地鐵車站基坑開挖對(duì)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(gè)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(duì)地鐵基坑開挖對(duì)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(hào)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)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(hào)線寧化站位于福州市臺(tái)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(tái)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(gè)側(cè)面(以X軸為法相)及前后兩個(gè)面(以Y軸為法相)限制X、Y兩個(gè)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(gè)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(gè)工況云圖)。

(a)t1工況

(b)t4工況

(a)t1工況

(b)t4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%?？梢钥闯觯嬖卩徑叵率业那闆r下，基坑坡頂?shù)淖畲蟪两禃?huì)有所減小。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(duì)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%?？梢钥闯觯嬖卩徑叵率业那闆r下，土體的最大水平位移會(huì)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

(b)臨近地下室

通過對(duì)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(duì)于開挖深度相對(duì)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(duì)較?。粚?duì)于開挖深度相對(duì)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(duì)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(huì)有所減小，特別是開挖深度相對(duì)較淺時(shí)，鄰近地下室對(duì)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

(b)臨近地下室

3.3 基坑開挖對(duì)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?；娱_挖對(duì)鄰近三迪家居地下室負(fù)二層的彎矩影響較大，對(duì)負(fù)一層地下室側(cè)墻的彎矩影響相對(duì)較小。基坑開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(duì)鄰近地下室負(fù)二層的剪力影響較大， 對(duì)負(fù)一層地下室側(cè)墻的剪力影響相對(duì)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(duì)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(duì)基坑坡頂沉降和深層土體水平位移有較大的影響，但對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)鄰近三迪家居地下室負(fù)二層的彎矩和剪力影響較大，對(duì)負(fù)一層地下室側(cè)墻的彎矩和剪力影響相對(duì)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(duì)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。