邊界約束法向和切線方向位移。采用10節(jié)點(diǎn)的土體單元來劃分模型。在計(jì)算中將咬合樁采用等效慣性矩?fù)Q算為板樁墻，其等效慣性矩?fù)Q算公式為：

πD4/(64l)=d3/12

(1)

式中：D為咬合樁直徑；l為咬合樁間距；d為等效后板樁墻厚度。

圖2車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近建筑物剖面圖(單位：mm)

板樁墻采用板單元模擬。此外在軟件中模擬既有樁基有兩種方式，一種為采用實(shí)體單元模擬，另一種采用軟件提供的Embedded樁單元模擬，在本次模擬樁基采用的是Embedded樁單元，其彈性模量為3.25×107MPa，直徑為1.0 m。板的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 板的力學(xué)參數(shù)

土體本構(gòu)關(guān)系的選擇直接決定了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文土體本構(gòu)關(guān)系采用能考慮剪切硬化和壓縮硬化特性的小應(yīng)變硬化模型本構(gòu)，此模型可以考慮在微小應(yīng)變范圍內(nèi)剪切模量隨應(yīng)變衰減的力學(xué)行為[15]。計(jì)算參數(shù)見表1。

圖3有限元計(jì)算模型(-4 m位置處模型)

2.2 模擬工況

為了數(shù)值模擬與施工過程相近，在軟件操作中采用“單元生死”功能來實(shí)現(xiàn)，工況操作步驟如下：Step0，計(jì)算土體的初始地應(yīng)力；Step1，激活臨近建筑物樁基；Step2，第一次開挖，第一道支撐；Step3，第二次開挖，第二道支撐；Step4，第三次開挖，第三道支撐；Step5，第四次開挖，第四道支撐；Step6，開挖至坑底面；Step7，建造底板；Step8，拆第四道支撐；Step9，拆第一、二、三道支撐，建造中板。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 整體水平位移場(chǎng)

圖4為明挖地鐵深基坑在經(jīng)過開挖、施加預(yù)應(yīng)力、建造底板、拆除內(nèi)支撐工序后整體水平位移云圖。由圖4可以看出，最大水平位移發(fā)生在靠近既有建筑物一側(cè)，其最大水平位移值為66 mm，而另一側(cè)的水平位移值為48 mm。基坑兩側(cè)水平位移分布形式基本對(duì)稱，僅是在有建筑物一側(cè)處其水平位移值略有所增大，這說明在基坑開挖過程中通過支護(hù)結(jié)構(gòu)等型式有效地限制其側(cè)向位移的發(fā)生后，對(duì)臨近建筑物的樁基影響較小。

圖4整體水平位移場(chǎng)云圖

3.2 建筑物筏板沉降

圖5為既有建筑物筏板沉降量云圖。從圖5可以看出，中廣大廈為31層，其筏板的豎向沉降量最大，其值為32 mm，而高層住宅均為27層，其筏板的豎向沉降量次之。從云圖分布模式來看，靠近基坑開挖一側(cè)沉降較大，即隨基坑開挖過程的進(jìn)行，建筑物的筏板發(fā)生了一定的傾斜，其傾斜率為0.275%。依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[16](JGJ 94—2008)第5.5.4條款可知，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)變形允許值為0.002l，針對(duì)本工程而言其變形允許值約為200 mm，由此可見，在支護(hù)結(jié)構(gòu)有效的情況下，深基坑開挖對(duì)周邊建筑物樁基的影響較小。

圖5建筑物筏板沉降量云圖

3.3 樁基的水平位移量

圖6為隨著施工步的進(jìn)行，既有建筑物樁基的水平變形曲線。由圖可知，隨著施工步的進(jìn)行，既有建筑物樁基的水平位移量總體趨勢(shì)增大，其最大水平位移量發(fā)生在樁頂略靠下處，其值為13.78 mm，樁頂處水平位移量為13.57 mm。然而在樁埋深為17.5 m位置處(基坑坑底部位處)的水平位移量最小，其原因有兩個(gè)：一是因?yàn)榇瞬课粸榛拥撞浚^此部位基坑未開挖；二是在基坑底部底板的設(shè)置起到了支撐作用。同時(shí)也可以看出，在基坑底面以下部位處，樁基的水平位移略有所增大，這是由于在基坑開挖部位處支撐以及預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)置，使得樁基產(chǎn)生了一定的翹曲變形。

圖6隨施工步樁基的水平變形曲線

3.4 樁基的軸力

圖7為隨著施工步的進(jìn)行，既有建筑物樁基的軸力變化曲線。由圖7可以看出，隨著施工步的進(jìn)行，既有建筑物的樁基軸力變化量較小。其變化范圍為1 898.29 kN～2 071.43 kN范圍內(nèi)。但是從樁身的埋深深度來看，在基坑開挖范圍內(nèi)樁身軸力變化量較大，而在樁頂以及基坑底面以下部位樁身軸力變化量較小。從軸力變化的趨勢(shì)來看，隨著施工步的進(jìn)行，其軸力略微有所增大。這是因?yàn)樵诨拥拈_挖過程中樁基產(chǎn)生了水平位移，樁基由豎向受力變?yōu)閮A斜受力。但是由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的限制，其水平位移量較小，故軸力的變化量也較小。

圖7隨施工步樁基的軸力變化曲線

4 結(jié) 論

針對(duì)明挖地鐵深基坑的開挖對(duì)臨近建筑物樁基的影響，本文依托蘭州地鐵1號(hào)線省政府車站為工程背景，采用PLAXIS 3D巖土有限元軟件分析了地鐵深基坑的開挖對(duì)中廣大廈以及高層住宅A和B三棟建筑物樁基的影響，其主要結(jié)論如下：

(1) 從地鐵深基坑變形角度而言，臨近既有建筑物一側(cè)的水平位移量比另外一側(cè)的水平位移量大，但其水平位移值的增加量與既有建筑物樁基的受力類型以及地鐵深基坑的支護(hù)型式有很大關(guān)系。

(2) 通過分析可知，既有建筑物的筏板沉降量靠近基坑一側(cè)其沉降量較大，在深基坑開挖過程中筏板產(chǎn)生了翹曲變形，但是此變形量滿足《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)的設(shè)計(jì)要求。

(3) 隨著深基坑開挖過程的進(jìn)行，既有建筑物樁基產(chǎn)生了水平位移，其最大值發(fā)生在樁頂略微靠下部位，樁基的軸力略微有所增大。

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