地下連續(xù)墻支護(hù)下深基坑開挖對鄰近地鐵隧道變形影響分析

張煥榮 劉方威 萬淑敏

摘 要：南京某深基坑北側(cè)地下連續(xù)墻支護(hù)距離已經(jīng)運(yùn)行的地鐵隧道最小凈距僅為 12m，為控制地鐵隧道變形，在地下連續(xù)墻兩側(cè)采用三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行槽壁加固。文章以此工程為背景，采用 MIDAS/GTS 有限元軟件，對地下連續(xù)墻支護(hù)情況下深基坑開挖引起的鄰近地鐵隧道縱橫向位移進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，通過模擬計(jì)算對比分析水泥土攪拌樁加固措施的有效性，以期為類似設(shè)計(jì)和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;深基坑;地下連續(xù)墻;鄰近隧道;變形分析

1 引言

隨著城市地下空間的大力開發(fā)和利用，不可避免在地鐵附近進(jìn)行深基坑施工，由于地鐵隧道等建（構(gòu)）筑物的存在，導(dǎo)致基坑周邊的環(huán)境非常復(fù)雜敏感，典型的工程如南京紫峰大廈深基坑周邊有3條主干道，管線密集，距離南京地鐵1號線隧道主體結(jié)構(gòu)最近處僅5m;本文中的南京某深基坑，距離已經(jīng)運(yùn)行的地鐵隧道2號線最小凈距僅為12 m，而且周邊分布有基督教堂（文物保護(hù)單位）等重要建筑物。對于鄰近地鐵隧道復(fù)雜環(huán)境中的地下連續(xù)墻支護(hù)深基坑工程而言，依據(jù)三維數(shù)值分析等先進(jìn)技術(shù)方法，研究深基坑開挖對鄰近地鐵隧道變形的影響規(guī)律，并提出相應(yīng)的保護(hù)鄰近地鐵措施，這對于解決城市深基坑工程開挖中對既有地鐵等建（構(gòu)）筑物的控制與保護(hù)問題，具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

目前，常規(guī)支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般多采用規(guī)范推薦的平面豎向彈性地基梁法及三維彈性地基板法，這2種方法均可以模擬實(shí)際工況并計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐體系的內(nèi)力與變形，三維方法還可同時(shí)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，但這2種計(jì)算方法由于在計(jì)算模型中均無法考慮基坑周邊的重要建（構(gòu)）筑物，不能直接計(jì)算分析其對周邊環(huán)境的影響，因此在計(jì)算分析深基坑開挖的環(huán)境效應(yīng)時(shí)存在一定的局限性。劉國彬等結(jié)合軟土基坑隆起變形的殘余應(yīng)力法和軟土卸荷模量的概念，建立了基坑隆起變形的計(jì)算模型，推導(dǎo)出基坑工程底部已運(yùn)行隧道上抬變形的計(jì)算公式，能夠預(yù)測基坑底部已運(yùn)行隧道的上抬變形。在分析深基坑開挖引起的環(huán)境效應(yīng)時(shí)，經(jīng)常采用連續(xù)介質(zhì)有限元方法，該方法將基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊一定影響范圍內(nèi)的土體以及某些重要建（構(gòu)）筑物作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，以開挖面上土體地應(yīng)力的釋放作為開挖時(shí)的荷載，并以單元的“生死”來模擬土體開挖以及支撐體系的施工。

本文采用三維有限元方法模擬本工程深基坑的開挖，分析模型主要包括深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、已運(yùn)營的地鐵隧道以及一定影響范圍內(nèi)的土體，根據(jù)計(jì)算分析得到的結(jié)果，在設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)措施控制地鐵隧道變形。

2 工程概況

南京某工程由主樓、商業(yè)裙房以及地下室等組成，其中，主樓共48層，結(jié)構(gòu)總高度為220 m，商業(yè)裙房共10層?；用娣e約為12 400 m2，周長約為490 m，地下室基礎(chǔ)底板相對標(biāo)高為-20.90 m，基坑總體區(qū)域開挖深度為22.1 m。場地周邊環(huán)境較為復(fù)雜，南側(cè)為天主教堂（文物保護(hù)單位），東側(cè)為購物中心（重點(diǎn)建筑物），北側(cè)為地下連續(xù)墻（距地鐵隧道僅為12m），地鐵隧道采用箱體結(jié)構(gòu)形式，隧道寬度約6.28 m，埋深8.9～9.8 m，如圖1所示。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑周邊采用“兩墻合一”的地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，既可以作為深基坑開挖時(shí)擋土止水的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，也可作為地下室的結(jié)構(gòu)外墻?；又苓吋八菂^(qū)域的地下連續(xù)墻厚度為800 mm，北側(cè)鄰近地鐵區(qū)域及南側(cè)天主教堂區(qū)域的地下連續(xù)墻厚度為1 000 mm，深度為34.1m。鄰近地鐵一側(cè)區(qū)域的地下連續(xù)墻采用三軸水泥土攪拌樁對槽壁進(jìn)行加固，在外側(cè)采用直徑為850mm高壓旋噴樁封堵，先施工地鐵一側(cè)的三軸攪拌樁，待其達(dá)到強(qiáng)度要求后再施工地下連續(xù)墻?？觾?nèi)設(shè)置4道鋼筋混凝土支撐，每道支撐豎向間距按實(shí)際工程中的經(jīng)驗(yàn)取為h1 = 5.75 m，h2 =4.5m，h3 = 3.5m，h4 = 3.5 m，h5 = 3.6m，深度為20.9m，每道支撐水平間距為10 m，截面尺寸均為800mm×800 mm，靠近地鐵隧道一側(cè)支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖如圖2所示。

4 基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響計(jì)算分析

4.1 有限元模型建立

基坑開挖的平面尺寸約為170 m×73 m，開挖深度為22.1 m?？紤]到基坑開挖對周圍土體以及既有地鐵隧道的擾動，模型側(cè)向邊界和底部邊界均延伸至2倍的開挖深度之外。模型尺寸為270 m×200 m×85 m，在可能出現(xiàn)應(yīng)力集中以及位移變化較大的區(qū)域適當(dāng)加密網(wǎng)格。網(wǎng)格形狀盡量規(guī)則，避免出現(xiàn)形狀不好的單元，以防止計(jì)算的收斂和結(jié)果精度受到影響。模型側(cè)面約束水平位移，底面固定，表面自由。土體采用摩爾庫倫模型，既有地鐵隧道采用板單元模擬，地下連續(xù)墻采用各向同性的板單元模擬，采用彈塑性無厚度接觸面單元模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用。施工附加荷載的計(jì)算長度與基坑開挖北側(cè)的長度一致，荷載值取為20 kN/m。三維有限元模型如圖3所示，地下連續(xù)墻計(jì)算參數(shù)如表1所示。

基坑開挖施工的模擬過程共分成12個(gè)計(jì)算工況，如表2所示。

4.2 基坑開挖計(jì)算分析

4.2.1 鄰近地鐵隧道側(cè)壁水平位移

由于既有地鐵隧道線路方向與基坑北側(cè)平行，因而基坑開挖對既有地鐵隧道側(cè)壁的水平位移影響較大。由圖4鄰近地鐵隧道水平位移云圖可知，深基坑開挖至坑底時(shí)，鄰近地鐵隧道側(cè)壁的最大水平位移為6.24mm，表現(xiàn)為向基坑方向偏移，發(fā)生在對應(yīng)基坑開挖中心位置處附近;隨著遠(yuǎn)離基坑開挖范圍，地鐵隧道側(cè)壁的水平位移逐漸減小，最后趨向于0。

4.2.2 鄰近地鐵隧道底部豎向位移

基坑開挖對既有地鐵隧道底部的豎向位移同樣影響較大，由圖5鄰近地鐵隧道豎向位移云圖可知，深基坑開挖至坑底時(shí)，鄰近地鐵隧道底部的最大豎向位移為6.95 mm，表現(xiàn)為隆起，且發(fā)生在對應(yīng)基坑開挖中心位置處附近;隨著遠(yuǎn)離基坑開挖范圍，地鐵隧道底部的豎向位移逐漸減小，且表現(xiàn)為沉降。

以上計(jì)算結(jié)果表明，鄰近地鐵隧道的最大水平位移與豎向位移均發(fā)生在對應(yīng)的基坑開挖中心位置處附近，隨著遠(yuǎn)離基坑開挖范圍，地鐵隧道的水平位移和豎向位移均逐漸減小。

4.3 三軸水泥土攪拌樁加固影響分析

設(shè)計(jì)過程中，為預(yù)估鄰近地鐵隧道一側(cè)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁對于控制地鐵隧道變形的有效性，在另一計(jì)算方案中取消了三軸水泥土攪拌樁。2種方案下計(jì)算得到的地鐵隧道側(cè)壁水平位移和底部豎向位移的結(jié)果如圖 6和圖7所示。

（1）由圖6可知，深基坑開挖時(shí)，無論是否設(shè)置水泥土攪拌樁，鄰近地鐵隧道側(cè)壁的水平位移變化趨勢基本一致，但當(dāng)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁時(shí)，鄰近地鐵隧道襯砌的整體水平位移明顯減小，減小量為2.6 mm。

（2）由圖7知，深基坑開挖時(shí)，無論是否設(shè)置水泥土攪拌樁，鄰近地鐵隧道底部的豎向位移變化趨勢基本一致，但當(dāng)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁時(shí)，鄰近地鐵隧道底部的整體豎向位移明顯減小，減小量為2.8 mm。

以上計(jì)算結(jié)果表明，深基坑開挖時(shí)，在鄰近地鐵隧道一側(cè)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁的加固措施，可有效減小既有地鐵隧道的側(cè)壁水平位移和底部豎向位移。

5 結(jié)束語

深基坑工程對環(huán)境的保護(hù)要求較高，為此，本工程采取了在地下連續(xù)墻和地鐵隧道之間設(shè)置三軸水泥土攪拌樁的加固措施。通過對該工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近地鐵隧道的計(jì)算分析表明，鄰近地鐵隧道側(cè)壁的最大水平位移以及底部最大豎向位移均發(fā)生在對應(yīng)的基坑開挖中心位置處;設(shè)置三軸水泥土攪拌樁可以有效控制鄰近地鐵隧道的變形，具體來說，側(cè)壁水平位移可以減小2.6mm，底部豎向位移可以減少2.8 mm，滿足規(guī)范中對地鐵變形不得超過20 mm的要求，表明設(shè)計(jì)中采取的相應(yīng)加固措施合理可行。

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收稿日期 2020-03-16

責(zé)任編輯 朱開明