基于MIDAS 的基坑開挖對臨近地鐵結(jié)構(gòu)的安全影響分析

唐陸建

（安徽省綜合交通研究院股份有限公司， 安徽 合肥 230000）

隨著合肥城市軌道交通結(jié)構(gòu)的線路規(guī)劃， 合肥已經(jīng)在運(yùn)營的軌道交通已有5 條線路。 因此在城市化的建設(shè)中， 越來越多的建筑工程會與軌道交通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響關(guān)系， 其中常見的影響關(guān)系有臨近軌道交通結(jié)構(gòu)、 敷設(shè)在區(qū)間結(jié)構(gòu)上方等。 因?yàn)榻ㄖこ淘谑┕み^程中會對臨近軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響， 如果不給予重視， 有可能會影響軌道交通運(yùn)營情況， 嚴(yán)重情況可能會破壞軌道交通結(jié)構(gòu)， 危害公共安全與財(cái)產(chǎn)安全。 因此本文結(jié)合有限元分析軟件MIDAS -GTS/NX，并嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求及控制標(biāo)準(zhǔn)， 對合肥軌道交通5 號線結(jié)構(gòu)影響保護(hù)區(qū)域內(nèi)的基坑開挖工程進(jìn)行安全影響分析。

1 工程概括

1.1 項(xiàng)目背景

擬建的合肥市某項(xiàng)目位于合肥市濱湖區(qū)。 該地塊為商業(yè)開發(fā)地塊， 結(jié)構(gòu)形式為高層加裙房的形式， 地庫大面積地下二層， 局部地下三層。 地下二層為筏板基礎(chǔ)， 局部采用樁基礎(chǔ)， 負(fù)二層與負(fù)三層高差4.5m。基坑支護(hù)總體方案: 北側(cè)、 南側(cè)、 西側(cè)大面采用雙排樁支護(hù)方案， 局部坡道位置采用排樁加斜撐支護(hù)方案， 東側(cè)鄰近軌道交通5 號線車站及區(qū)間， 鄰近軌道交通處基坑開挖深度為10.35m， 基坑上下部分采用兩道鋼格構(gòu)角撐， 基坑中間部分采用上部放坡、 下部1 道鋼格構(gòu)斜撐。

項(xiàng)目基坑距離軌道交通5 號線出入口結(jié)構(gòu)為10.0m， 距離車站主體結(jié)構(gòu)為20.5m。 基坑開挖深度為10.35m， 3 號出入口埋深為6.8m， 車站主體結(jié)構(gòu)埋深為17m。 項(xiàng)目基坑圍護(hù)體系采用兩道800x800 鋼筋混凝土支撐+1100@1600 鉆孔灌注樁。 項(xiàng)目基坑下部距離5 號線區(qū)間結(jié)構(gòu)最近約11m， 區(qū)間結(jié)構(gòu)埋深為15m。 項(xiàng)目基坑圍護(hù)體系采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用放坡開挖+雙排樁1100@1600 鉆孔灌注樁+兩道800x800 鋼筋混凝土支撐。 放坡開挖深度為3m， 放坡率為1∶1.5。

1.2 臨近軌道交通工程概況

合肥軌道交通5 號線花園大道位于花園大道與河北路交叉口路口， 沿河北路西側(cè)布設(shè)， 車站跨花園大道， 為地下兩層12m島式站臺車站。 3 號出入口標(biāo)準(zhǔn)斷面覆土深約3.2 ～3.5m， 與主體結(jié)構(gòu)間設(shè)置變形縫。 合肥軌道交通5 號線已于2020 年12 月份開通運(yùn)營， 3 號出入口正常通行。 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查， 未見外漏水及明顯開裂。

花園大道站主體結(jié)構(gòu)總長度為209m， 車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬度20.7m， 地面標(biāo)高約15.6m～18.3m； 頂板覆土約 3.20m， 標(biāo)準(zhǔn)段軌面埋深約 14.19m～14.85m。

2 軌道交通安全影響評估分析

2.1 評估依據(jù)

本項(xiàng)目主要評估依據(jù)為收集到的地鐵相關(guān)圖紙資料以及地塊地勘相關(guān)資料。

2.2 軌道交通保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)合肥市有關(guān)規(guī)定并參照國內(nèi)其他城市軌道交通建設(shè)及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)， 已建軌道交通結(jié)構(gòu)運(yùn)營階段的變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下。

1) 結(jié)構(gòu)水平位移包括 (3 號出入口、 車站結(jié)構(gòu)、區(qū)間結(jié)構(gòu))， 其預(yù)警值小于3mm， 控制值小于5mm，變化速率小于1， mm/d； 2) 結(jié)構(gòu)豎向位移包括 (3號出入口、 車站結(jié)構(gòu)、 區(qū)間結(jié)構(gòu))， 其預(yù)警值小于3mm， 控制值小于5mm， 變化速率小于1， mm/d； 3)隧道徑向收斂， 其預(yù)警值小于 3mm， 控制值小于5mm， 變化速率小于1， mm/d； 4) 結(jié)構(gòu)裂縫寬度， 其控制值為車站主體及附屬結(jié)構(gòu): 迎水面小于0.2mm， 背水面小于0.3mm； 區(qū)間隧道: 小于0.2mm。

3 有限元數(shù)值模型建立

3.1 有限元原理

3.1.1 土體平衡方程

式中， σ、 σ、 σ、 τ、 τ和 τ為總應(yīng)力的六個分量， ρ 為土體密度， g為重力加速度。

3.1.2 土體本構(gòu)方程

土體的本構(gòu)方程矩陣形式為:

式中， {σ'} =[σ'σ'σ'ττ τ]， 為土體的有效應(yīng)力矢量； [D]為彈性矩陣，對于各向同性線彈性土， 其表達(dá)式為式 (5)； {}=[ε'ε'ε'γγγ]， 為土體應(yīng)變矢量。

3.1.3 土體幾何方程

式中， u、 v、 w分別為 x、 y、 z方向的位移。

3.1.4 土體有效應(yīng)力原理

數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中p 為土體中的孔隙水壓力。

3.2 模型建立

根據(jù)本項(xiàng)目基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)圖紙及鄰近軌道交通設(shè)計(jì)資料， 對項(xiàng)目場地內(nèi)的土體、 基坑圍護(hù)支撐結(jié)構(gòu)等采用不同的單元模擬， 并賦予不同屬性。 利用MIDAS 的激活/鈍化功能來模擬土體的開挖和施加圍護(hù)支撐結(jié)構(gòu)， 按照設(shè)定的基坑開挖不走， 分階段進(jìn)行模擬全過程施工工況對軌道交通結(jié)構(gòu)的影響。 軌道交通鋼結(jié)構(gòu)板、 墻等采用板單元模擬， 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)立柱柱、 支撐采用梁單元模擬。 根據(jù)圣維南原理， 模型在縱向和橫向應(yīng)取基坑開挖施工深度的3 倍左右。 土層物理力學(xué)參數(shù)參考地質(zhì)報(bào)告取值， 整體計(jì)算建模如圖 1 所示。

圖1 數(shù)值模擬整體圖

3.3 基坑開挖數(shù)值模擬工況

根據(jù)施工先后次序， 項(xiàng)目施工工序如下。

工況1: 初始地應(yīng)力平衡， 施作軌道交通結(jié)構(gòu)，位移清零； 工況2: 完成基坑圍護(hù)樁的施工； 工況3:放坡開挖； 工況4: 開挖第一層土， 施作第一層內(nèi)支撐； 工況5: 開挖第二層土， 施作第二層內(nèi)支撐； 工況6: 開挖至基坑底標(biāo)高； 工況7: 開挖局部地下室-3 層； 工況8: 施作地下室底板及負(fù)一層樓板， 拆撐； 工況9: 施作合肥璟尚商務(wù)廣場上部結(jié)構(gòu) (添加附加荷載模擬)。

4 基坑施工對軌道交通5號線結(jié)構(gòu)影響分析

本項(xiàng)目地下室采用明挖順作法施工， MIDAS -GTS/NX的分析計(jì)算結(jié)果在每一次開挖步驟完成時(shí)都繼承了上一步的位移和內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。 這樣可以更加清晰地說明基坑及臨近軌道交通結(jié)構(gòu)的變形過程， 并揭示基坑開挖每一工況下位移及內(nèi)力場的變化情況。

4.1 整體位移分析

現(xiàn)提取模擬計(jì)算完成后基坑整體變化云圖， 如圖2 所示。

圖2 三維位移云圖

由數(shù)值模擬結(jié)果知， 受基坑開挖卸載的影響， 基坑開挖完成后 (工況7) 坑底隆起最大值約17.7mm，基坑邊周邊沉降值約為4.5mm左右。

4.2 軌道交通結(jié)構(gòu)位移分析

現(xiàn)提取基坑開挖各工況下軌道交通結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)構(gòu)。 并繪制位移影響表格， 如表1。

由表1 結(jié)果表明。

表1 各工況基坑施工對車站結(jié)構(gòu)的位移影響

1) 3 號出入口結(jié)構(gòu)、 車站主體結(jié)構(gòu)及區(qū)間結(jié)構(gòu)局部會發(fā)生一定的水平及豎向位移。 其中3 號出入口結(jié)構(gòu)， 最大水平位移約 1.28mm， 最大沉降量約2.33mm； 車站主體結(jié)構(gòu)， 最大水平位移約1.90mm，最大沉降量約1.02mm， 區(qū)間結(jié)構(gòu)， 最大水平位移約2.16mm， 最大沉降量約1.97mm。

2) 綜上， 3 號出入口結(jié)構(gòu)、 車站結(jié)構(gòu)及區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移、 豎向位移均低于控制值5mm， 滿足規(guī)范要求； 3 號出入口結(jié)構(gòu)與車站主體結(jié)構(gòu)變形縫差異沉降最大值為0.38mm， 低于控制值2mm， 滿足規(guī)范要求。

3) 可以看出軌道交通結(jié)構(gòu)變形表現(xiàn)為逐漸增大的變化趨勢， 在最大值出現(xiàn)在工況8 拆撐階段， 因此在現(xiàn)場施工過程中應(yīng)該在拆撐階段， 作出一定的安全保護(hù)措施。

4) 同時(shí)可以看出， 在工況9 出現(xiàn)向下的拐點(diǎn)趨勢， 這可能是因?yàn)樵谠谑┕さ叵率抑黧w結(jié)構(gòu)時(shí)， 基坑土體相當(dāng)于一個加載的過程， 有利于控制周圍地表沉降， 因此軌道交通結(jié)構(gòu)的位移也相應(yīng)的減少。

5 安全影響評估建議與應(yīng)急措施

5.1 評估建議

1) 對施工階段的建議: 地下室基坑應(yīng)分層開挖，分層深度不超過3m， 且應(yīng)由遠(yuǎn)及近向軌道交通側(cè)開挖； 基坑施工期間做好場地布置工作， 嚴(yán)禁大型設(shè)備及土方車從軌道交通側(cè)進(jìn)出， 以利于軌道交通結(jié)構(gòu)的變形控制。 基坑周邊土應(yīng)及時(shí)外運(yùn)， 避免堆載； 鄰近軌道交通側(cè)基坑坡頂嚴(yán)禁堆載或走行重型車輛。 軌道交通車站及風(fēng)亭結(jié)構(gòu)正上方土體回填時(shí)， 回填覆土高度應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案確定， 施工單位應(yīng)該合理選擇壓實(shí)機(jī)械， 嚴(yán)禁使用重型機(jī)械， 施工荷載不得超過20kPa， 并且避免產(chǎn)生沖擊荷載以減少對軌道交通結(jié)構(gòu)的影響； 2) 對施工完成后的建議: 建議本項(xiàng)目施工完成后應(yīng)對軌道交通結(jié)構(gòu)繼續(xù)監(jiān)測三個月， 直到變形趨于穩(wěn)定的數(shù)值； 當(dāng)施工后的監(jiān)測數(shù)據(jù)已超過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全控制值， 應(yīng)及時(shí)通知軌道公司相關(guān)部門及運(yùn)營部門， 并通過現(xiàn)狀調(diào)查、 檢測， 結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，重新評估軌道交通結(jié)構(gòu)的當(dāng)前安全狀態(tài)。 目前5 號線花園大道站3 號出入口正常開通運(yùn)行， 建議對開挖至地下室基坑底及拆撐時(shí)重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)護(hù)及巡查， 并做好相應(yīng)的巡查記錄， 外部做業(yè)單位應(yīng)通知監(jiān)護(hù)及安評人員進(jìn)行現(xiàn)場符合性巡查并檢查現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)是否異常

5.2 應(yīng)急措施

根據(jù)外部作業(yè)的特點(diǎn)， 當(dāng)應(yīng)急事項(xiàng)發(fā)生時(shí)， 應(yīng)優(yōu)先采取外部作業(yè)自身的控制措施， 基坑工程周邊的地層參數(shù)作為工程本身對環(huán)境產(chǎn)生影響的主要媒介， 可以通過對土層條件進(jìn)行加固處理、 改良處理等措施來減少基坑工程施工對周圍環(huán)境的影響。 明 (蓋) 挖基坑工程施工可以通過改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐體系來減小對周圍環(huán)境及其他建筑的影響。 盾構(gòu)法隧道施工可以通過對管節(jié)周圍土體進(jìn)行注漿加固的處理方式、 嚴(yán)禁超挖等措施來控制對周圍環(huán)境的影響。 因此可以看出， 基坑或者隧道本身的自我控制措施或者對周圍土體進(jìn)行加固的措施， 是減小對周圍風(fēng)險(xiǎn)的主要措施。

控制保護(hù)區(qū)內(nèi)外部作業(yè)常見應(yīng)急事項(xiàng)的處置措施簡述如下: 1) 基坑支撐失穩(wěn)時(shí)立即停止土方開挖；2) 如果基坑支撐體系失穩(wěn)且已經(jīng)基坑周圍土體塌落:發(fā)現(xiàn)后及時(shí)對基坑塌落出進(jìn)行土方的回填， 檢查基坑周邊是否有超載的區(qū)域， 并進(jìn)行清除。 如果基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)后發(fā)生土體流失的現(xiàn)象， 要立即采取素混凝土或砂進(jìn)行填充。 同時(shí)， 對內(nèi)支撐體系進(jìn)行檢查， 如果發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)處理； 3) 雨后基坑 (放坡) 失穩(wěn): 在雨季施工階段， 應(yīng)安排專門的巡視人員對邊坡進(jìn)行定期檢查， 如果在巡查的過程中， 發(fā)現(xiàn)邊坡護(hù)坡破壞的地方， 應(yīng)該立即進(jìn)行修補(bǔ)處理。 在基坑周邊可以增加邊坡和坑內(nèi)的降水井的數(shù)量， 一旦雨量較大時(shí)可以增加地下水及雨水的降水速度。 在施工階段中， 應(yīng)定期對排水設(shè)備進(jìn)行檢查圍護(hù)， 應(yīng)查看基坑周圍排水溝是否有堵塞的地方， 應(yīng)及時(shí)進(jìn)行疏通。 在集水井上部應(yīng)該設(shè)置泵房， 當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定高度后， 水泵自動程序化排水。