基坑開(kāi)挖引起下方既有地鐵回彈變形的數(shù)值模擬分析

郝維鈁

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著城市發(fā)展，對(duì)地下空間的需求和利用越來(lái)越大，既有地鐵上方明挖修建地下結(jié)構(gòu)的情況逐步增多，地鐵上方基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的卸載，對(duì)地鐵隧洞會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本文以三維有限元模型對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)分析結(jié)果更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

1 項(xiàng)目概況

汾江路隧道位于佛山市禪城區(qū)季華路與汾江路交匯處，為季華路下穿汾江路，隧道為雙向六車道，全長(zhǎng)520 m，其中暗埋段長(zhǎng)110 m，采用單箱雙室的矩形框架結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 工程總體平面圖

汾江路隧道在十字路口處上跨既有地鐵廣佛線季華園站～同濟(jì)路站區(qū)間。地鐵隧洞為盾構(gòu)法施工，外徑6.0 m，管片厚度0.3 m，兩條地鐵隧洞的凈距約7 m。地鐵隧洞頂覆土約16.3 m，地鐵上方基坑開(kāi)挖深度約9.6 m，地鐵襯砌結(jié)構(gòu)頂距基坑底約6.7 m。

隧道所處地層透水性較強(qiáng)，且位于市區(qū)，采用地下連續(xù)墻圍護(hù)，明挖施工。

2 工程地質(zhì)概況

土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

括號(hào)內(nèi)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。場(chǎng)地主要含水層為中砂、粗砂層，屬中等～強(qiáng)透水性，涌水量大，水量豐富。

3 隧道基坑開(kāi)挖工況

隧道基坑開(kāi)挖工況見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 隧道基坑?xùn)|西分區(qū)抽條開(kāi)挖平面圖

圖3 隧道西側(cè)基坑分層抽條開(kāi)挖斷面圖（單位：mm）

采用800 mm厚地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐圍護(hù)，為隔離地鐵上方基坑，該位置分割成獨(dú)立的方形基坑，減少隧道縱向其余位置開(kāi)挖對(duì)地鐵的影響。地鐵隧洞中間設(shè)置一排?1 000旋挖樁隔離，先后獨(dú)立開(kāi)挖，避免一次性卸載過(guò)大，同時(shí)可減少該條地鐵上方的開(kāi)挖卸載對(duì)另外一條地鐵線的影響?；拥滓韵虏捎?850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁滿堂加固，加固土體底距離地鐵襯砌結(jié)構(gòu)頂2.0 m。

地鐵上方基坑平面分為東西兩個(gè)區(qū)域，先施工西區(qū)，深度方向上分層開(kāi)挖，每層開(kāi)挖不超過(guò)2 m。在第二道支撐下土體又進(jìn)行抽條開(kāi)挖，每條開(kāi)挖完成后及時(shí)澆筑該條墊層。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵的變形，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，若變形較大，應(yīng)及時(shí)澆筑隧道底板，底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后采用砂袋堆載等進(jìn)行反壓。本工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)地鐵變形較小，均在可控范圍內(nèi)，最終是所有墊層施工完成后一次澆筑隧道底板。

4 三維建模

三維分析選擇采用MIDAS-GTS軟件，內(nèi)支撐、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻均按各向同性材料考慮；土體按理想彈塑性體考慮；因止水帷幕與圍護(hù)樁剛度相差較大，計(jì)算過(guò)程中不考慮其抗彎性，將其作為安全儲(chǔ)備。采用板單元模擬盾構(gòu)管片、連續(xù)墻、圍護(hù)樁，未考慮與土體之間的摩擦，基坑內(nèi)支撐、冠梁、腰梁采用梁?jiǎn)卧M，對(duì)基底下隧道上的土體加固，通過(guò)調(diào)整土體的C、?值進(jìn)行模擬，見(jiàn)圖4～圖7。

圖4 隧道基坑三維模型

圖5 地鐵隧洞三維模型

圖6 地下連續(xù)墻及支撐三維模型

圖7 汾江路隧道三維模型

5 基坑開(kāi)挖施工模擬

通過(guò)單元的“激活、鈍化”實(shí)現(xiàn)土體開(kāi)挖、結(jié)構(gòu)施作等施工過(guò)程，施工過(guò)程中考慮20 kPa的地表均布超載作用。僅列出基坑開(kāi)挖過(guò)程的模擬，其余隧道澆筑、基坑回填等工況不再具體列出，見(jiàn)圖8～圖 13。

圖8 西側(cè)基坑開(kāi)挖至第一層土體底模型

圖9 西側(cè)基坑抽條開(kāi)挖第二層土體W1模型

圖10 西側(cè)基坑抽條開(kāi)挖第二層土體W2模型

圖11 西側(cè)基坑抽條開(kāi)挖第二層土體W3模型

圖12 西側(cè)基坑抽條開(kāi)挖第二層土體W4模型

圖13 西側(cè)澆筑完隧道結(jié)構(gòu)并覆土模型

同樣順序施工東側(cè)隧道并覆土，不再具體列出模擬過(guò)程。

6 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖14～圖18。

圖14 西側(cè)基坑開(kāi)挖至第一層土體底地鐵豎向變形

圖15 西側(cè)基坑開(kāi)挖第二層土體W1地鐵豎向變形

圖16 西側(cè)基坑開(kāi)挖第二層土體W2地鐵豎向變形

圖17 西側(cè)基坑開(kāi)挖第二層土體W3地鐵豎向變形

圖18 西側(cè)基坑開(kāi)挖第二層土體W4地鐵豎向變形

東側(cè)基坑施工工況類似，不再列出具體的計(jì)算過(guò)程，僅列出開(kāi)挖東側(cè)基坑第二層土體E4，即開(kāi)挖至基坑底的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖19～圖21。

圖19 東側(cè)基坑開(kāi)挖第二層土體E4地鐵豎向變形

圖20 完整工況下的西側(cè)地鐵回彈變形曲線圖

圖21 完整工況下的東側(cè)地鐵回彈變形曲線圖

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果，隨著隧道分區(qū)建設(shè)，地鐵出現(xiàn)回彈變形，西側(cè)回彈變形最大值為5.2 mm，東側(cè)回彈變形最大值為5.8 mm，均出現(xiàn)在地鐵正上方的基坑開(kāi)挖至基底時(shí)。此時(shí)，地鐵變形曲率半徑為 19 396 m≥15 000 m，相對(duì)變曲0.75/2 500≤1/2 500，滿足地鐵保護(hù)的相關(guān)要求[1]。隨著地鐵上方的隧道澆筑以及土方回填，地鐵回彈變形逐漸減小。

7 施工期間監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)地鐵相關(guān)監(jiān)測(cè)單位提供的的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基坑開(kāi)挖期間西側(cè)地鐵的回彈變形見(jiàn)圖22，最大回彈變形約4 mm。東側(cè)地鐵的回彈變形在2 mm以內(nèi)，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律性不明顯，不再單獨(dú)列出。兩條地鐵回彈變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比于理論計(jì)算值偏小，且監(jiān)測(cè)結(jié)果存在差別。分析認(rèn)為應(yīng)該跟地質(zhì)情況及坑底加固參數(shù)取值有關(guān)，地鐵隧洞下半部分位于強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖和微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖中，其透水性、破碎程度及周邊土體的參數(shù)取值等限于巖土工程的特點(diǎn)，來(lái)自于試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法取得精確值[2]，且?guī)r面會(huì)存在起伏，兩條地鐵所處土體也不盡相同。

圖22 基坑開(kāi)挖期間西側(cè)地鐵回彈變形監(jiān)測(cè)值

8 結(jié)語(yǔ)

（1）建立正確的三維有限元數(shù)值模型，合理的模擬施工工況，可較為真實(shí)的反應(yīng)施工期間基坑開(kāi)挖卸載對(duì)地鐵回彈變形的影響，數(shù)值分析結(jié)果在一定程度上可以為設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。

（2）地鐵上方明挖基坑分區(qū)、分層、抽條開(kāi)挖，避免地鐵上方的一次性卸載過(guò)大，可有效的控制地鐵的回彈變形。

（3）施工監(jiān)測(cè)為施工提供信息化指導(dǎo)，同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也是對(duì)三維有限元數(shù)值分析的驗(yàn)證。鑒于地下工程施工的復(fù)雜性，地層的參數(shù)取值不夠精確等，三維有限元數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際施工數(shù)據(jù)存在一定的偏離。