深基坑開挖對臨近地鐵線路的影響分析

佘格格

(三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

對于現(xiàn)代城市深基坑工程施工而言，對其臨近建筑物變形影響分析的重要性，已經(jīng)超過基坑本身[1]。伴隨地鐵工程在城市建設中重要性的逐漸增高，地鐵沿線地區(qū)成為城市經(jīng)濟發(fā)展的熱門[2]。出于對地鐵線路本身安全和周邊環(huán)境保護的考慮，基坑工程實施前，要對其臨近的地鐵線路進行工程影響評估，確定完工后對地鐵線路及周圍區(qū)域沉降和變形值低于規(guī)定允許值。

工程應用中常使用Duncan-Chang模型[3]、彈塑性的Mohr-Coulomb模型[4]和Druker Prager模型[5]等本構模型進行基坑開挖分析。三個模型均為理想模型，參數(shù)獲取簡單，被廣泛應用，但未考慮到土體中的固結壓力影響，不適宜應用于變形受體積應變影響較大土體模擬計算。HSS模型同時考慮了剪切硬化和壓縮硬化，能夠反映土體小應變狀態(tài)下土與結構的相互作用[6]。研究項目所在地區(qū)土質(zhì)壓縮性強，土體變形需要考慮固結壓力、體積應變、加卸載模量等多重因素，故選用HSS模型。

1 計算模型與參數(shù)取值

1.1 HSS小應變模型參數(shù)值確定

采用HSS小應變模型計算基坑開挖時，模型參數(shù)的取值如下：

1.2 模型建立與計算步驟

項目基坑沿軌道交通某站路停車場出入場線方向分布，基坑與主體縱向尺寸與橫向尺寸的比分別為7.2、6.1。研究表明，當基坑、主體結構長寬比大于6時，二維和三維數(shù)值分析結果十分類似[7]，因此把此基坑工程簡化為平面模型進行分析是合理可行的。

模擬計算時，對于主體結構兩側基坑考慮同步開挖，將坑內(nèi)潛水位考慮為開挖面，坑外水位為主體覆土頂面標高；回筑、拆撐過程將坑內(nèi)水位考慮為基底，坑外水位為主體覆土頂面標高。采用Plaxis軟件模擬基坑開挖過程及回筑工序見表1。

2 工程概況

案例項目位于武漢某街道路口與武九鐵路交匯處，左右地塊沿著武漢市軌道交通2號線某站路停車場出入場線方向分布，每個地塊均為地下二層。該項目地下一層段基坑圍護結構采用1000mm@1300mm鉆孔灌注樁，地下兩層段采用1200mm@1500mm鉆孔灌注樁；一層、二層地下室樁間止水采用高壓旋噴樁工藝；基坑設置一道支撐，支撐中心標高20.90m，支撐采用800mm×800mm的混凝土桁架撐，中間設置臨時立柱。

表1 基坑開挖及回筑工序

3 工程實例分析

根據(jù)斷面尺寸，建立斷面數(shù)值分析模型?；优R近鐵路側考慮車輛荷載為50kPa，左側基坑左側與右側基坑右側考慮施工荷載為15kPa。計算斷面簡圖如圖1所示。

圖1 計算斷面簡圖

3.1 施工基坑圍護樁、放坡開挖至第一道支撐時的位移

計算斷面垂直位移最大約-3.85mm，表現(xiàn)為超載引起的土體豎向沉降；基坑內(nèi)土體有最大2mm的土體位移，方向向上。地鐵線路停車場周圍土體變形較小，豎向沉降不足1mm。

斷面最大水平位移發(fā)生在停車場左側，靠近鐵路路基邊坡，最大水平位移約2.36mm，方向向右，為左荷載引起的土體位移。停車場附近土體基本無水平位移。以主體結構左側墻為x=0，以頂板(底板)寬度方向為x軸、頂板(底板)垂直位移為y軸建立坐標系，計算結果繪制成曲線圖如圖2所示。

圖2 第一階段主體結構頂、底板位移圖

主體結構平面計算共分6跨，變形主要發(fā)生在最左側和最右側一跨。頂板最大垂直位移為-0.78mm，底板豎向沉降最大值為-0.79mm，該工況條件下，垂直位移值不足1mm，停車場主體結構整體位移較小。

3.2 布置第一道支撐、開挖至坑底后的位移

隨著開挖到達基坑底部，土體位移明顯增大。計算斷面最大豎向沉降值為-17.5mm?？拥装l(fā)生隆起，隆起值最大約30.52mm?；娱_挖至坑底時，整個斷面水平位移明顯增大，其最大位移值位于左側基坑，約為19.35mm，方向向右；右側基坑最大位移約為-14mm，方向向左。

主體結構平面計算共分6跨，最大變形發(fā)生在最右側一跨，頂板最大垂直位移-2.37mm，底板豎向沉降最大值為-2.36mm，該工況軌道位置處最大沉降為-1.07mm。如圖3所示。

圖3 第二階段主體結構頂、底板位移圖

3.3 澆筑底板、拆除支撐后的位移

相對于上一工況，澆筑底板、拆除支撐后，計算斷面坑底隆起值和坑外沉降值變化不大。豎向沉降最大值約-20mm，相對于上一工況沉降最大值增大2.5mm，坑底隆起最大值約29.22mm，與上一工況一致。此工況時斷面水平位移最大點從基坑底部往上移動，水平位移增大。左側基坑最大水平位移約32.26mm，方向向右，較上一工況增大約13mm；右側基坑最大水平位約-24mm，方向向左，較上一工況增大10mm。

停車場主體結構平面計算最大變形發(fā)生在最右側一跨，計算跨度6.9m，頂板最大垂直位移-2.60mm，底板豎向沉降最大值為-2.61mm。該工況軌道位置處最大沉降為-1.1mm，滿足要求地鐵線路對垂直位移要求。如圖4所示。

圖4 第三階段主體結構頂、底板位移圖

4 結語

通過對武漢地區(qū)某臨近地鐵深基坑工程的數(shù)值模擬，對比、分析深基坑施工后監(jiān)測變形數(shù)據(jù)，得出如下結論:

采用HSS本構模型對基坑工程進行數(shù)值模擬，得到模擬結果為基坑開挖過程中放坡開挖、布置第一道支撐時，垂直位移值不足1mm，水平位移不足0.1mm，停車場主體結構整體位移較?。婚_挖至坑底后，該工況條件下軌道位置處最大沉降為-1.07mm；澆筑底板、拆除第一道撐后，軌道位置處最大沉降為-1.1mm。而施工過程中，軌道位置處實際監(jiān)測值在3個工況條件下，位移均值分別是-0.71、-1.12、-1.17mm。模擬計算采用對稱開挖，故結果中主體結構開挖停車場主體結構水平方向受力均衡。計算的成果和監(jiān)測數(shù)據(jù)值對比，兩者較為接近，驗證了HSS本構模型在武漢地區(qū)的適用性。