基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵的影響分析

魯志杰

（深圳市愛(ài)華勘測(cè)工程有限公司，廣東深圳518111）

隨著時(shí)代發(fā)展的腳步，在地鐵附近建設(shè)城市高層和超高層建筑已經(jīng)非常普遍?；娱_(kāi)挖引起周邊地層沉降變形，進(jìn)而影響鄰近地鐵隧道或車站。

地鐵結(jié)構(gòu)的位移主要包括：1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和隧道彎曲變形；2）支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和隆起，導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)伴隨沉降。相對(duì)于周圍土體，地鐵結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較大，在小變形情況，地鐵結(jié)構(gòu)變形與土層位移基本一致［1］。

現(xiàn)在基坑設(shè)計(jì)一般規(guī)范采用等值梁法和彈性地基梁法，無(wú)法合理考慮周圍重要建（構(gòu)）筑物的本身特征。因此，變形控制設(shè)計(jì)是基坑工程設(shè)計(jì)的基本理念［2］。對(duì)于基坑施工引起的變形問(wèn)題，數(shù)值計(jì)算可以模擬基坑施工的全過(guò)程，合理選擇土體的本構(gòu)模型后，可以解決現(xiàn)有規(guī)范方法不能解決的問(wèn)題［3-6］。

基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響成果更多的是數(shù)值模擬分析結(jié)果，用實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證其結(jié)果合理性的成果較少。本文以佛山某項(xiàng)目為例，利用Midas GTS NX三維數(shù)值模型及PLAXIS二維數(shù)值模型，變形結(jié)果同實(shí)測(cè)值比較，為類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)提供有益參考。

1 工程概況

佛山某項(xiàng)目基坑開(kāi)挖深度為14.20 m，基坑長(zhǎng)140 m，寬68～83 m，周長(zhǎng)約430 m。地面標(biāo)高為2.20～2.50 m，地下水為地面以下1.0～1.5 m。

本基坑北側(cè)為盾構(gòu)區(qū)間，基坑邊線與其水平凈距約為21.1～24.4 m。盾構(gòu)內(nèi)徑5 400 mm，管片厚度300 mm，覆土15～16 m，主要穿過(guò)的地層為強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層，部分穿過(guò)微風(fēng)化層。

基坑邊線與出入段線主體結(jié)構(gòu)的水平凈距約為7.8～8.1 m，基底深度在10.3 m左右，明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用連續(xù)墻，靠近基坑部分主要穿過(guò)的地層為淤泥層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、海相砂層，基底主要處于淤泥層及淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層，對(duì)基底已經(jīng)采用Φ500@1000×1000攪拌樁滿堂加固，樁底深入粘土層、粗砂層不小于1 m，或穿透基巖面。出入段線主體結(jié)構(gòu)采用箱型框架結(jié)構(gòu)，兩跨單層，頂板、底板、側(cè)墻厚度均為600 mm，中隔墻厚度400 mm。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在靠近地鐵一側(cè)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，其余位置采用Φ1200@1400圍護(hù)樁+外側(cè)Φ850@600攪拌樁止水。采用兩道混凝土支撐，分別位于標(biāo)高-0.3 m及-5.7 m，主撐為800×1000 mm或1000×1000 mm，肋撐或連系梁為600×800 mm。

2 基坑工程數(shù)值模擬

2.1 巖土參數(shù)

巖土層參數(shù)取值如表1所示。

表1 巖土體參數(shù)表

2.2 三維數(shù)值模型

Midas GTS NX模型中采用2D板單元模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)，采用修正摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則模擬巖土體的材料特性。一共采用13個(gè)施工步驟來(lái)進(jìn)行模擬，即初始應(yīng)力階段→地鐵結(jié)構(gòu)施工→基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工→開(kāi)挖到第一層支撐→施做第一道混凝土支撐→開(kāi)挖到第二層支撐→施做第二道混凝土支撐→開(kāi)挖到基底→施做地下室底板→施做地下室的負(fù)二層板→拆除第二道混凝土支撐→施做地下室的負(fù)一層板→拆除第一道混凝土支撐。三維數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 Midas GTS NX三維有限元模型

2.3 平面模型

Plaxis有限元模型中，采用plate單元模擬盾構(gòu)管片、連續(xù)墻、圍護(hù)結(jié)構(gòu)，anchors單元模擬內(nèi)支撐。本次分析采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則仿真模擬地層情況。計(jì)算模型范圍以基坑外輪廓或者地鐵結(jié)構(gòu)外輪廓為基準(zhǔn)，外擴(kuò)不小于30 m（約2倍基坑深度）而建立。有限元模型的邊界條件為：模型底部約束豎向位移，模型左右兩側(cè)約束水平向位移。施工步驟同三維數(shù)值模型，平面模型如圖2所示。

圖2 平面模型

3 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由于深基坑的開(kāi)挖，引起地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了位移，位移的大小隨著基坑的開(kāi)挖而變化。選取開(kāi)挖到第一層支撐、開(kāi)挖到第二層支撐、開(kāi)挖到基底、負(fù)二層樓板施工和負(fù)一層樓板施工5個(gè)步驟的出入段與車站的最大水平位移與最大豎向位移，對(duì)比結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 車站出入口最大水平位移圖

圖4 車站出入口最大豎向位移圖

圖5 隧道最大水平位移圖

圖6 隧道最大豎向位移圖

由圖3～6可發(fā)現(xiàn)，因出入口段距基坑距離較近，基坑開(kāi)挖對(duì)出入口影響較大，對(duì)地鐵隧道影響較小。對(duì)于三維數(shù)值模型，水平位移、豎向位移以及總位移的變化，隨著施工的進(jìn)行，水平位移和豎向位移不斷增大。出入口最大水平位移為6.35 mm、最大豎向位移為5.24 mm；盾構(gòu)隧道最大水平位移為0.92 mm、最大豎向位移為0.68 mm。

對(duì)于平面數(shù)值模擬計(jì)算，出入口最大水平位移為6.27 mm、最大豎向位移為5.14 mm；盾構(gòu)隧道最大水平位移為1.01 mm、最大豎向位移為0.82 mm。

通過(guò)圖3～6對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)，三維數(shù)值模型分析結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值，其中車站出入口處最大水平位移相對(duì)誤差小于4%，車站出入口處最大豎向位移相對(duì)誤差小于6%。三維數(shù)值分析結(jié)果更可靠。

4 結(jié)論

由于城市發(fā)展，基坑開(kāi)挖施工引起附近建（構(gòu)）筑物的破壞的事故也越來(lái)越多。因此，分析基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵的影響變得越來(lái)越重要，本文以佛山某基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵的影響為例，通過(guò)數(shù)值分析和實(shí)測(cè)值對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)建（構(gòu)）筑物距離基坑較近時(shí)，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，建（構(gòu)）筑物豎向與水平位移逐漸增加；

（2）車站出入口段因距基坑較近，其水平與豎向最大變形皆大于地鐵隧道的結(jié)果，基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響不大；

（3）基坑開(kāi)挖其水平變形量一般大于豎向變形量；

（4）采用三維數(shù)值分析模型分析更貼近實(shí)測(cè)結(jié)果；

（5）通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證，對(duì)于復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題，如果數(shù)值建模的邊界條件和參數(shù)取值合理，數(shù)值分析是解決巖土工程問(wèn)題的有效方法之一。