深大基坑施工對緊鄰軌道高架區(qū)間的影響分析

范衛(wèi)琴 ，張紅章，謝昭宇, ，胡先耀 ，彭 向

（1. 武昌理工學院，武漢 430074；2. 湖北道澤勘測設計院有限公司，武漢 430074；3. 武漢豐達地質(zhì)工程有限公司，武漢 430074； 4. 中國地質(zhì)大學（武漢），武漢 430074）

深大基坑工程在開挖及施工過程中，會引起臨近軌道交通高架區(qū)間的變形[1-3]，為保證城市輕軌高架運行的安全性，《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》對深大基坑施工過程中對輕軌高架的影響提出了嚴格的變形控制指標[4]。深基坑施工前采用數(shù)值模擬等有效手段分析和研究深基坑施工過程中對軌道交通高架區(qū)間的影響，能夠有效進行風險預控，評估支護及施工方案的合理性，避免工程事故的發(fā)生[5-7]。MIDAS/GTS NX 有限元差分軟件可以模擬深基坑施工全過程對臨近軌道交通高架區(qū)間的影響，為工程技術人員事前分析和評價輕軌高架的安全性能提供理論依據(jù)，同時可為選擇合理的基坑支護形式和施工方案提供技術支持[8-10]。

以武漢某緊鄰軌道交通高架區(qū)間、開挖深度約10 m 的深基坑為例，采用MIDAS/GTS NX 有限元差分軟件對該基坑開挖及地下水滲流下高架區(qū)間結構位移進行了數(shù)值模擬分析。

1 工程概況

擬建項目位于武漢市硚口區(qū)，京漢大道和利濟路交叉路口，基坑圍護結構邊線距離輕軌線路橋面結構外邊線34.70 m，距離軌道交通安全保護線最近為4.70 m。軌道交通橋梁基礎采用直徑為0.8 m 的鉆孔樁，樁長40.5 m，上部設置1.5 m 厚承臺，樁基穿越的土層主要為黏土層、中砂層，樁底進入中砂層。擬建項目靠近1 號線崇～利高架區(qū)間側地下室基坑深9.80 m，采用“鉆孔灌注樁＋一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐＋側向帷幕”的支護結構形式，鉆孔灌注樁采用Φ1 100 @1 400 mm，有效樁長19.30 m。平冠梁標高設一道混凝土內(nèi)支撐，主撐截面尺寸0.8 m×0.8 m，輔撐截面尺寸0.6 m×0.8 m。樁外側止水帷幕采用700 mm 厚TRD 或CSM 水泥土墻，有效長度為54.0 m，且進入6-1 強風化泥巖層≥1.0 m，基坑支護結構典型剖面圖如圖1所示。

2 模型及材料屬性

2.1 計算模型

采用巖土專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 進行計算，施工階段分析采用的是累加模型，即上一個施工階段中結構體系與荷載的變化會影響后續(xù)階段的分析結果。

土體材料本構模型取用修正莫爾－庫倫模型(Modified Mohr-Coulomb)，支護材料按線彈性考慮。由于本基坑為長方形，鄰近高架區(qū)間長度較橫斷面尺寸長，可以用平面模型來模擬，在MIDAS 平面有限元模型中，采用平面應變單元模擬地層，采用梁單元模擬圍護結構、主體結構及高架區(qū)間樁基，采用界面單元和樁端單元模擬樁-土之間的接觸。計算模型范圍以基坑外輪廓為基準，外擴一定距離后而建立[11-14]。根據(jù)以上經(jīng)驗，本例取5 倍基坑深度。有限元模型的邊界條件為：模型底部約束豎向位移，模型左右兩側約束水平向位移。

2.2 計算參數(shù)及工況

2.2.1 土層材料屬性

擬建項目位于長江北岸，距離長江約2.5 km，距離漢江1.6 km，相當于長江I 級階地，地層由新近填土，全新統(tǒng)黏性土、砂性土及砂卵石層、基巖構成。場地所分布的地層除表層分布有人工回填的新近素填土(Qml) 外，下部地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積成因的黏性土層、砂土層(Q4al)，砂土層呈現(xiàn)粒徑由細到粗的沉積韻律，下伏志留系（S2f）泥巖。工程場地按地層成因、巖性及力學性質(zhì)劃分為6 大層11個亞層，圖1 中各土層基本物理力學性質(zhì)指標見表1。

表1 土層材料屬性表

2.2.2 結構材料屬性

選取靠近軌道高架區(qū)間一側的斷面進行有限元計算分析，軌道交通高架區(qū)間結構和本項目地下室結構、基坑支護結構材料及計算中所需單數(shù)見表2。

表2 結構特性（平面二維計算）表

2.2.3 計算工況

根據(jù)基坑擬定的施工方案，分析共分為6 個工況，具體如下：

工況1：初始地應力形成；工況2：高架橋樁基及結構完成；工況3：施工支護樁、立柱樁及止水帷幕；工況4：開挖一并施工第一道內(nèi)支撐；工況5：基坑開挖至坑底；工況6：地下室結構施工至內(nèi)支撐底部，拆除內(nèi)支撐，并在地下室負一層樓板處進行換撐。

3 基坑開挖對高架結構的影響分析

通過數(shù)值計算，得出各工況下整體模型及高架橋樁基的橫向、豎向位移。最不利工況下，整體模型基坑施工的橫向位移云圖詳見圖2，整體模型的豎向位移云圖詳見圖3，高架橋樁基的橫向位移云圖詳見圖4，高架橋樁基的豎向位移云圖詳見圖5。

圖2 工況6 時整體模型橫向位移云圖

圖3 工況6 時整體模型豎向位移云圖

圖4 工況6 時高架橋樁基橫向位移云圖

圖5 工況6 時高架橋樁基豎向位移云圖

由圖2、圖3 整體模型位移云圖可知，隨著基坑土方的開挖及地下室的施工，逐步對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，影響范圍和位移值逐步增大。水平位移影響范圍及同一位置處水平位移均隨基坑開挖深度增加而增大，位移最大位置發(fā)生在基坑圍護結構上，支護結構水平向位移值最大由4.321 mm 逐漸增大至14.55 mm，豎向位移最大由8.34 mm 逐漸增大至13.3 mm。

由圖4、圖5 輕軌高架橋位移云圖可知，基坑開挖對輕軌高架變形產(chǎn)生影響，輕軌高架橋樁基承臺處的位移值隨基坑開挖逐漸增大，最大水平變形為3.64 mm（向基坑方向），最大豎向變形為1.17 mm（沉降）。

4 基坑降水對臨近地鐵結構的影響分析

4.1 場地水文地質(zhì)條件

場區(qū)地下水類型主要為填土層中的上層滯水及砂層中的承壓水。上層滯水主要賦存于場地上部人工填土中，水位不連續(xù)，無統(tǒng)一自由水面，主要接受大氣降水，生活用水及給排水管涵的滲透入滲補給，水量有限，靜止地下水位埋深為1.30～2.50 m。

場地承壓水主要賦存于（4-1）～（5）層中，含水層頂板為（2-1）、（2-2）、（3-1）、（3-2）層，底板為下部基巖。承壓含水層與長江水力聯(lián)系緊密。承壓水測壓水位標高為18.33～20.74 m。根據(jù)沿線收集的現(xiàn)場水文地質(zhì)資料，結合武漢地區(qū)工程經(jīng)驗，模型分析時承壓水測壓水位標高按21.0 m 計算。場地承壓含水層滲透系數(shù)14.21 m/d，影響半徑R 為231.1 m，工程采用中深井降水處理，基坑共設置35 口深井降水井、5 口觀測井。降水井管井井徑為500 mm，管徑為250 mm，井深35 m?；娱_挖時將降水至水位標高9.80 m，水位降至坑底以下0.5 m。

基坑靠近地鐵止水帷幕采用700 mm（TRD或CSM）厚落底式等厚水泥土攪拌墻樁，長度為54.0 m，且進入強風化巖不小于1.0 m。

4.2 計算工況

計算模型分析具體分為4 個工況：（1）工況1，施加初始水頭，計算初始滲流場；（2）工況2，施加重力場，計算地基初始應力；（3）工況3，地鐵結構施工完成，位移場清零，保留應力場；（4）工況4，計算降水及地鐵結構位移。

4.3 降水對周邊環(huán)境的影響分析

最不利工況下，整體模型基坑施工的橫向位移云圖詳見圖6，整體模型的豎向位移云圖詳見圖7，高架橋樁基的橫向位移云圖詳見圖8，高架橋樁基的豎向位移云圖詳見圖9。

圖6 降水后整體模型橫向位移云圖

圖7 降水后整體模型豎向位移云圖

圖8 降水后地鐵結構橫向位移云圖

圖9 降水后地鐵結構豎向位移云圖

由計算結果可知：當完成基坑降水后，地鐵區(qū)間結構的最大水平變形為5.4 mm（向基坑方向），最大豎向變形為1.1 mm（沉降）。

疊加基坑開挖和降水引起的位移量，得地鐵高架區(qū)間結構向基坑相反發(fā)生的最大水平位移為9.09 mm，最大沉降2.27 mm。因此，其結果能夠滿足相關規(guī)定（水平、豎向位移值不大于10 mm）要求。

5 監(jiān)測結果

圖10、圖11 為基坑實際施工過程中對橋梁樁基墩臺處的水平位移及豎向沉降監(jiān)測結果，由監(jiān)測結果可知，樁基承臺處水平位移最大值為4.1 mm，沉降最大值為1.5 mm，基坑施工完工后，樁基承臺位移趨于穩(wěn)定。從實際監(jiān)測結果可知，監(jiān)測值比數(shù)值分析結果稍小，監(jiān)測結果滿足相關規(guī)定要求。水平位移偏差率為55%，豎向位移偏差率為34%，但變化趨勢基本一致。偏差率較大主要原因為本項目在枯水季節(jié)施工，且數(shù)值分析考慮最不利工況，實際降水對基坑的影響比數(shù)值分析結果要小一些。

圖10 高架橋承臺頂水平位移監(jiān)測結果

圖11 高架橋承臺頂沉降監(jiān)測結果

6 結論及建議

擬建項目地下室基坑開挖深度為9.8 m，基坑支護采用“鉆孔灌注樁＋一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐＋側向帷幕”型式，支護結構距離既有軌道交通高架區(qū)間最近為34.7 m。采用MIDAS/GTS NX 對基坑開挖及降水進行了數(shù)值模擬計算。主要結論如下：

（1）基坑施工時，地鐵結構最大水平位移為9.09 mm，最大沉降2.274 mm。實際現(xiàn)場監(jiān)測最大水平位移為4.1 mm，沉降量為1.5 mm。數(shù)值分析及監(jiān)測結果均為超出預警值，數(shù)值計算結果可靠。

（2）本例計算結果與監(jiān)測數(shù)據(jù)相差較大，水平位移偏差率為55%，豎向位移偏差率為34%。主要原因是：為增加結構安全儲備，數(shù)值計算時將地下水初始水頭高度取值偏大，實際施工條件較計算假定更有利，實際基坑降水引起的結構位移比數(shù)值分析影響要小一些。

（3）本例中高架區(qū)間結構位移接近預警值，為減小基坑開挖對高架結構樁基的影響，基坑應采用全落底式帷幕，止水帷幕進入中風化巖不小于1.0 m，隔斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，從而減小基坑降水對高架結構樁基的影響。

（4）基坑施工前，通過合理的數(shù)值分析，能有效模擬深基坑支護設計及施工對輕軌高架變形的影響，分析其水平位移和豎向位移影響范圍的變化趨勢，以此評估設計及施工方案的合理性，達到事前預控的目的。