地鐵車站基坑開挖對鄰近既有地下室的影響分析

劉春亮

(福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350118)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市人口密度加大，城市交通問題日益突出，越來越多的城市開始修建地鐵解決這個問題[1]，使得在建的深基坑工程越來越多，不可避免出現(xiàn)很多開挖基坑鄰近既有建筑物存在地下室的情況[2-3]。

近年來，針對地鐵基坑開挖對臨近建筑結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)進(jìn)行了諸多研究。如張琳[4]依托廈門地鐵1號線天水路站-廈門北站盾構(gòu)區(qū)間的基坑開挖工程，利用Midas GTS NX有限元軟件建立三維數(shù)值模型分析基坑開挖對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。詹興家等[5]采用有限元軟件分別模擬了基坑開挖過程中建筑(加固前和加固后)2種工況下的變形情況，開展地鐵深基坑開挖引起臨近擴(kuò)大基礎(chǔ)建筑物變形模擬及保護(hù)措施研究。馬明全等[6]以天津地鐵車站的深基坑施工為工程背景,根據(jù)簡化分析方法對建筑物的沉降進(jìn)行預(yù)估分析。

本文以福州市軌道交通2號線寧化站為背景，借助有限元軟件ABAQUS，構(gòu)建了有無地下室情況下的兩種三維有限元分析模型，開展基坑開挖對土體變形、地下連續(xù)墻的內(nèi)力與變形及鄰近地下室的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為類似工程提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

1 工程概況

福州市軌道交通2號線寧化站位于福州市臺江區(qū)，設(shè)置于工業(yè)路上，橫跨工業(yè)路與寧化路交叉口，分布于工業(yè)路與白馬南路交叉口西側(cè)，如圖1所示。寧化站地處市中心繁華商業(yè)區(qū)，其南側(cè)緊靠三迪家居廣場地下室且距其地下室邊線最近約4 m。車站為地下三層島式站臺車站，三層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，車站起點(diǎn)里程YDK26+283.832，終點(diǎn)里程YDK26+498.382。

圖1 寧化站主體基坑總平面圖

2 數(shù)值模型建立

2.1 模型尺寸

選取典型剖面建立三維有限元模型，如圖2所示，為模型尺寸示意圖，其中，基坑開挖部分長度L1=17 m，高度H=22.75 m；開挖基坑底面至中風(fēng)化巖層頂面D=26.45 m；L2=40 m；選取支護(hù)剖面縱向(Y方向)寬度B=6m建模。設(shè)土體底端為固定端，左右兩個側(cè)面(以X軸為法相)及前后兩個面(以Y軸為法相)限制X、Y兩個方向的變形，允許產(chǎn)生豎向變形(Z方向)，土體頂面自由，并設(shè)置20 kPa的路面超載。

圖2 模型尺寸示意圖

根據(jù)模型大小，考慮計(jì)算精度及計(jì)算成本，考慮有無地下室兩種情況，三維有限元模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

(a)有限元網(wǎng)格(無地下室)

(b)有限元網(wǎng)格(有地下室)圖3 三維有限元網(wǎng)格

2.2 工況步驟

根據(jù)施工現(xiàn)場相關(guān)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及附近深基坑工程施工經(jīng)驗(yàn)，本文車站主體工程蓋挖逆作法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要類型為地下連續(xù)墻，疊合墻結(jié)構(gòu)形式，降水方案采用坑內(nèi)管井井點(diǎn)降水，井間距14 m～20 m。施工工況分為4個步驟，如表1所示。

表1 分析步驟

2.3 參數(shù)選取

土層采用三維實(shí)體單元(C3D8)，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb理想彈塑性模型；地下連續(xù)墻及樓板采用三維殼單元(S4R)，本構(gòu)模型為線彈性模型；鋼管支撐及立柱采用三維桿單元(T3D2)，本構(gòu)模型為線彈性模型。鄰近兩層地下室樓板及側(cè)墻采用采用殼單元模擬，材料參數(shù)如表2所示。

表2 模型材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 土體的變形規(guī)律分析

圖4～圖5為兩種情況下t1、t4工況土體的豎向位移等值云圖(由于篇幅所限，僅列出兩個工況云圖)。

(a)t1工況

(a)t1工況

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，t1、t2、t3和t4工況的基坑頂最大沉降量分別為4.6 mm、5.1 mm、11.8 mm、12.4 mm。與沒有鄰近地下室的情況相比，各工況下基坑頂?shù)某两盗糠謩e減少了0.9 mm、4.6 mm、2.8 mm和2.7 mm，減幅分別為16.4%、47.4%、19.2%和17.9%。可以看出，存在鄰近地下室的情況下，基坑坡頂?shù)淖畲蟪两禃兴鶞p小。另一方面，t1、t2、t3和t4工況下的基坑底的最大回彈量分別為23 mm、35 mm、90 mm和91 mm，與沒有鄰近地下室的情況相比，各工況下基坑回彈量變化不大，約2 mm～4 mm，說明鄰近地下室對基坑回彈的影響較小。

同理，可得到t1、t2、t3和t4工況的最大水平位移分別為8.7 mm、17.4 mm、31.8 mm、31.9 mm。與沒有鄰近地下室的情況相比，各工況下基坑頂?shù)某两盗糠謩e減少了3.9 mm、7.7 mm、6.7 mm和6.6 mm，減幅分別為31.0%、30.7%、17.4%和17.4%?？梢钥闯?，存在鄰近地下室的情況下，土體的最大水平位移會有所減小。

3.2 地下連續(xù)墻的內(nèi)力與變形規(guī)律分析

圖6為兩種情況下不同工況地下連續(xù)墻的彎矩沿深度的分布圖。由圖6可知，各工況下地下連續(xù)墻彎矩的變化規(guī)律與無地下室影響時(shí)相同，但是彎矩大小有所變化。

(a)無地下室

通過對比兩種情況可以發(fā)現(xiàn)，與無鄰近地下室的情況相比，t1工況下，最大正彎矩值減小了93 kN·m，最大負(fù)彎矩值減小了365.1 kN·m；t2工況下，最大正彎矩值減小了10.9 kN·m，最大負(fù)彎矩值減小了246 kN·m；t3工況下，最大正彎矩值減小了267.9 kN·m，最大負(fù)彎矩值減小了19.5 kN·m；t4工況下，最大正彎矩值減小了320.9 kN·m，最大負(fù)彎矩值減小了64.4 kN·m。當(dāng)存在鄰近地下室時(shí)，各工況下地下連續(xù)墻的正、負(fù)彎矩值都有所減小。對于開挖深度相對較淺的t1、t2工況，與無鄰近地下室相比，地下連續(xù)墻負(fù)彎矩有較大的減小，正彎矩變化相對較??；對于開挖深度相對較大的t3、t4工況，與無鄰近地下室相比，地下連續(xù)墻正彎矩有較大的減小，負(fù)彎矩變化相對較小。

圖7分別為不同工況下地下連續(xù)墻水平位移曲線。存在鄰近地下室時(shí)，各工況下地下連續(xù)墻水平位移的變化規(guī)律與無地下室情況下是相同的，t1、t2、t3和t4工況的地下連續(xù)墻最大水平位移分別為6.9 mm、14.3 mm、21.3 mm、21.6 mm。與沒有鄰近地下室的情況相比，各工況下地下連續(xù)墻的水平位移分別減少了4.7 mm、6.5 mm、6.8 mm和7.0 mm，減幅分別為40.5%、31.3%、24.2%和24.5%。

可以看出，存在鄰近地下室的情況下，各工況下地下連續(xù)墻的水平位移均會有所減小，特別是開挖深度相對較淺時(shí)，鄰近地下室對地下連續(xù)墻的水平位移影響較大，水平位移的減幅較大。

(a)無地下室

3.3 基坑開挖對鄰近地下室的影響

圖8 鄰近地下室側(cè)墻彎矩圖

圖8為不同工況下，鄰近三迪家居廣場地下室側(cè)墻的彎矩分布曲線，由圖8可知，基坑開挖前地下室側(cè)墻在土壓力的作用下，彎矩呈倒“M”型分布。基坑開挖對鄰近三迪家居地下室負(fù)二層的彎矩影響較大，對負(fù)一層地下室側(cè)墻的彎矩影響相對較小?；娱_挖面在地下室底板開挖面以上時(shí)，鄰近地下室側(cè)墻彎矩受到的影響較大，當(dāng)基坑開挖面在地下室底板以下時(shí)，鄰近地下室側(cè)墻彎矩受到的影響逐漸減小。

圖9為不同工況下，鄰近三迪家居廣場地下室側(cè)墻的剪力分布曲線。各工況下，地下室負(fù)一層和負(fù)二層側(cè)墻的剪力沿深度均大致呈線性分布并在負(fù)一二層交界處發(fā)生突變。地下室側(cè)墻剪力變化主要是t1工況結(jié)束后(基坑開挖面在地下室底板開挖面以上)，該工況下，地下二層負(fù)一層t2～t4工況(基坑開挖面在地下室底板開挖面以下)剪力變化不大。另外，基坑開挖對鄰近地下室負(fù)二層的剪力影響較大， 對負(fù)一層地下室側(cè)墻的剪力影響相對較小。

圖9 鄰近地下室側(cè)墻剪力圖

圖10為不同工況下，鄰近地下室側(cè)墻的水平位移曲線，由圖10可知，基坑開挖前地下室側(cè)墻在土壓力的作用下，水平位移呈“M”型分布。整體而言，基坑開挖對鄰近的地下室側(cè)墻的位移影響較小，基坑施工完成后，地下室整體向鄰近基坑一側(cè)變形，最大的水平變形僅為1.06 mm。

圖10 鄰近地下室側(cè)墻水平位移曲線

4 結(jié)論

(1)鄰近地下室的存在對基坑坡頂沉降和深層土體水平位移有較大的影響，但對基坑回彈影響不大。與沒有鄰近地下室的情況相比，其基坑頂?shù)某两盗亢妥畲笏轿灰贫加兴鶞p小，各工況下基坑頂?shù)某两盗糠謩e減少了0.9 mm、4.6 mm、2.8 mm和2.7 mm，最大減幅達(dá)到47.4%；各工況下最大水平位移分別減少了3.9 mm、7.7 mm、6.7 mm和6.6 mm，最大減幅達(dá)到了31.0%。

(2)存在鄰近地下室時(shí)，各工況下地下連續(xù)墻的正、負(fù)彎矩值都有所減小。其中，t4工況下，最大正彎矩值減小最大，達(dá)到了320.9 kN·m，t1工況下，最大負(fù)彎矩值減小最大，達(dá)到了365.1 kN·m，說明鄰近地下室的存在對地下連續(xù)墻的正、負(fù)彎矩值有較大的影響。

(3)存在鄰近地下室時(shí)，各工況下地下連續(xù)墻水平位移的變化規(guī)律與無地下室情況下是相同的，但是各工況的地下連續(xù)墻的水平位移有所變化，與沒有鄰近地下室的情況相比，各工況下地下連續(xù)墻的水平位移分別減少了4.7 mm、6.5 mm、6.8 mm和7.0 mm，最大減幅達(dá)到40.5%。說明鄰近地下室對地下連續(xù)墻的水平位移影響較大，水平位移的減幅較大。

(4)基坑開挖對鄰近三迪家居地下室負(fù)二層的彎矩和剪力影響較大，對負(fù)一層地下室側(cè)墻的彎矩和剪力影響相對較小。當(dāng)基坑開挖面在地下室底板以下時(shí)，鄰近地下室側(cè)墻彎矩受到的影響逐漸減小?；娱_挖對鄰近的地下室側(cè)墻的位移影響較小，基坑施工完成后，地下室整體向鄰近基坑一側(cè)變形，最大的水平變形為1.06 mm。