某近距離小尺寸基坑開挖與樁基施工對地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響研究分析

張瑋鵬

（廣州大學(xué)建筑設(shè)計研究院）

0 引言

某落客平臺擬跨越廣州地鐵九號線地鐵車站建設(shè)施工，存在多個承臺臨近甚至緊貼地鐵車站結(jié)構(gòu)，考慮到落客平臺的承臺尺寸較大、樁基數(shù)量多，故針對承臺基坑開挖及樁基施工對地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響采用Midas-GTS NX 軟件進行三維有限元分析，以模擬分析計算結(jié)果指導(dǎo)施工，得到一些初步結(jié)論，為后續(xù)軌道交通建設(shè)和保護提供參考。

2 工程概況

某落客平臺10 號軸中墩、14 號軸中墩承臺、樁基礎(chǔ)位于地鐵車站及其附屬結(jié)構(gòu)50m 范圍以內(nèi)，平面位置關(guān)系圖詳見圖1。其中，落客平臺西側(cè)10 號軸承臺基坑深約8.3m，樁基礎(chǔ)直徑1.8m，樁長15m；14 號軸中墩承臺基坑深3.5m，樁直徑1.8m，樁長18m。所有承臺臨近地鐵結(jié)構(gòu)側(cè)均采用地鐵車站已建地連墻支護，其余側(cè)采用φ800@900mm 鉆孔灌注樁+φ600mm 的鋼管樁支撐（壁厚16mm）支護，樁間采用φ600mm 雙管旋噴樁止水。基坑支護平面圖、剖面圖見圖2～圖5。

圖1 落客平臺基礎(chǔ)與地鐵結(jié)構(gòu)位置示意圖

圖3 10 號軸中墩基礎(chǔ)剖面示意圖

圖4 14 號軸中墩基礎(chǔ)平面示意圖

圖5 14 號軸中墩基礎(chǔ)剖面示意圖

3 三維有限元模型建立

根據(jù)項目承臺基坑與樁基礎(chǔ)的平、剖面圖及其與地鐵車站及其附屬結(jié)構(gòu)關(guān)系，最終確定模擬分析模型的尺寸（長×寬×高）為320m×200m×50m。對模型底部約束Z 方向位移，模型前后面約束Y 方向位移，左右面約束X方向位移[1-2]?；谝陨线吔鐥l件，建立有限元分析模型如圖6 所示。

本次模擬計算分析選取偏不利鉆孔進行分析，地層自上而下為：素填土（3.0）、中砂（6.5m）、粘性土（4.5m）、強風(fēng)化灰?guī)r（3m）、微風(fēng)化灰?guī)r。地鐵車站底埋深17m，底部位于微風(fēng)化巖；盾構(gòu)隧道底埋深16m，底部位于強風(fēng)化巖；附屬結(jié)構(gòu)底多位于粘土層中。巖土地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

4 模擬分析結(jié)果

圖6 承臺基坑、樁基礎(chǔ)與地鐵車站結(jié)構(gòu)的三維有限元分析整體模型

圖7 承臺基坑、樁基礎(chǔ)與地鐵車站結(jié)構(gòu)的有限元三維等軸側(cè)視圖

表1 巖土地層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)承臺基坑及樁基礎(chǔ)設(shè)計圖紙，結(jié)合承臺基坑及樁基礎(chǔ)與地鐵車站結(jié)構(gòu)的關(guān)系，本模型施工工況如表2所示。

基于上述模型和施工工況，基坑拆撐時（工況四）廣州九號線地鐵結(jié)構(gòu)位移如圖8～圖10 所示，分析計算結(jié)果匯總見表3。

5 結(jié)論

基于以上工程概況、三維模型分析計算結(jié)果，得到結(jié)論如下：

圖8 基坑拆撐時（工況四）地鐵車站結(jié)構(gòu)的水平方向(TX)位移變化等色圖

圖9 基坑拆撐時（工況四）地鐵車站結(jié)構(gòu)的水平方向(TY)位移變化等色圖

圖10 基坑拆撐時（工況四）地鐵車站結(jié)構(gòu)的豎直方向(TZ)位移變化等色圖

⑴樁基礎(chǔ)施工將導(dǎo)致車站主體結(jié)構(gòu)發(fā)生遠離樁基方向的位移、豎直方向沉降，地鐵結(jié)構(gòu)最大水平位移量為1.91mm，最大豎直沉降量為0.73mm；隨著基坑開挖到底，支護樁發(fā)生變形、基坑底隆起，地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生向基坑方向的位移，地鐵結(jié)構(gòu)最大水平位移量為3.26mm，最大豎直沉降量為1.82mm。

⑵當基坑開挖到底、坑外水位下降2m 和下降4m時，車站結(jié)構(gòu)附近的有效土壓力增大，土體重新產(chǎn)生固結(jié)和壓縮沉降，造成地表及地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生一定量的沉降。當基坑開挖至坑底且坑外地下水位下降2m 時，車站結(jié)構(gòu)沉降量較地下水不變化情況有所變大，最大沉降量為2.26mm；坑外地下水位下降4m 時，車站結(jié)構(gòu)最大沉降量為4.11mm。

表2 施工工況

表3 位移匯總

表4 內(nèi)力匯總

⑶綜上可知，雖然落客平臺承臺基坑、樁基礎(chǔ)緊貼地鐵結(jié)構(gòu)施工，但因基坑尺寸較小、空間效應(yīng)約束強，且地鐵車站主體結(jié)構(gòu)為單層單跨矩形框架結(jié)構(gòu)，整體剛度較大，因此樁基礎(chǔ)施工、基坑開挖未對車站結(jié)構(gòu)造成明顯位移（最大總位移3.65mm），地鐵車站結(jié)構(gòu)是安全的。