基坑施工對緊鄰地鐵結構安全性的影響分析

張 祁，張 敏

(天津市勘察院， 天津 300191)

隨著國家城市建設的快速發(fā)展，已有運營地鐵結構周邊的建筑工程施工不斷增加[1-2]。其中，建筑工程基坑開挖對既有地鐵結構的影響越來越受到各方的重視。建筑工程基坑開挖能夠導致既有地鐵結構產生變形甚至造成既有地鐵結構發(fā)生嚴重損壞[3-4]。故，為了保證既有地鐵結構的安全,在基坑工程施工前，對其進行安全性評估顯得尤為關鍵。

迄今為止，某些國內外學者已經對地鐵結構受周邊基坑開挖影響這一課題開始了研究分析。研究分析了不同開挖方式、開挖深度等情況對既有地鐵結構的變形影響[5-6]。并利用數值模擬的方法對上述不同情況下地鐵變形結果進行了有效的論證，一定程度上分析了引起地鐵結構變形的影響要素[7-8]。利用有限差分軟件分析了基坑施工對地鐵結構的影響范圍及影響程度[9-10]。利用MIDAS有限元軟件分析了運營地鐵正上方基坑施工對地鐵結構的影響程度[11-12]。由此可見，應用有限元分析地鐵結構受周邊基坑施工影響的安全性評價是十分有效的方法[13-15]。

本文以某工程基坑開挖為例，運用大型通用有限元分析軟件PLAXIS 3D進行數值分析，分析了基坑降水、開挖及樓板施做過程中，地鐵結構的位移情況。利用數值模擬結構及相關規(guī)范，提供安全性評估建議。

1 工程概況

該項目位于南開區(qū)迎水道和苑中路交口，某地鐵站旁。該項目包括1棟21層辦公樓，擬采用框架核心筒結構；1棟25層住宅樓，擬采用剪力墻結構；1棟4層商業(yè)，擬采用框架結構及整體兩層地下室。本基坑工程總周長約410 m，基坑總面積約為9 800 m2。純機械停車庫區(qū)域，基坑深度13.15 m；普通車庫及住宅樓區(qū)域，基坑深度11.75 m；辦公樓區(qū)域，基坑深度12.75 m。基坑平面見圖1。

2 評估標準

參照相關規(guī)范及國內各地區(qū)地鐵保護區(qū)相關標準，并結合類似工程經驗,地鐵結構控制指標按照表1進行。

圖1 基坑平面圖

3 基坑施工數值模擬

3.1 模型結構尺寸

采用巖土有限元分析軟件建立整體三維有限元模型進行計算分析，X軸為基坑長邊方向,Y軸為基坑短邊方向,Z軸為豎向方向?？紤]基坑自身尺寸及開挖深度,且為消除模型邊界效應，X軸、Y軸、Z軸方向分別取300 m、230 m、50 m。模型計算采用10節(jié)點四面體單元，共劃分94 764個土體單元，131 772個節(jié)點。計算模型基本尺寸及相應的位置關系見圖2。總體模型劃分為三個部分：(1) 鄰近地鐵結構的基坑；(2) 車站自身；(3) 車站鄰近的隧道。

3.2 模型邊界條件

本計算模型采用如下的邊界條件：模型頂面不設置約束,為自由面；在模型底面各個方向均固定；模型四個側面均只設置法向約束，數值方向不設置約束。

圖2計算模型示意圖

3.3 計算參數

土層物理力學參數均取自該工程的勘察報告,采用彈塑性模型進行計算，詳見表2。

表2 土層物理力學參數

表3為隧道襯砌、車站結構、地連墻、支撐、樓板和柱等結構的力學參數。上述結構均采用彈性模型。數值模擬計算過程中,均假定這些結構處于彈性階段。模型中，樓板和地連墻用板單元模擬；混凝土結構重度均為25 kN/m3，表中不再贅述。

表3 結構力學參數

3.4 分析步設置

(1) 平衡地應力；

(2) 生成隧道和地鐵車站；

(3) 清零位移，生成地連墻；

(4) 生成基坑內工程樁以及主體結構柱；

(5) 第1層降水，降至埋深-1.75 m(頂層樓板底面)；

(6) 第1層土開挖，開挖至-1.75 m(頂層樓板底面)；

(7) 第1層樓板和支撐施作；

(8) 第2層降水，降至埋深-6.65 m(2層樓板底面)；

(9) 第2層土開挖，開挖至-6.65 m(2層樓板底面)；

(10) 第2層樓板和支撐施作；

(11) 第3層降水，降至-12.15 m(3層樓板底面)；

(12) 第3層土開挖，挖至-12.15 m(3層樓板底面)；

(13) 第3層樓板施作。

4 數值模擬結果分析

4.1 車站結構位移分析

4.1.1 車站主體結構位移分析

主體結構底板完成時，土體的卸荷效應最大，車站產生最大位移。車站的水平、豎向位移圖見圖3～圖5。

圖3車站結構底板完成時車站最大X向水平位移云圖

主體結構底板完成時，車站主體最大X向水平位移為1.13 mm。

圖4主體結構底板完成時車站最大Y向水平位移云圖

主體結構底板完成時，車站主體最大Y向水平位移為3.94 mm，變形方向為指向基坑方向。

圖5主體結構底板完成時車站最大豎向位移云圖

主體結構底板完成時，車站主體結構產生最大沉降位移為1.31 mm，最大隆起位移為0.17 mm。

4.1.2 車站附屬結構位移分析

(1) 1號風道及3號出入口變形分析。基坑主體結構底板完成時，土體的卸荷效應最大，車站產生最大位移。車站附屬結構中1號風道及3號出入口的水平、豎向位移圖見圖6～圖8。

圖6主體結構底板完成時1號風道及3號出入口最大X向水平位移云圖

主體結構底板完成時，車站1號風道及3號出入口最大X向水平位移為0.45 mm。

圖7主體結構底板完成時1號風道及3號出入口最大Y向水平位移云圖

主體結構底板完成時，車站1號風道及3號出入口最大Y向水平位移為4.44 mm。

圖8主體結構底板完成時1號風道及3號出入口最大豎向位移云圖

主體結構底板完成時，車站1號風道及3號出入口最大豎向位移為2.12 mm。

(2) 4號出入口及2號風道變形分析。基坑主體結構底板完成時，土體的卸荷效應最大，3號線王頂堤站產生最大位移。車站附屬結構中4號出入口及2號風道的水平、豎向位移情況見圖9～圖11、表4。

圖9主體結構底板完成時4號出入口及2號風道最大X向水平位移云圖

主體結構底板完成時，車站4號出入口及2號風道最大X向水平位移為2.25 mm。

圖10主體結構底板完成時4號出入口及2號風道最大Y向水平位移云圖

主體結構底板完成時，車站4號出入口及2號風道最大Y向水平位移為4.01 mm。

圖11主體結構底板完成時4號出入口及2號風道最大豎向位移云圖

主體結構底板完成時，車站4號出入口及2號風道最大豎向位移為1.47 mm。

4.2 基坑開挖對既有3號線隧道的變形影響分析

主體結構底板完成時，土體的卸荷效應最大，隧道產生最大位移。隧道的水平、豎向位移情況見圖12～圖17、表5。

表4 主要施工階段的變形情況

圖12 主體結構底板完成時隧道最大

圖13 主體結構底板完成時隧道最大X向水平位移變形圖(放大100000倍)

圖14主體結構底板完成時隧道最大

Y向水平位移云圖

基坑開挖至底部時，3號線隧道產生最大的水平位移和豎向位移，X方向最大水平位移為0.78 mm，Y方向最大水平位移為1.68 mm，最大豎向位移為0.33 mm(沉降)。

表5 3號線隧道主要施工階段的變形情況

圖15 主體結構底板完成時隧道最大Y向水平位移變形圖(10000倍)

圖16 主體結構底板完成時隧道最大豎向位移云圖

圖17主體結構底板完成時隧道最大

豎向位移變形圖(100000倍)

5 結 論

本文以該基坑工程為背景，分析了地鐵結構受周邊基坑施工的影響，利用PLAXIS 3D有限元軟件對該工程進行數值模擬計算，通過對各個工況條件下地鐵結構的變形分析得到以下結論：

(1) 受基坑開挖卸載影響，坑內土體發(fā)生隆起變形，圍護結構外側土體向基坑側移動，導致地鐵結構發(fā)生向基坑方向的水平位移，最大水平位移發(fā)生在地鐵結構靠近基坑側的位置，且發(fā)生在靠近基坑中部的位置。

(2) 隨著基坑的逐次開挖，地鐵結構的位移量明顯增大。整個施工過程中，地鐵結構的位移量都在允許范圍之內。

(3) 受時間效應的影響，基坑工程開挖至基坑底面應快速施工底板，縮短晾槽時間，減少基坑開挖對既有地鐵結構的影響。

(4) 基坑工程施工過程中，嚴格控制基坑圍護結構與既有地鐵及車站隧道上方的施工荷載不超過20 kPa。

(5) 基坑工程施工過程中，應對受影響的地鐵結構進行不同程度的實時監(jiān)測，監(jiān)測內容包括結構裂縫、結構變形及軌道幾何形態(tài)尺寸的變化等，尤其對基坑臨近邊中部的地鐵結構等變形較大的部位應加強監(jiān)測并保持高度關注。主要影響區(qū)內監(jiān)測斷面間距不宜大于10 m，基坑中部對應的車站部分應適當加密。結構監(jiān)測應貫穿于基坑工程作業(yè)的全過程，直至外部作業(yè)完成且監(jiān)測數據趨于穩(wěn)定后方可結束。