基坑施工對(duì)軌道交通影響有限元分析①

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著我國(guó)城市的快速發(fā)展，交通擁堵、用地緊張等問(wèn)題日趨明顯，人們對(duì)于城市地下空間的開發(fā)利用日益變大。其中基坑工程和城市地下隧道工程是目前比較常見(jiàn)的。但日益錯(cuò)綜復(fù)雜的地下系統(tǒng)，也增加了施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于既有軌道交通建(構(gòu))筑物，臨近新建基坑施工會(huì)對(duì)其產(chǎn)生擾動(dòng)和附加變形影響?；娱_挖和支護(hù)是土體卸荷產(chǎn)生應(yīng)力釋放及另一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)重新分布的過(guò)程，進(jìn)而引起圍護(hù)體的變形，這種變形貫穿于施工全過(guò)程。以合肥市瑤海區(qū)北苑小區(qū)二期基坑施工對(duì)軌道3號(hào)線結(jié)構(gòu)影響為例，采用三維有限元分析方法，考慮土體非線性因素，模擬基坑支護(hù)體系與土體間的相互作用，預(yù)測(cè)基坑開挖對(duì)臨近隧道結(jié)構(gòu)使用安全不產(chǎn)生影響。

1 工程概況

1.1 工程背景

北苑小區(qū)二期工程項(xiàng)目位于合肥市瑤海區(qū)臨泉路與嘉山路交口西南角,總建筑面積約2.72萬(wàn)m2,工程計(jì)劃于2018年7月開始基坑施工，整體基坑面積約4300m2,南北向長(zhǎng)約134m,東西向?qū)捈s42m,基坑北側(cè)毗鄰軌道交通3號(hào)線阜陽(yáng)路站-淮南路站區(qū)間。該段區(qū)間于2017年8月開始施工,目前右線區(qū)間已于2018年3月貫通,左線區(qū)間2018年4月貫通，左、右線區(qū)間均尚未鋪軌。目前盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)管片狀態(tài)良好,無(wú)裂縫及漏水情況發(fā)生,施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常。軌道交通3號(hào)線阜陽(yáng)路站-淮南路站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,區(qū)間結(jié)構(gòu)直徑6m,線間距12m,區(qū)間埋深約13.4m～14.0m,基坑圍護(hù)樁外側(cè)與阜陽(yáng)路站-準(zhǔn)南路站區(qū)間右線隧道結(jié)構(gòu)外壁水平距離約9.78m,垂直距離約7.7m。基坑工程開挖深度為4.4～6.4m，基坑北側(cè)靠近區(qū)間隧道處采用雙排樁支護(hù)形式，東側(cè)南段采用土釘墻支護(hù)，其余采用懸臂樁+上部放坡支護(hù)形式,區(qū)間與北苑小區(qū)基坑位置關(guān)系及地層信息見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 北苑小區(qū)基坑與區(qū)間隧道平面位置關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.2.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，場(chǎng)地為第四紀(jì)地貌形態(tài)屬南淝河支流板橋河一級(jí)階地地貌單元。地基土構(gòu)成層序自上而下為：①層雜填土、②1層粘土、②2層粘土、③層粉質(zhì)粘土夾粉土、④1層粉土夾粉質(zhì)粘土、④2層粉土、粉細(xì)砂夾粉質(zhì)粘土、⑤1層強(qiáng)風(fēng)化砂巖、⑤2層中風(fēng)化砂巖。

1.2.2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)鉆探揭露,擬建場(chǎng)地①層雜填土中埋藏有上層滯水型地下水,一般無(wú)穩(wěn)定的自由水面,主要受大氣降水和地表水滲入補(bǔ)給；③層粉質(zhì)粘土夾粉土、④1層粉土夾粉質(zhì)粘土和④2層粉土、粉細(xì)砂夾粉質(zhì)粘士中埋藏有層問(wèn)型地下水,具有承壓性,其水量較大,并與擬建場(chǎng)地旁的板橋河發(fā)生水利聯(lián)系；⑤1層強(qiáng)風(fēng)化砂巖中埋藏有裂隙水,其水量較小。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算假定及參數(shù)

2.1.1 計(jì)算假定

根據(jù)實(shí)際情況,有限元計(jì)算模型進(jìn)行如下假定:不考慮巖土體的構(gòu)造應(yīng)力,自重應(yīng)力是唯一的初始地應(yīng)力；結(jié)構(gòu)周圍的土體為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的彈塑性體,采用硬化模型進(jìn)行計(jì)算；鑒于基坑開挖是臨時(shí)工程,施工時(shí)間較短,在模擬計(jì)算時(shí)未考慮土體長(zhǎng)期性的影響,忽略了土體的固結(jié)和蠕變等因素。

2.1.2 計(jì)算參數(shù)選取

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)值

2.2 三維有限元計(jì)算分析

2.2.1 計(jì)算邊界及網(wǎng)格劃分

根據(jù)圣維南原理,模型在縱向和橫向應(yīng)取基坑開挖深度的2～3倍。計(jì)算時(shí)的邊界條件為:x軸方向采用x向約束,y軸方向采用y向約束,底部采用豎向約束,上表面為自由面。計(jì)算建模及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

2.2.2 計(jì)算工況

根據(jù)施工先后次序,計(jì)算中應(yīng)包括如下計(jì)算工況：工況1：初始地應(yīng)力平衡,位移清零；工況2：施作區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)；工況3：施作第一級(jí)放坡的土釘及細(xì)石混凝土噴射面層,完成第一級(jí)土層開挖(地表至圍護(hù)樁頂標(biāo)高)；工況4：施作圍護(hù)樁,開挖至基坑底；

各工況三維模型示意圖見(jiàn)表2：

表2各工況三維模型示意圖

2.2.3 位移計(jì)算分析

各工況下鄰近區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位移情況見(jiàn)圖4～圖5。

圖2 北苑小區(qū)基坑與區(qū)間隧道剖面位置關(guān)系圖

圖3 三維建模示意圖

基坑施工各工況對(duì)鄰近區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的位移影響匯總見(jiàn)表3

表3 各施工階段對(duì)區(qū)間結(jié)構(gòu)的位移影響(累計(jì)值)

a) 水平位移 b) 豎向位移

a)水平位移 b) 豎向位移

a)工況3 b) 工況4

圖7 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)彎矩圖(工況3)

圖8 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)彎矩圖(工況4)

由數(shù)值模擬結(jié)果知,受基坑開挖卸載的影響,鄰近基坑右線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)局部會(huì)發(fā)生水平及豎向位移,左線區(qū)間隧道受到影響較小,可忽略不計(jì)。其中右線隧道在里程右DK22+400.012～DK22+451.012為受開挖I級(jí)主要影響區(qū),在里程右DK22+408.063處最大水平位移約1.70mm,最大隆起量約1.02mm。在里程右DK22+381.012～DK22+400.012及里程右DK22+451.012～DK22+491.012范圍內(nèi)為Ⅱ級(jí)次要影響區(qū),水平位移計(jì)豎向隆起均低于0.5mm。綜上,區(qū)間隊(duì)道水平位移、豎向位移均低于控制值10mm。

在工況3、工況4計(jì)算結(jié)果中提取區(qū)間隧道沿縱向分布的位移數(shù)據(jù),從小里程方向開始取8組數(shù)據(jù),根據(jù)變形特點(diǎn),采用多項(xiàng)式函數(shù)y=ax3+bx2+cx+d對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,再根據(jù)曲率半徑計(jì)算公式ρ=(1+y′2)3/2|y″|求得隧道變形的最小曲率半徑。經(jīng)計(jì)算,工況3隧道變形的最小曲率半徑為2.12×105,工況4隧道變形的最小曲率半徑為9.24×104,最大軌向高差約0.04mm。均低于控制值1.5×104。沿軌道縱向于曲率半徑最小處,取10m長(zhǎng)度,計(jì)算最大軌向高差。經(jīng)計(jì)算,工況3最大軌向高差約0.03mm,工況4最大軌向高差約0.05mm。

各工況下軌道道床結(jié)構(gòu)位移情況見(jiàn)圖6。

由圖可見(jiàn),基坑施工期間,軌道橫向高低略有不同。工況3軌道橫向最大高差約0.29mm;工況4軌道橫向最大高差約0.41mm。均低于控制值2mm。綜上,基坑開挖對(duì)鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)有一定影響,但總體上不利影響在可控范圍內(nèi)。

2.2.4 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)承載力及抗裂驗(yàn)算

各工況下，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)彎矩分布圖見(jiàn)圖7～圖8。

各工況下,區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的最大彎矩、承載力及抗裂驗(yàn)算詳見(jiàn)表4。

表4 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)承載力及抗裂驗(yàn)算

注：E代表HRB400鋼筋。

三維計(jì)算結(jié)果表明:各工況下,區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)各部位的承載力及裂縫控制均可滿足規(guī)范要求,故基坑開挖對(duì)鄰近區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)使用安全的不利影響可控。

3 結(jié) 論

1) 根據(jù)三維空間有限元析結(jié)果,基坑開挖各工況下軌道交通3號(hào)線區(qū)間隧道及軌道的位移或變形影響均低于控制值,即基坑開挖對(duì)鄰近軌道交通的影響能控制在正常變形范圍內(nèi)。

2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算結(jié)果,基坑施工期間,既有軌道交通結(jié)構(gòu)的裂縫控制滿足規(guī)范要求。

3) 基坑開挖應(yīng)按照“分層、分段、限時(shí)、嚴(yán)禁、超挖”的原則進(jìn)行。建議基坑開挖時(shí)，由南向北，即遠(yuǎn)離區(qū)間側(cè)開挖，基地施工時(shí)，由北向南，最大程度減小鄰近車站側(cè)的基地暴露時(shí)間。