基坑開挖對下方既有軌道結(jié)構(gòu)影響分析

汪中萍

摘要：為探究基坑開挖對臨近既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響，依托重慶某工程，利用MIDAS- GTS NX有限元軟件進(jìn)行了三維模擬，研究了基坑開挖、支護(hù)及建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的興建對下方臨近已建地下軌道結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示：項(xiàng)目各施工階段所產(chǎn)生的累計(jì)位移均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，地下軌道襯砌結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在基坑通道的暗挖段，最大回彈量僅為4. 34 mm。

關(guān)鍵詞：基坑開挖;三維數(shù)值模擬;軌道結(jié)構(gòu)位移

中圖分類號：TU473.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2019）24-0222-03

l 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，一些臨近地鐵隧道的建筑基坑工程不斷涌現(xiàn)，而這類工程又不可避免地會對臨近地鐵隧道產(chǎn)生不同程度的影響。在目前社會發(fā)展階段，研究這種影響，對類似工程具有重大的理論和實(shí)踐意義。

近些年來，一些學(xué)者對這種影響進(jìn)行了相關(guān)研究。戚科駿等[1]依托上海的某臨近地鐵隧道的深基坑工程，采用有限元軟件，模擬了基坑開挖的各個階段;姜向紅等[2]提出具體關(guān)鍵施工措施，解決了上海南京路下沉式廣場基坑開挖卸荷引起下方地鐵上浮變形的問題;劉國彬等[3]探索了利用坑內(nèi)加固和基坑工程的時空效應(yīng)施工法等措施來控制基坑下已建成隧道的上抬變形;張玉成等[4]對位于地鐵隧道正上方的廣場發(fā)展項(xiàng)目基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了基坑開挖卸荷條件下隧道應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化。

本文結(jié)合重慶地區(qū)一下方臨近地下軌道結(jié)構(gòu)的建筑基坑工程，采用Mohr- Coulomd理論，利用有限元方法模擬工程階段，研究各個階段對既有軌道結(jié)構(gòu)的影響。該工程的三維數(shù)值模型，期望能為同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2 工程簡介

禮嘉平場公交首末站及停車場建設(shè)項(xiàng)目位于重慶北部新區(qū)，整個項(xiàng)目用地面積13721. 68 m2.地面建筑主要為公交首末站配套辦公用房僅1棟樓即1#樓，建筑面積16807. 07 m2，共2層，建筑基礎(chǔ)形式采用樁基和柱下獨(dú)立基礎(chǔ);項(xiàng)目整個地面以下為2層小型汽車停車庫，經(jīng)平場后，基坑開挖最大高度為22 m，屬深基坑工程，其它構(gòu)筑物還包含地下車庫的安全疏散樓梯間。

項(xiàng)目擬建l#樓及其基礎(chǔ)位于既有軌道交通六號線的正上方，其樁基基底距隧道結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖钚【嚯x約為15.5 m，基坑坑底開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，距隧道結(jié)構(gòu)的最小覆土厚度約為32 m。因此擬建1#樓在軌道交通的50 m安全保護(hù)線以內(nèi)，所以需在項(xiàng)目實(shí)施前，對該項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)值模擬，以確定項(xiàng)目的實(shí)施對已建軌道結(jié)構(gòu)的影響程度。

項(xiàng)目施工區(qū)域的巖土體自上而下可分為如下類型：①素填土：主要組成成分為粉質(zhì)粘土和砂、泥巖碎塊石等，局部夾卵石，為人工無序堆填形成，時間約1年，層厚3. 2～27.7 m;②粉質(zhì)粘土：無搖振反應(yīng)，零星分布于場地內(nèi)，最大厚度為2.5 m;③侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂泥巖互層：砂巖，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，局部含泥質(zhì)較重，偶夾泥質(zhì)條帶，揭露最大厚度為12. 05 m，未揭穿;泥巖，局部含砂質(zhì)較重，偶夾薄層狀的砂巖，揭露最大厚度為35.73 m，未揭穿。

基坑的支護(hù)形式有3種，包括放坡、錨拉樁和板肋式錨桿擋墻。在基坑的東側(cè)、西側(cè)和北側(cè)采用坡率法放坡，放坡坡率土層不小于1：1.5（或1：1. 75），巖層不小于1：0.5;在南側(cè)采用坡底支擋十坡頂放坡，支擋結(jié)構(gòu)為錨拉樁和板肋式錨桿擋墻。該項(xiàng)目的典型斷面關(guān)系如圖1所示。

3 數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)

3.1 模型建立

本文采用Midas/GTS軟件對項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算的模型采用常規(guī)工況，將周邊環(huán)境、擬建工程及軌道相關(guān)結(jié)構(gòu)建模按施工步序進(jìn)行模擬，模型（圖2、圖3）包括軌道交通6號線支線平場站區(qū)間軌道、模型尺寸210 m（縱向）×140 m（橫向）×88 m（豎向）;由上至下分別是素填土層，強(qiáng)風(fēng)化泥巖，中風(fēng)化砂巖層，中風(fēng)化泥巖層。軌道六號線支線平場站軌道襯砌采用C40防水鋼筋混凝土。計(jì)算模型邊界為X、Y方向約束，底部邊界為Z方向約束，頂部邊界為自由面。

3.2 模型物理力學(xué)參數(shù)取值

數(shù)值模擬采用的巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.3 數(shù)值模擬步驟

模型模擬的施工階段主要包括以下5個階段，即地下車庫基坑開挖、通道明挖段基坑開挖、通道暗挖段開挖、通道明挖部分主體結(jié)構(gòu)澆筑和車庫基礎(chǔ)施工及施加車庫荷載。

模型具體實(shí)施步驟分以下8步進(jìn)行：第一步：初始應(yīng)力分析，再位移清零，計(jì)算得到模型的初始應(yīng)力場;第二步：區(qū)間隧道開挖及區(qū)間結(jié)構(gòu)施工，應(yīng)力、位移場計(jì)算;第三步：位移清零，實(shí)現(xiàn)已建隧道模擬;第四步：地下車庫基坑開挖，位移、應(yīng)力場計(jì)算;第五步：通道明挖段基坑開挖，位移、應(yīng)力場計(jì)算;第六步：通道暗挖段開挖，位移、應(yīng)力場計(jì)算;第七步：通道明挖部分主體結(jié)構(gòu)澆注，應(yīng)力、位移場計(jì)算。第八步：車庫基礎(chǔ)施工及施加車庫荷載，應(yīng)力、位移場計(jì)算。

4 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬的結(jié)果主要分析基坑開挖及地下車庫等建構(gòu)筑的修建對已建隧道襯砌縱向位移、橫向位移和豎向位移的影響。

4.1 隧道襯砌豎向位移

項(xiàng)目各個施工階段引起的隧道襯砌豎向位移見表2。

由表2中得知，項(xiàng)目的前3個施工階段，即（a）、（b）和（c）階段，隨著巖土體的不斷開挖，基坑會發(fā)生不斷卸荷，引起基坑回彈，進(jìn)而引起下方隧道襯砌發(fā)生回彈，但由于通道暗挖段_[程量遠(yuǎn)小于通道明挖段工程量，所以前者開挖引起的位移相比于后者無明顯變化。（d）、（e）階段，由于結(jié)構(gòu)荷載的施加，隧道襯砌豎向位移有明顯減小。根據(jù)規(guī)范[5]軌道交通隧道的豎向位移控制值不得大于20 mm，而項(xiàng)目中隧道襯砌最大豎向位移僅達(dá)到4. 34 mm，所以豎向位移遠(yuǎn)滿足規(guī)范要求。

4.2 隧道襯砌橫向位移

項(xiàng)目各個施工階段情況下所引起的隧道襯砌橫向位移見表3。

由表3中得知，項(xiàng)目的前三個施工階段，即（a）、（b）和（c）階段，隨著巖土體的不斷開挖，引起下方隧道襯砌的橫向位移增加，但由于通道暗挖段工程量遠(yuǎn)小于通道明挖段工程量，所以前者開挖引起的位移相比于后者無明顯變化。（d）、（e）階段，由于結(jié)構(gòu)荷載的施加，隧道襯砌橫向位移有明顯減小。根據(jù)規(guī)范[5]軌道交通隧道的橫向位移控制值不得大于20 mm，而項(xiàng)目中隧道襯砌最大橫向位移僅為1. 03 mm，所以橫向位移遠(yuǎn)滿足規(guī)范要求。

4.3 隧道襯砌縱向位移

項(xiàng)目各個施工階段所引起的隧道襯砌縱向位移見表4。

由表4中得知，項(xiàng)目的前3個施工階段，即（a）、（b）和（c）階段，隨著巖土體的不斷開挖，基坑會發(fā)生不斷卸荷，引起基坑回彈的同時，進(jìn)而引起下方隧道襯砌產(chǎn)生縱向位移，但由于通道暗挖段工程量遠(yuǎn)小于通道明挖段工程量，所以前者開挖引起的位移相比于后者無明顯變化。（d）、（e）階段，由于結(jié)構(gòu)荷載的施加，隧道襯砌縱向位移有明顯減小。根據(jù)規(guī)范[5]軌道交通隧道的變形相對曲率控制值不得大于1/2500，該處發(fā)生的最大縱向位移僅為1. 835 mm，其對應(yīng)的變形相對曲率無限小，所以滿足該要求。

通過前面對隧道襯砌發(fā)生的最大豎向位移、最大橫向位移和最大縱向位移的分析，可以看出，項(xiàng)目施工對隧道產(chǎn)生最大位移的階段都是在項(xiàng)目的通道暗挖段基坑開挖階段，并且所產(chǎn)生的位移均滿足相關(guān)規(guī)范的要求，所以基坑開挖不會影響下方臨近軌道的正常運(yùn)行。

5 結(jié)論及建議

通過對該項(xiàng)目在實(shí)施前進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論。

（1）項(xiàng)目施工過程中，理論上在通道暗挖段基坑開挖階段引起隧道襯砌產(chǎn)生最大位移，但由于通道暗挖段的工程量相比于通道明挖段的工程量較小，所以在位移的數(shù)值上，前者無明顯變化。

（2）基坑開挖及建構(gòu)筑物荷載施加對隧道產(chǎn)生的位移，均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，所以項(xiàng)目施工過程中，對隧道產(chǎn)生的影響不會影響到隧道的正常運(yùn)行;但為了安全起見，建議在項(xiàng)目施工過程中，應(yīng)采取對隧道保護(hù)的安全施工措施。

（3）模擬過程中，沒有考慮基坑開挖抽取地下水對隧道襯砌的影響，后期的研究可以對其予以考慮。

參考文獻(xiàn)：

[l]戚科駿，王旭東，蔣 剛，等.臨近地鐵隧道的深基坑開挖分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（S2）：5485-5489.

[2]姜向紅，喬恒昌，在運(yùn)營的地鐵隧道上方進(jìn)行大面積基坑施工[J].上海建設(shè)科技，2007（6）：29～31，37.

[3]劉國彬，黃院雄，侯學(xué)淵，基坑工程下已運(yùn)行地鐵區(qū)間隧道上抬變形的控制研究與實(shí)踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001（2）.

[4]張玉成，楊光華，姚捷，等.基坑開挖卸荷對下方既有地鐵隧道影響的數(shù)值仿真分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010（SI）：109-115.

[5]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).CJJ/T 202 - 2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)版社，2014.