深基坑開(kāi)挖和降水對(duì)既有地鐵隧道安全影響分析

涂芬芬，田志國(guó)

(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

0 引言

隨著我們城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵隧道在各大城市交通中發(fā)揮著重要的作用，全面帶動(dòng)城市發(fā)展，在其沿線形成了局部區(qū)域的蓬勃快速發(fā)展，地鐵沿線中修建大型建筑物涌現(xiàn)大量的深大基坑項(xiàng)目，特別是對(duì)于人口集聚密集型的特大型城市，尤為突出。但是城市密集型城市中心的基坑工程，周圍管線和構(gòu)筑物等周圍環(huán)境的保護(hù)也是基坑工程設(shè)計(jì)和施工需要考慮的問(wèn)題[1-2]。

為了保證地鐵沿線修建深基坑的安全可靠，學(xué)者以及工程師們對(duì)此展開(kāi)了廣泛的研究[3-4]。王景山[5]針對(duì)在運(yùn)營(yíng)地鐵隧道上方或鄰近位置修建道路工程問(wèn)題，為防止基坑開(kāi)挖卸載引起地鐵隧道隆起變形，研究采用基坑坑底加固分區(qū)、分層和跳槽開(kāi)挖避免或減小地鐵隆起變形。陳喜鳳等[6]提出利用蟻群優(yōu)化算法，建立優(yōu)化的支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而預(yù)測(cè)緊鄰基坑的地鐵隧道沉降。左殿軍等[7]采用ABAQUS數(shù)值模擬研究了招商銀行深圳分行大廈深基坑開(kāi)挖過(guò)程中引起臨近地鐵隧道的影響，研究表明考慮襯砌與土的相互作用，隧道的水平位移值明顯低于支護(hù)樁。袁靈等[8]采用樁板擋墻和荷載轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)減少基坑開(kāi)挖及加載對(duì)地鐵隧道的影響，并通過(guò)智能監(jiān)測(cè)分析超高層建筑修建過(guò)程中地鐵隧道變形。彭濤等[9]通過(guò)識(shí)別導(dǎo)致深基坑及地鐵破壞的諸多風(fēng)險(xiǎn)因素，采用層次分析法計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重，得出其中隔水帷幕滲水、降水不當(dāng)和開(kāi)挖方式不當(dāng)，這三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率較高。王利軍等[10]利用FLAC3d軟件研究了基坑開(kāi)挖過(guò)程中鄰近地鐵隧道的坑外地表沉降、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和隧道整體變形，得到地鐵隧道-土-圍護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用受地鐵隧道與基坑之間相對(duì)位移影響顯著。

以上已有研究主要集中在基坑開(kāi)挖過(guò)程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道變形上，同時(shí)針對(duì)基坑開(kāi)挖和降水引起應(yīng)力-滲流耦合對(duì)基坑和鄰近隧道的影響研究較少。本文以深圳市泰豐·貝悅匯項(xiàng)目為工程背景，采用MIDAS-GTSNX軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中最不利工況對(duì)地鐵隧道的安全影響評(píng)估、基坑開(kāi)挖降水對(duì)坑后地下水的影響和坑后地下水位下降對(duì)地鐵隧道的影響，該數(shù)值模擬結(jié)果為該工程順利完成提供重要保證，以期為深圳地區(qū)和同類型工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考價(jià)值。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于深圳市羅湖區(qū)翠竹路與布心路交匯處附近，場(chǎng)地北側(cè)相鄰布心路，東側(cè)緊鄰貝翠竹路，南側(cè)為水貝工業(yè)區(qū)，西側(cè)為水貝工業(yè)區(qū)，交通便利。項(xiàng)目總用地面積約為4 520.70 m2，總建筑面積約為57 640 m2，地上建筑面積約為45 000 m2，地下建筑面積約為12 640 m2。擬建建筑為1棟30層公寓辦公樓，結(jié)構(gòu)形式框架核心筒結(jié)構(gòu)，設(shè)有3層地下室。

擬建物設(shè)計(jì)±0.00標(biāo)高為24.00 m。場(chǎng)地設(shè)地下室3層，基坑深度約14.60 m，基坑周長(zhǎng)約253.255 m。東側(cè)、東北鄰近地鐵3號(hào)線水貝站—田貝站區(qū)間暗挖隧道，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與隧洞最小凈距離約32.57 m。

根據(jù)本基坑開(kāi)挖深度、周邊環(huán)境條件、地質(zhì)條件，基坑安全性等級(jí)定為一級(jí)，鄰近地鐵側(cè)基坑采用直徑1.4 m間距1.8 m咬合樁作基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，一道混凝土內(nèi)支撐支護(hù)。本基坑采用咬合樁支護(hù)兼作止水帷幕，基坑與地鐵平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

2 地質(zhì)水文概況

2.1 工程地質(zhì)條件

本場(chǎng)地原始地貌為臺(tái)地地貌，后經(jīng)人工挖填，地勢(shì)較平坦，已無(wú)原地貌景觀，周邊為市政道路、辦公樓、高層民居、學(xué)校及地鐵等。場(chǎng)地測(cè)得的鉆孔孔口標(biāo)高23.02 m～23.90 m。主要地層及其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 主要地層及其力學(xué)計(jì)算參數(shù)

2.2 水文地質(zhì)條件

因受周邊場(chǎng)地施工對(duì)地下水位的影響，鉆孔測(cè)得的地下水位埋深1.30 m～2.20 m,相應(yīng)標(biāo)高21.31 m～22.27 m。地下水流向?yàn)槲鞅敝翓|南向。地下水位受地貌形態(tài)、雨季大氣降水、地表水系下滲影響較大，地下水變化幅度在1.0 m～2.0 m。

2.3 地鐵安全允許指標(biāo)

依據(jù)該市地鐵運(yùn)營(yíng)安全保護(hù)區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，地鐵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 地鐵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制標(biāo)準(zhǔn)

3 模型建立

本項(xiàng)目采用MIDAS/GTS軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中最不利工況對(duì)地鐵隧道的安全影響評(píng)估、基坑開(kāi)挖降水對(duì)坑后地下水的影響和坑后地下水位下降對(duì)地鐵隧道的影響。

MIDAS/GTS的施工階段分析采用的是累加模型，即每個(gè)施工階段都繼承了上一個(gè)施工階段的分析結(jié)果，并累加了本施工階段的分析結(jié)果。為防止模型邊界影響，采用與基坑、地鐵隧道邊緣各處的距離不小于3H～5H(H為基坑深度)，模型底面為基坑底以下為強(qiáng)風(fēng)化巖。

圖2為項(xiàng)目有限元模型圖，模型中土體采用實(shí)體單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁將按剛度等效成混凝土板單元，隧道的襯砌采用板單元，冠梁、內(nèi)支撐和立柱采用一維梁?jiǎn)卧M，其截面尺寸與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全相同。

3.1 材料本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

地鐵隧道襯砌等假設(shè)為線彈性體，各土層則假設(shè)為彈塑性體，材料的破壞準(zhǔn)則采用修正摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用二維或一維結(jié)構(gòu)單元，用混凝土C30模擬取彈性變形性能。土層等其他參數(shù)選取表1中所列數(shù)值，泊松比取0.15～0.35。各個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)見(jiàn)表3，具體的三維模型見(jiàn)圖3。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.2 初始條件和邊界條件

計(jì)算模型中各垂直邊邊界條件為水平鉸支約束，模型底面為豎向位移約束，具體的邊界條件模型見(jiàn)圖4。各計(jì)算施工階段邊界條件不變。場(chǎng)地初始豎向應(yīng)力場(chǎng)為土體自重σz，水平向應(yīng)力σx按式(1)確定：

σx=K0σz

(1)

其中，K0為靜止土壓力系數(shù)，全風(fēng)化巖取0.6，強(qiáng)風(fēng)化巖取0.5，其他土按K0=1-sinφ。

本項(xiàng)目有限元分析模擬是通過(guò)給定土層重度和泊松比等參數(shù)后，用計(jì)算模型程序進(jìn)行應(yīng)力自平衡計(jì)算，場(chǎng)地內(nèi)應(yīng)力平衡后的應(yīng)力場(chǎng)即為初始應(yīng)力場(chǎng)。計(jì)算出現(xiàn)的變形通過(guò)強(qiáng)行歸零來(lái)實(shí)現(xiàn)初始變形條件。

3.3 模型的截水帷幕和水位設(shè)置

因本項(xiàng)目地下水位較高，根據(jù)勘察得鉆孔測(cè)得的地下水位埋深1.30 m～2.20 m，相應(yīng)標(biāo)高21.31 m～22.27 m，地下水變化幅度在1.0 m～2.0 m。因此本次模擬會(huì)考慮基坑降水對(duì)基坑和地鐵的影響，周邊和基坑周邊的初始水位埋深為1 m。因基坑采用咬合樁，形成良好的止水帷幕，本次模型采用界面單元模擬整個(gè)截水帷幕，生成截水帷幕的同時(shí)還要有剛性連接來(lái)保證節(jié)點(diǎn)的耦合，具體的界面單元、剛性連接和降水位置見(jiàn)圖5。

本次模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程采用兩次降水的方案，因本項(xiàng)目只有一道支撐在絕對(duì)標(biāo)高19.90 m處，即在相對(duì)地面標(biāo)高-4.1 m，所以第一次降水結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)剖面，設(shè)置在相對(duì)地面標(biāo)高-4.6 m，第二次降水在坑底以下0.5 m，相對(duì)地面標(biāo)高為-15.1 m處。

3.4 施工階段模擬

為了同時(shí)模擬基坑開(kāi)挖和降水對(duì)地鐵隧道安全性影響，采用應(yīng)力-滲流的耦合模型，形成初始的滲流場(chǎng)，且每一次需先進(jìn)行瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)的滲流分析后，才能進(jìn)行下一步開(kāi)挖的應(yīng)力分析。主要的模擬計(jì)算工況如下：

1)第一工況：初始的滲流場(chǎng)階段，場(chǎng)地及基坑周邊的初始水位的設(shè)置，然后進(jìn)行滲流分析，形成初始的滲流場(chǎng)。

2)第二工況：初始應(yīng)力階段，場(chǎng)地初始應(yīng)力分析、位移清零。

3)第三工況：支護(hù)樁施工階段應(yīng)力分析，基坑未開(kāi)挖前，需進(jìn)行超前支護(hù)，首先是支護(hù)樁的施工，此次評(píng)估采用等剛度代換的原則，用板單元模擬同等剛度的地連墻，同時(shí)也進(jìn)行立柱樁的施工。

4)第四工況：第一次降水滲流分析，基坑開(kāi)挖前，進(jìn)行基坑內(nèi)的降水至第一道支撐以下，在相對(duì)標(biāo)高-4.6 m處。

5)第五工況：第一次開(kāi)挖階段，第一次開(kāi)挖到相對(duì)標(biāo)高-4.6 m處，同時(shí)出現(xiàn)冠梁。

6)第六工況：第二次降水滲流分析，第二次開(kāi)挖前，進(jìn)行基坑內(nèi)的降水至坑底以下，在相對(duì)標(biāo)高-15.1 m處。

7)第七工況：第二次開(kāi)挖，開(kāi)挖到相對(duì)標(biāo)高-14.6 m處，同時(shí)出現(xiàn)內(nèi)支撐。

4 結(jié)果與分析

4.1 基坑開(kāi)挖過(guò)程中的基坑位移分布

通過(guò)以上施工階段的建模分析，最危險(xiǎn)的工況是發(fā)生在第一道支撐完成后，開(kāi)挖到基坑底的第七工況，因此，給出最不利的第七工況模型的計(jì)算結(jié)果如圖6，圖7所示?；釉诘谄吖r下各方向位移值見(jiàn)表4。

表4 基坑在第七工況下各方向位移值

從圖6，圖7和表4可知，基坑的短邊方向發(fā)生了20 mm左右的位移，主要集中在支護(hù)結(jié)構(gòu)的中部，基坑的長(zhǎng)邊方向發(fā)生了最大25 mm左右的位移，均滿足其基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的變形30 mm的要求。

4.2 基坑開(kāi)挖過(guò)程中的隧道位移分布

圖8為最不利工況(第七工況)下地鐵隧道產(chǎn)生的X方向、Y方向和Z方向上的位移分布云圖。從圖8中可以看到，由于基坑開(kāi)挖導(dǎo)致基坑周圍土體向基坑方向移動(dòng)致使隧道向基坑方向所產(chǎn)生的位移遠(yuǎn)大于其他方向上的位移值。在第七工況下各方向位移值隧道變形見(jiàn)表5。

表5 在第七工況下各方向位移值隧道變形 mm

由圖8,表5可知，因基坑的開(kāi)挖，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生了向基坑方向的變形值為2.46 mm。因基坑的開(kāi)挖，導(dǎo)致了周邊的土體沉降，隧道處產(chǎn)生了1.67 mm的沉降變形。根據(jù)表2可知，隧道的沉降和水平位移都符合隧道變形的要求。

以上研究可知，基坑開(kāi)挖對(duì)其鄰近地鐵隧道X方向的水平位移影響最大，將左側(cè)隧道節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖9(a)所示，圖9(b)顯示基坑兩次開(kāi)挖引起左側(cè)隧道X向位移值，從中可以看到兩次開(kāi)挖基坑引起5號(hào)和6號(hào)節(jié)點(diǎn)處隧道變形最大，且第二次基坑開(kāi)挖引起隧道出現(xiàn)較大范圍的水平位移，建議在基坑開(kāi)挖過(guò)程中要關(guān)注隧道5號(hào)和6號(hào)節(jié)點(diǎn)處的水平側(cè)向位移。

4.3 降水對(duì)地連墻和地鐵隧道變形的影響

為了研究降水對(duì)基坑和地鐵隧道變形的影響，分別進(jìn)行了未考慮降水施工工況和考慮降水的流固耦合施工工況下的基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬，圖10,圖11分別為未考慮降水和考慮降水第二次基坑開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵隧道變形圖，表6給出了兩種工況下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻和地鐵隧道的最大變形量。

從圖10，圖11中可以看到兩種工況下，考慮降水基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道變形較未考慮降水情況下有顯著差異，降水對(duì)土體變形的影響主要是由于地下水的存在，使得基坑周圍應(yīng)力場(chǎng)與滲流應(yīng)力場(chǎng)之間的耦合作用，基坑降水引起土體應(yīng)力場(chǎng)與地下水的滲流場(chǎng)失去原有的平衡，在降水過(guò)程中滲流力促使土體急劇運(yùn)動(dòng)，使得降水周圍土體變形增大。表6顯示考慮降水影響下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵隧道的最大變形比相同工況下未考慮降水情況分別增加了1.4倍和2.2倍，因此實(shí)際工程中不能忽視地下降水對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍土體變形的影響。

表6 未考慮和考慮降水兩種施工 工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵隧道最大變形量 mm

5 結(jié)語(yǔ)

本文以深圳市泰豐·貝悅匯項(xiàng)目深基坑工程為工程背景，利用MIDAS GTS軟件建立三維有限元模型，對(duì)其基坑開(kāi)挖和降水施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬，分析基坑開(kāi)挖和降水對(duì)基坑變形和周圍鄰近地鐵隧道變形的影響，得到以下結(jié)論：

1)基坑開(kāi)挖引起地鐵隧道的變形，以朝向基坑方向的水平位移為主，豎向位移為輔，基坑施工過(guò)程中更應(yīng)關(guān)注地鐵隧道的側(cè)向水平位移。

2)由于地下水的作用，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻和隧道變形更大，考慮降水影響下基坑地下連續(xù)墻和地鐵隧道的最大變形比相同工況下未考慮降水情況分別增加了1.4倍和2.2倍，因此，實(shí)際工程中不能忽視地下降水對(duì)基坑和周圍土體變形的影響。

3)深基坑降水和開(kāi)挖過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果可以給出基坑和地鐵隧道變形影響較大的范圍，為指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域變形提供有效參考依據(jù)。