臨近地鐵隧道深基坑工程安全評估分析

廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510034

隨著軌道交通的快速發(fā)展，城市也逐步向地下空間發(fā)展，越來越多的項目緊鄰既有地鐵運營線路開發(fā)。但基坑周邊環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，如何在基坑支護設(shè)計過程中多條件、多因素地考慮基坑支護設(shè)計的影響也成為基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。傳統(tǒng)基坑支護設(shè)計采用斷面計算方式，較難滿足軟土區(qū)深基坑施工對臨近地鐵的基坑支護設(shè)計的整體計算分析。

文章主要結(jié)合臨近地鐵隧道某在建深基坑工程，通過建立基坑-既有隧道結(jié)構(gòu)整體分析模型，結(jié)合現(xiàn)場信息化監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整巖土計算參數(shù)，通過模型計算成果預(yù)測基坑施工過程中對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，以確保既有隧道結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

某在建項目基坑大致呈四邊形，長141.5m、寬85m，基坑開挖深度為13.7m?；颖眰?cè)緊鄰地鐵一側(cè)，基坑開挖邊線距離既有運營隧道結(jié)構(gòu)邊線6.9～7.3m，采用800mm地下連續(xù)墻+兩道混凝土支撐的支護設(shè)計方案，其他側(cè)均采用旋挖灌注樁（1200mm@1400mm）+兩道混凝土支撐的支護方案，止水采用三軸攪拌樁，插入不透水層1m。緊鄰段區(qū)間隧道為雙跨現(xiàn)澆砼框架結(jié)構(gòu)，兩跨單層，頂板、底板、側(cè)墻厚度均為600mm，中隔墻厚度為400mm，隧道底板埋深約 10.4～ 11.2m。

在建基坑工程開挖軟土地層有素填土、雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、中砂、礫砂、全～中等風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。緊鄰基坑北側(cè)既有隧道部分主要穿越的地層為淤泥層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、海相砂層，基底主要處于淤泥層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層。原隧道施工已對基底采用φ500mm@1000mm×1000mm攪拌樁加固，樁底深入黏土層、粗砂層不小于1m，或穿透基巖面。

2 有限元計算模型

有限元模型計算范圍的選取主要結(jié)合在建基坑與既有地鐵隧道場地位置關(guān)系及大小，由于基坑呈東西向分布、形狀規(guī)則，且基坑長141.5m、寬85m、深13.7m，因此三維計算模型范圍取420m（長）×420m（寬）×40m（深）。其中，地下連續(xù)墻采用800mm厚的板單元，內(nèi)支撐、腰梁及冠梁采用梁單元，土體采用三維實體單元。鑒于模擬分析的對象在尺度上存在較大差異，建立數(shù)值模型時需對旋挖灌注樁進行過密的網(wǎng)格劃分，從而使模型網(wǎng)格量過大。綜合模擬仿真度與計算可行性考慮，采用抗彎剛度等效的方法將灌注樁支護簡化為地連墻板單元支護，新建項目基坑與原地鐵結(jié)構(gòu)及隧道三維有限元模型見圖1。地下連續(xù)墻、樁與混凝土撐采用C30混凝土，彈性模量E=30MPa，泊松比υ=0.2，容重γ=25kN/m3，根據(jù)場地地質(zhì)勘查報告，取巖土參數(shù)取值。施工工況見表1。

圖1 新建項目基坑與原地鐵結(jié)構(gòu)及隧道三維有限元模型

表1 施工工況表

為驗證所建立三維模型及土體參數(shù)取值的合理性與可對比性，對有限元計算結(jié)果數(shù)據(jù)與實際施工過程中的支護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較分析。在進行整體計算分析時，基坑現(xiàn)狀開挖深度已至8.4m，且在基坑施工期間持續(xù)對基坑自身進行觀測，并對既有地鐵結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，根據(jù)既有監(jiān)測數(shù)據(jù)反算計算模型的參數(shù)取值，在此基礎(chǔ)上分析評估基坑下階段開挖產(chǎn)生的圍護結(jié)構(gòu)及地鐵結(jié)構(gòu)的變形量。

計算模型通過模擬分析現(xiàn)狀施工工況架設(shè)第二道支撐，主要根據(jù)既有圍護結(jié)構(gòu)測斜數(shù)據(jù)及隧道結(jié)構(gòu)既有監(jiān)測位移變形量來優(yōu)化調(diào)整計算模型?；诨蝇F(xiàn)狀工況，既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形計算值能較好地反映既有隧道結(jié)構(gòu)實際監(jiān)測的位移變形。對既有地鐵結(jié)構(gòu)影響分析結(jié)果進行整理統(tǒng)計，結(jié)果見圖2。由圖2可知，計算結(jié)果相近，水平位移趨勢都相同。因此，建立三維有限元計算分析能較好地模擬基坑開挖施工對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響，進一步驗證所建計算模型的合理性。

圖2 在建項目基坑施工隧道結(jié)構(gòu)的水平位移

3 數(shù)值計算與分析

針對上述相關(guān)參數(shù)建立三維有限元計算模型，考慮不同基坑開挖工況，各地層的計算參數(shù)取值主要依據(jù)相關(guān)工程地質(zhì)勘察資料和工程數(shù)據(jù)反算分析確定。通過有限元設(shè)計軟件計算分析基坑施工各階段工況對既有隧道結(jié)構(gòu)的變形影響。

通過建立基坑施工工況1～5計算分析模型，提取基坑施工過程中既有隧道結(jié)構(gòu)水平位移變形曲線（見圖3）。

圖3 在建項目基坑施工全過程對隧道結(jié)構(gòu)的水平位移

以上有限元計算分析結(jié)果顯示，基坑施工誘發(fā)隧道結(jié)構(gòu)的最大水平側(cè)向位移為6.15mm，最大總位移為6.2mm，且此部分基坑由工況2施工至完成從4.85mm增加至6.2mm，新增變化量為1.35mm。深基坑施工過程中基坑圍護結(jié)構(gòu)最大水平側(cè)向位移為25.9mm，最大總位移為26.1mm，滿足規(guī)范變形要求。

根據(jù)相關(guān)已有經(jīng)驗可采用結(jié)構(gòu)-荷載法建立運營結(jié)構(gòu)受力計算模型，依照基坑開挖施工過程，得出隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布圖，再確定整個隧道結(jié)構(gòu)的控制截面。同時，根據(jù)既有隧道結(jié)構(gòu)的材料強度、結(jié)構(gòu)尺寸及所配鋼筋，通過裂縫控制及強度控制，進而評估既有隧道結(jié)構(gòu)的安全性。由上述有限元計算分析可知，既有隧道結(jié)構(gòu)由基坑開挖引起的結(jié)構(gòu)附加力及彎矩均較小，既有結(jié)構(gòu)強度可滿足結(jié)構(gòu)附加受力狀態(tài)及相關(guān)規(guī)范要求?；永^續(xù)開挖至基底對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移及變形均在允許范圍內(nèi)，故在建基坑在施工過程中對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

文章通過有限元分析建立基坑-既有隧道結(jié)構(gòu)整體分析模型，結(jié)合現(xiàn)場信息化監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整巖土計算參數(shù)，通過模型計算成果預(yù)測對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響進行分析，所對應(yīng)計算參數(shù)取值及模型建立是合理可行的?；邮┕ふT發(fā)隧道結(jié)構(gòu)的最大總位移為6.2mm，深基坑施工過程中基坑圍護結(jié)構(gòu)最大總位移為26.1mm，均滿足規(guī)范變形要求，并與后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致，確保了既有隧道結(jié)構(gòu)安全，可為類似緊鄰既有地鐵隧道的深基坑支護設(shè)計計算分析提供一定的參考。