軟土地區(qū)深基坑開挖對(duì)鄰近連通道影響分析

褚 峰

上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)開發(fā)股份有限公司 上海 200126

深基坑工程的建設(shè)會(huì)導(dǎo)致周圍土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，對(duì)鄰近建筑結(jié)構(gòu)及軌道線路產(chǎn)生較大影響[1-3]。工程經(jīng)驗(yàn)表明，在基坑修建過程中，一旦支撐體系失穩(wěn)，將嚴(yán)重影響周圍的應(yīng)力位移場(chǎng)，甚至?xí)l(fā)工程事故。因此，研究深基坑開挖影響下周圍工程設(shè)施的沉降規(guī)律及預(yù)測(cè)方法有著十分重要的意義。

針對(duì)深基坑開挖影響下周圍工程設(shè)施的變形，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很多的研究。

鄭剛等以天津市某鄰近既有隧道的深基坑實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，針對(duì)基坑施工對(duì)鄰近既有隧道的變形影響規(guī)律進(jìn)行了參數(shù)分析，指出根據(jù)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的變形形式、最大變形和隧道與基坑的相對(duì)位置，可預(yù)估隧道產(chǎn)生的變形。

章紅兵等對(duì)基坑周圍地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形特性展開研究，指出地鐵隧道的變形受基坑周圍土體位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多種因素的影響。

徐中華等借助有限元模擬技術(shù)，從土體本構(gòu)模型的角度，研究了基坑開挖對(duì)周圍建筑設(shè)施產(chǎn)生的影響。

針對(duì)基坑開挖對(duì)既有建筑設(shè)施的影響，已有相當(dāng)多的研究[4-8]，采用的方法包括結(jié)合工程實(shí)踐的數(shù)值模擬及理論公式推導(dǎo)等。上述研究基本是分析基坑開挖卸載對(duì)鄰近與基坑平行的地鐵線路的變形，關(guān)于基坑施工對(duì)鄰近垂直于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連通道的分析研究較少。

本研究結(jié)合上海軟土地區(qū)某基坑工程項(xiàng)目，基于現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)狀況及實(shí)測(cè)工程數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模型，研究基坑施工對(duì)相鄰垂直于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連通道的影響，為后續(xù)施工提供參考。

1 工程概況

已建的25-01項(xiàng)目及待開挖的21-02基坑項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)核心地帶，軌交6號(hào)線、8號(hào)線以及11號(hào)線交會(huì)于此。地下連通道呈東西向橫跨東育路，連通25-01地塊和21-02地塊，建筑面積約500 m2。地下連通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)凈寬9.0 m，高4.5 m（圖1）。

圖1 平面布置示意

現(xiàn)場(chǎng)工況為：25-01基坑施工→連通道施工至21-02基坑5 m處→21-02基坑施工→連通道剩余部分施工及與21-02地塊接頭施工。本文主要研究第3步，即21-02地塊基坑施工對(duì)地下連通道的影響。

2 數(shù)值模型

2.1 參數(shù)選擇

采用數(shù)值方法分析基坑施工對(duì)鄰近工程設(shè)施的影響，土體本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)的選擇十分重要。研究表明，基坑開挖過程中，土體剛度具有高度的非線性。

本文采用能描述土體剛度非線性的硬化土小應(yīng)變模型（HSS模型）來模擬基坑開挖的影響，參數(shù)如表1所示。

表1 HSS模型土體參數(shù)

2.2 模型建立

為了驗(yàn)證本文建模方法和參數(shù)選取的合理性，首先基于已施工的25-01基坑工程，對(duì)比地下連續(xù)墻水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面示意

取基坑典型剖面進(jìn)行模擬，建立的模型如圖3所示。其中基坑支撐采用線彈性模型，地鐵隧道地下連續(xù)墻用板來模擬，在模型邊界施加約束。

圖3 驗(yàn)證模型

施工完成后，通過對(duì)比基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值（圖4）可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)X45，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在地表以下7.50 m處，最大值為17.95 mm，計(jì)算最大水平位移發(fā)生在地表以下8 m處，最大值為19.05 mm。對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)X58，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在地表以下9.00 m處，最大值為38.40 mm，計(jì)算最大水平位移發(fā)生在地表以下9.00 m處，最大值為39.30 mm。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)接近，且變化趨勢(shì)大致相同，表明本節(jié)建模方法及參數(shù)取值方法較為合理。

圖4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

采用上述數(shù)值模型參數(shù)及建模方式，建立地下連通道的數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算施工工序如表2所示。

表2 基坑施工順序

3 模型結(jié)果分析

施工后基坑及地下連通道的變形云圖如圖5所示。值得注意的是，模型計(jì)算時(shí)，在21-02基坑施工前，平衡了一次模型位移，故圖中位移可全部視為由21-02基坑施工引起。由圖可知，開挖導(dǎo)致坑底有一定回彈，最大回彈量10 cm，位于基坑中部。連通道上方地表最大沉降35 mm。地下連續(xù)墻左側(cè)最大水平位移位于基坑底板附近，為40 mm。

圖5 基坑及地下連通道變形云圖

21-02地塊基坑鄰近東育路一側(cè)為一級(jí)環(huán)境保護(hù)要求，根據(jù)上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，允許圍護(hù)墻最大水平位移為0.18%H（H為基坑開挖深度），數(shù)值模擬結(jié)果表明，本工程基坑圍護(hù)方案基本滿足基坑周圍環(huán)境保護(hù)要求?；佑覀?cè)圍護(hù)墻最大水平位移60 mm，同樣位于基坑底板附近。

基坑右側(cè)圍護(hù)墻的最大水平位移約為基坑左側(cè)圍護(hù)墻最大水平位移的1.5倍。究其原因，一方面是基坑左側(cè)一定距離外有25-01基坑開挖，有一定的卸載作用；另一方面是地下連通道的施工，會(huì)進(jìn)一步引起左側(cè)圍護(hù)墻外側(cè)土壓力降低。

對(duì)基坑開挖各階段地下連通道的沉降值進(jìn)行分析后得知，隨著21-02基坑的開挖，地下連通道的豎向變形逐漸增大。連通道最大沉降位于距地下連續(xù)墻15 m附近。值得注意的是，21-02地塊基坑開挖至第1道支撐，地下連通道即產(chǎn)生較大沉降。開挖至第1道支撐，連通道最大沉降30 mm，底板澆筑完成后，連通道最大沉降35 mm。第1道支撐施工完成時(shí)，連通道的最大沉降約占最終最大沉降值的85%。其原因可能是連通道埋深較淺，位于首道支撐主要影響范圍。實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)特別注意開挖初期對(duì)連通道的保護(hù)。

連通道靠近地下連續(xù)墻一端，端部約束接近自由，靠近25-01地塊一側(cè)端部約束則為剛接。連通道變形空間分布與土體變形空間分布相似?；娱_挖引起連通道沿軸線產(chǎn)生不均勻沉降，靠近接口處最終沉降約30 mm，接口處埋深產(chǎn)生變化，后期接頭施工，考慮基坑開挖引起的連通道埋深的變化，預(yù)留的接口位置埋深可能需做相應(yīng)調(diào)整。此外，不均勻沉降可能引起連通道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，應(yīng)引起足夠重視。

4 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬，分析上海軟土地區(qū)某深基坑開挖引起的地下連通道變形，得出以下結(jié)論：

1）基坑開挖會(huì)引起與地下連續(xù)墻垂直方向的地下通道產(chǎn)生不均勻沉降，最大沉降位置距基坑0.7H，最大沉降為0.16%H。

2）基坑首層土體開挖階段，地下連通道即產(chǎn)生較大沉降，此階段應(yīng)作為施工控制的重點(diǎn)。

3）后期地下連通道與待開挖基坑項(xiàng)目連通施工時(shí)，應(yīng)考慮基坑開挖而引起的地下連通道接口位置埋深的變化，并做好應(yīng)對(duì)方案。