軟土地區(qū)基坑施工對(duì)鄰近地鐵高架結(jié)構(gòu)的影響分析

許 冠，安 然，成怡沖，吳才德，王潔棟

（浙江華展工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 寧波 315012）

0 引言

隨著我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)及城市軌道交通建設(shè)蓬勃發(fā)展，鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)的基坑工程越來(lái)越多。軌道交通結(jié)構(gòu)作為城市的生命線，由于其對(duì)土體變形十分敏感，因此基坑施工對(duì)鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)的影響逐步引起重視，控制鄰近地鐵結(jié)構(gòu)位移在合理范圍內(nèi)是基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)的重大難題。

學(xué)者對(duì)于基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道影響的研究方法有解析法、半解析法及數(shù)值分析法等，由于邊界條件、土體力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性，多采用數(shù)值分析法，目前對(duì)地鐵隧道的研究已較深入。隨著城市軌道交通向市郊不斷擴(kuò)展，地鐵高架結(jié)構(gòu)也越來(lái)越多，但基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵高架結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。

本文基于軟土地區(qū)緊鄰地鐵高架結(jié)構(gòu)的某基坑工程，利用有限元軟件Midas/NX建立三維有限元數(shù)值模型，模擬基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵高架結(jié)構(gòu)的影響，以評(píng)價(jià)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性及地鐵高架結(jié)構(gòu)保護(hù)措施的有效性，并可為類似工程提供參考。

1 工程概況

寧波某下穿鐵路通道工程起點(diǎn)位于五鄉(xiāng)西街，終點(diǎn)位于規(guī)劃一路。因自北向南下穿寧波港口鐵路支線及軌道交通1號(hào)線，在K0+195—K0+345段設(shè)鐵路框架和U形槽。U形槽寬17.5m，基坑開(kāi)挖深度4.1～6.1m。U形槽南側(cè)位置為現(xiàn)狀河道，擬在南側(cè)先進(jìn)行箱涵開(kāi)挖施工，箱涵施工完畢后河流改道，再回填現(xiàn)狀河道。箱涵開(kāi)挖面積478m2，基坑開(kāi)挖深度為4.15m，箱涵基坑采用Ⅳ拉森鋼板樁+型鋼支撐的支護(hù)形式。

U形槽下穿寧波軌道交通1號(hào)線高架區(qū)間，該段高架區(qū)間為單柱下6樁承臺(tái)基礎(chǔ)，承臺(tái)高2.5m，截面尺寸為1.15m×7.00m，樁基為1.5m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)60m。U形槽結(jié)構(gòu)外邊線距離東側(cè)承臺(tái)為1.4～3.7m，距離西側(cè)承臺(tái)為2.0～3.9m。高架區(qū)間柱截面尺寸為2.8m×3.2m和3.0m×3.8m，區(qū)間梁為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支雙線箱梁，厚2m，截面寬度9.2m，跨度35m。

該段高架區(qū)間已通車運(yùn)營(yíng)，高架區(qū)間的變形關(guān)系到公共安全，因此該高架區(qū)間為本工程基坑施工階段重點(diǎn)保護(hù)的對(duì)象。為控制高架區(qū)間變形，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取以下加固措施。

1）U形槽基坑支護(hù)形式采用鉆孔灌注樁結(jié)合1道混凝土支撐的形式，基坑平面支護(hù)體系采用對(duì)撐結(jié)合小角撐。

4）U形槽底采用水泥攪拌樁作為地基處理樁基，水泥攪拌樁樁徑為500mm，樁頂標(biāo)高為U形槽底板底標(biāo)高，樁長(zhǎng)10m，梅花形布置。U形槽段總平面如圖1所示。

圖1 U形槽段總平面

2 有限元模型

2.1 基本假定

借助Midas/NX有限元計(jì)算程序，對(duì)基坑開(kāi)挖各施工工況進(jìn)行模擬，以分析支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體在各工況下的變形情況。計(jì)算中進(jìn)行如下假定：土層及圍護(hù)體為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性材料；土體為彈塑性材料，采用HS模型模擬；支護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道襯砌均為線彈性材料；初始應(yīng)力僅考慮土體自重，忽略構(gòu)造應(yīng)力。

2.2 建立模型

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究成果，基坑分析范圍邊線距離基坑邊的距離為3H～5H（H為基坑開(kāi)挖深度）。在上述前提下，結(jié)合本項(xiàng)目基坑周邊環(huán)境情況，確定三維數(shù)值模擬分析的對(duì)象尺寸。模型底邊界約束水平和豎直方向位移，左右側(cè)邊約束水平位移，頂部邊界自由。有限元模型如圖2所示，土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，2所示。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和軌道交通結(jié)構(gòu)模型

表1 土層計(jì)算參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 模擬步驟

模擬步驟根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置，步驟如下：初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算→形成河道（位移清零）→高架樁基礎(chǔ)及高架結(jié)構(gòu)施工（位移清零）→鐵路框架施工（位移清零）→圍護(hù)樁施工（位移清零）→箱涵第1次開(kāi)挖→箱涵第2次開(kāi)挖→箱涵拆除支撐→箱涵頂板施工→河道回填→U形槽第1次開(kāi)挖→U形槽第2次開(kāi)挖→U形槽拆除支撐→初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算→形成河道→高架樁基礎(chǔ)及高架結(jié)構(gòu)施工→鐵路框架施工。

3 模擬分析結(jié)果

3.1 高架樁基礎(chǔ)位移

各工況下高架樁基礎(chǔ)位移變化趨勢(shì)如圖3所示。箱涵開(kāi)挖期間，高架樁基產(chǎn)生整體向西側(cè)和南側(cè)的水平位移，東西向水平位移最大值為0.6mm，南北向?yàn)?.7mm；豎向位移以沉降為主，最大豎向位移為-1.7mm。

圖3 高架樁基礎(chǔ)位移最大值變化趨勢(shì)

河道回填期間，西側(cè)樁基東西向水平位移仍表現(xiàn)為向西側(cè)位移，但東側(cè)樁基表現(xiàn)為向東側(cè)位移；南北向水平位移在樁頂和承臺(tái)表現(xiàn)為向南側(cè)位移，但樁基中部表現(xiàn)為向北側(cè)位移，即樁頂和樁身位移反向；豎向位移以沉降為主，最大豎向位移為-1.7mm。

U形槽開(kāi)挖期間，樁基表現(xiàn)為向基坑開(kāi)挖方向位移，水平位移以東西向?yàn)橹鳌|西向水平位移有較大增長(zhǎng)，而南北向水平位移略有下降。樁基豎向位移在靠近基坑位置表現(xiàn)為隆起，隆起最大值為1.9mm；在遠(yuǎn)離基坑位置表現(xiàn)為沉降。

受基坑開(kāi)挖及河道回填影響，高架樁基產(chǎn)生向西、向南側(cè)的水平位移，東西向最大水平位移為3.4mm，南北向最大水平位移為3.0mm，分別發(fā)生在U形槽基坑開(kāi)挖和河道回填期間。最大沉降為1.7mm，發(fā)生在箱涵基坑開(kāi)挖期間；最大隆起為1.4mm，發(fā)生在U形槽基坑開(kāi)挖期間。

3.2 高架結(jié)構(gòu)位移

各工況下高架樁基礎(chǔ)位移變化趨勢(shì)如圖4所示。箱涵開(kāi)挖期間，高架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體向西側(cè)和南側(cè)的水平位移，東西向水平位移最大值為0.4mm，南北向?yàn)?.1mm；豎向位移以沉降為主，最大豎向位移為-0.2mm。

圖4 高架結(jié)構(gòu)位移最大值變化趨勢(shì)

河道回填期間，高架結(jié)構(gòu)仍表現(xiàn)為整體向西側(cè)和南側(cè)的水平位移，東西向水平位移最大值為0.8mm，南北向?yàn)?.6mm；豎向位移以沉降為主，最大豎向位移為-1.2mm。河道回填期間，高架結(jié)構(gòu)無(wú)論是水平位移還是豎向位移仍產(chǎn)生了較大幅度的增長(zhǎng)。

U形槽開(kāi)挖期間，西側(cè)高架結(jié)構(gòu)柱下部表現(xiàn)為向東側(cè)的位移，但其他部位結(jié)構(gòu)整體仍表現(xiàn)為向西側(cè)和南側(cè)的水平位移，東西向水平位移最大值為1.4mm，南北向?yàn)?.8mm。結(jié)構(gòu)豎向位移在靠近基坑位置表現(xiàn)為隆起，隆起最大值為1.1mm；在遠(yuǎn)離基坑位置表現(xiàn)為沉降。

受基坑開(kāi)挖及河道回填影響，高架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向西、向南側(cè)的水平位移，東西向最大水平位移為1.4，南北向最大水平位移為3.8mm，均發(fā)生在U形槽基坑開(kāi)挖期間。最大沉降為1.2mm，發(fā)生在河道回填期間；最大隆起為1.1mm，發(fā)生在U形槽基坑開(kāi)挖期間。

高架結(jié)構(gòu)最大水平及豎向位移均小于DB33/T 1139—2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》控制值。相鄰柱基最大沉降差發(fā)生在河道回填期間，東側(cè)兩側(cè)相鄰柱基沉降差為3.1mm，西側(cè)兩個(gè)相鄰柱基沉降差為1.9mm，均小于DB33/T 1139—2017控制值0.001L，即小于35mm。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合軟土地區(qū)某鄰近地鐵高架結(jié)構(gòu)的基坑工程，采用有限元方法評(píng)估基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵高架結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，地鐵高架樁基礎(chǔ)及高架結(jié)構(gòu)水平位移逐漸增大，由于U形槽基坑距離高架結(jié)構(gòu)很近，最終高架結(jié)構(gòu)豎向位移表現(xiàn)為輕微隆起；通過(guò)適當(dāng)增大支護(hù)樁樁徑、增加支護(hù)樁樁長(zhǎng)，可有效減小基坑施工對(duì)鄰近高架結(jié)構(gòu)的影響，最終地鐵高架結(jié)構(gòu)變形被控制在合理范圍。