基坑開(kāi)挖對(duì)現(xiàn)狀長(zhǎng)條形地下結(jié)構(gòu)隆起影響分析

黃鼎中

（深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳518000）

1 引言

隨著我國(guó)城市化水平越來(lái)越高，近10年城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用力度也在逐漸加大，越來(lái)越多的工程建設(shè)過(guò)程中會(huì)面對(duì)既有地鐵、管廊、管線等構(gòu)造物，因此，基坑開(kāi)挖對(duì)現(xiàn)狀構(gòu)造物的影響一直是目前工程研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)?；娱_(kāi)挖是卸載的過(guò)程，會(huì)引起基坑的回彈變形，基坑回彈量越大，對(duì)現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)的影響就越大，可引發(fā)各種工程問(wèn)題。深入研究基坑回彈并提出實(shí)用性強(qiáng)的回彈量計(jì)算方案，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[1]。

目前，計(jì)算基坑回彈量的方法主要有規(guī)范法、經(jīng)驗(yàn)公式法、理論公式法和數(shù)值模擬法。國(guó)內(nèi)專家學(xué)者也對(duì)基坑隆起對(duì)下臥結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了深入研究。陳郁[2]等嘗試選計(jì)算出開(kāi)挖之后的附加應(yīng)力，再通過(guò)彈性地基梁理論求算隧道隆起的定量計(jì)算。李紅麗[3]則嘗試用MIDAS GTS進(jìn)行三維有限元計(jì)算，得出基坑開(kāi)挖對(duì)下臥地鐵結(jié)構(gòu)的影響。本文嘗試運(yùn)用二維有限元模型計(jì)算基坑開(kāi)挖卸載對(duì)長(zhǎng)條形地下結(jié)構(gòu)的影響，并與規(guī)范隆起計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，綜合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行對(duì)比分析。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本工程位于深圳市前海片區(qū)海濱大道與月亮灣大道2條快速路的相交節(jié)點(diǎn)西南側(cè)，由于河道改線，需在現(xiàn)狀電力隧道上方進(jìn)行基坑開(kāi)挖，并形成永久河道。永久河道位于現(xiàn)狀填土區(qū)域，雜填土層較厚，下臥有粗砂層，地質(zhì)條件較差。河道底面寬13.5 m，兩側(cè)采用漿砌片石護(hù)坡，護(hù)坡坡率為1∶2，河道開(kāi)挖深度約7.5 m。而現(xiàn)狀電力管廊已先行施工完畢，結(jié)構(gòu)頂位于現(xiàn)狀地面線以下9.8 m，與河道基坑底相差2.3 m。

2.2 計(jì)算方法及土層參數(shù)取值

采用GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)范法以及Midas GTS NX的二維有限元進(jìn)行計(jì)算。該段區(qū)域地勘條件及選取參數(shù)表如表所示。

表1 地勘參數(shù)選擇表

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 方法一：規(guī)范法

根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，本項(xiàng)目無(wú)相鄰荷載影響，也不考慮河道通水后水壓力潮汐的影響，模型不考慮電力管廊的整體剛度對(duì)隆起的影響，只將其看成土體的一部分。先根據(jù)式（1）計(jì)算地基變形計(jì)算深度。再計(jì)算基坑底面以上土的自重應(yīng)力，再根據(jù)式（2）計(jì)算地基土的回填變形量：

式中，Zn為地基變形計(jì)算深度，m；b為基礎(chǔ)寬度，m。

式中，SC為地基的回彈變形量；ψC為回彈量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；PC為基坑底面以上土的自重壓力，kPa；Eci為土體的回彈模量，kPa；Zi、Zi-1分別為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離，m；aˉi、aˉi-1分別為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Zn=13（2.5-0.4ln13）=19.2m。

基坑底卸載相當(dāng)于在基坑底部加載了與所挖土重力大小相等方向相反的荷載，計(jì)算開(kāi)挖土體的自重應(yīng)力，計(jì)算時(shí)忽略卸載后基坑側(cè)向土擠壓產(chǎn)生的變形，由此可計(jì)算得出基坑底部卸去的均布力p=122.745 kPa。

根據(jù)公式（2），由基坑卸載作用引起的基坑回彈量為：

2.3.2 方法二：二維有限元法

本工程采用Midas GTX NX軟件進(jìn)行二維仿真模擬，對(duì)電力隧道隆起進(jìn)行計(jì)算，模擬土體卸載特性較好的修正摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行計(jì)算。電力管廊及邊坡加固措施材料參數(shù)如表2所示。

表2 電力隧道參數(shù)選擇表

計(jì)算模型采取二維模型，地面標(biāo)高為0，整個(gè)模型總長(zhǎng)150 m，總深度為40 m，基坑長(zhǎng)13.5 m，河道邊坡坡率1∶2，二維計(jì)算忽略了三維空間對(duì)其變形的影響，模型計(jì)算斷面如圖1所示，開(kāi)挖后模型計(jì)算斷面如圖2所示。

圖1 二維有限元計(jì)算模型

圖2 二維有限元開(kāi)挖后模型

施工階段分為2部分。一部分為初始地應(yīng)力適應(yīng)階段，另一部分為邊坡開(kāi)挖及邊坡加固階段。開(kāi)挖后整體模型計(jì)算斷面如圖3所示。

圖3 二維有限元開(kāi)挖計(jì)算斷面模型

通過(guò)提取開(kāi)挖后的現(xiàn)狀地面線總沉降，并以最邊緣沉降量為基點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，基坑中部電力管廊隆起約為2.34 cm，電力隧道邊坡底邊緣隆起約為2.06 cm，第一級(jí)邊坡平臺(tái)下方電力隧道隆起約為1.5 cm，邊坡頂位置電力隧道隆起約0.8 cm，而一倍基坑深度以外（約10 m）電力管廊隆起量少于0.1 cm，影響已經(jīng)很小，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 電力隧道結(jié)構(gòu)隆起計(jì)算結(jié)果

2.4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，參照本工程案例，按照規(guī)范法計(jì)算隆起，與二維有限元計(jì)算結(jié)果，由于規(guī)范法完全沒(méi)考慮結(jié)構(gòu)剛度，因此，總體隆起量偏大，而二維有限元法隆起與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較近，總體偏大約15%～20%，隆起量為規(guī)范法計(jì)算的55%。

3 結(jié)論

1）根據(jù)規(guī)范方法得出結(jié)果，基坑底回彈量為4.33 cm?？紤]到現(xiàn)實(shí)中電力管廊整體剛度更大，電力管廊整體上浮量應(yīng)比計(jì)算值小。

2）有限元計(jì)算采取的是二維模型，且未包含導(dǎo)改渠通水后對(duì)電力管廊的影響，模型未考慮電力管廊三維結(jié)構(gòu)的影響，也未考慮通水后的影響，而對(duì)電力隧道的質(zhì)量選取是采用綜合重度進(jìn)行。有限元法能夠直觀地看出整個(gè)地質(zhì)模型的變形情況及趨勢(shì)，根據(jù)提取的結(jié)果，有限元方法中電力管廊基坑開(kāi)挖段最大相對(duì)上浮量為2.54 cm。

3）對(duì)于深厚雜填土地段，上部地質(zhì)較為松散，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較2種方法的結(jié)果都小，隆起量約為有限元計(jì)算結(jié)果的80%～85%。

4）由計(jì)算結(jié)果可得，該段河道改造需要對(duì)現(xiàn)狀電力隧道進(jìn)行抗隆起設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)安全性及耐久性。且由于上方河道長(zhǎng)期浸水，應(yīng)加強(qiáng)該段電力管廊防水保護(hù)措施。

5）規(guī)范法以及二維有限元法均能快速計(jì)算評(píng)估基坑開(kāi)挖卸載后對(duì)長(zhǎng)條形地下結(jié)構(gòu)隆起的影響，而二維有限元法精度較高，且更加反映整個(gè)場(chǎng)地的變化。且對(duì)于工程計(jì)算而言，計(jì)算精度能滿足初步判斷要求。