基坑施工對(duì)地鐵車輛段結(jié)構(gòu)的影響分析

摘要：基于某臨近地鐵車輛段結(jié)構(gòu)的基坑工程，采用有限元計(jì)算軟件MIDAS-GTS建立了三維仿真模型，模擬基坑開挖及基坑降水對(duì)車輛段結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)基坑自身穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算分析表明，基坑開挖施工引發(fā)車輛段結(jié)構(gòu)最大總位移為4.6mm；有限元滲流模擬基坑降水導(dǎo)致的最大總位移為3.6mm，基坑開挖與降水不影響車輛段結(jié)構(gòu)的安全；采用有限元模擬與傳統(tǒng)理正深基坑計(jì)算基坑自身的穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.79、1.40，均滿足規(guī)范1.25的要求。研究結(jié)論可供類似工程設(shè)計(jì)與施工參考。

關(guān)鍵詞：基坑開挖；地鐵結(jié)構(gòu)；仿真模擬分析；基坑降水

中圖分類號(hào)：U231+.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

AnalysisoftheImpactofFoundationPitConstructiononthe StructureofMetroDepot

WANGDiLUOQiqiLIYajie

SchoolofArchitectureandCivilEngineering，XihuaUniversity，Chengdu，SichuanProvince，610039China

Abstract：Inthispaper，athree-dimensionalsimulationmodel?;isestablishedbyusingthefiniteelementcalculationsoftwareMIDAS-GTSforafoundationpitprojectbasedonthestructureofanearbymetrodepot.Theimpactofexcavationandprecipitationonthestructureofthedepotissimulated，andthestabilityofthefoundationpititselfisevaluated.Calculationanalysisshowsthatthemaximumtotaldisplacementofthedepotstructuretriggeredbypitexcavationconstructionis4.6mm;Themaximumtotaldisplacementcausedbypitprecipitationinfiniteelementseepagesimulationoffoundationpitis3.6mm，andtheexcavationandprecipitationofthefoundationpitdonotaffectthesafetyofthestructureofthevehicledepot;ThestabilitysafetycoefficientofthepititselfcalculatedusingfiniteelementsimulationandtraditionaltoolLizhengsoftwareis1.79and1.40respectively，bothmeetingtherequirementinthestandard（1.25）.Theresearchconclusionscanbeusedasareferenceforthesimilardesignandconstruction.

KeyWords：Excavationoffoundationpit;Metrostructure;Simulationandanalyses;Precipitationoffoundationpit

隨著城鎮(zhèn)化程度不斷加深，城市交通擁堵問題愈發(fā)突出，地鐵作為一種綠色環(huán)保，高效節(jié)能的交通方式也得到了快速發(fā)展[1]。截至2023年底，我國內(nèi)地已有59個(gè)城市開通城市軌道交通，運(yùn)營里程達(dá)11232.65km，運(yùn)營線路338條[2]。與此同時(shí)，城市建設(shè)活動(dòng)也不斷向地下拓展，基坑越來越深，開挖面積也越來越大[3]，基坑與地鐵間的相互影響也日益增多，如何評(píng)估新建工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響成為學(xué)者的研究重點(diǎn)。在此研究過程中，理論分析、實(shí)地監(jiān)測及仿真模擬被廣泛地應(yīng)用[4]，李維[5]、肖先[6]分析了當(dāng)臨近地鐵隧道與車站時(shí)基坑支護(hù)的難點(diǎn)，建立了三維有限元模型，并對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行了監(jiān)測，提出的基坑支護(hù)方案效果良好。然而，現(xiàn)有研究專注于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身以及地鐵車站或隧道結(jié)構(gòu)，基坑開挖對(duì)地鐵車輛段軌道影響的研究卻較少，車輛段又是地鐵進(jìn)出車庫的必經(jīng)之路，其結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。本文以昆明某基坑工程項(xiàng)目為依托，建立了基坑與地鐵車輛段結(jié)構(gòu)的仿真模型，并通過多種手段分析了基坑施工對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)論可供類似基坑項(xiàng)目參考。

1工程概況

1.1項(xiàng)目簡介

擬建場地為2-1#地塊，位于昆明市官渡區(qū)，含9棟29～34層高層住宅，2棟3層幼兒園及兩層地下車庫?；?xùn)|西長約251m，南北寬約105m，基坑開挖深度為1.6～9.8m，平均深度為5.4m，基坑支護(hù)底邊線由地下室輪廓線外移2.0m。擬建地塊現(xiàn)為空地，地形平坦?；颖眰?cè)約40m為云福路，西側(cè)為施工活動(dòng)板房，基坑施工前將拆除；基坑?xùn)|側(cè)為在建操場，距離約為38.7m；基坑南側(cè)臨近地鐵車輛段，開挖深度最大為8.7m，基坑邊線與車輛段結(jié)構(gòu)承臺(tái)最小距離為20.4m，與軌道最小距離為27.2m，基坑與地鐵結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系如圖1所示。

1.2工程地質(zhì)

場地內(nèi)分布的地層主要為：人工填積（Q4ml）層、第四系全新統(tǒng)沖、洪積（Q4al+pl）層，第四系全新統(tǒng)沖、湖積（Q4al+l）層；水文地質(zhì)條件單一，地下水及地表水對(duì)鋼筋混凝土具有微腐蝕性；場地淺層存在一定厚度的黏土及粉質(zhì)黏土，對(duì)基坑位移控制不利；場地存在深厚強(qiáng)透水圓礫層，基坑滲漏水可能對(duì)軌道產(chǎn)生不利影響；車輛段整體道床區(qū)段前期已采用水泥粉煤灰碎石樁（CementFly-ashGravelPile，CFG樁）進(jìn)行地基處理。

1.3基坑支護(hù)

基坑北側(cè)、西側(cè)及南側(cè)均采用二級(jí)放坡掛網(wǎng)噴混凝土加1m短土釘及6m和9mΦ48鋼管土釘（花管）的支護(hù)方式；基坑?xùn)|側(cè)采用長為16m和18m的Φ800@1400鋼筋混凝土鉆孔灌注樁加2排可回收預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)方式；基坑外側(cè)設(shè)置Φ650的三軸水泥土攪拌樁止水。

綜合場地基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)、周邊建筑現(xiàn)狀，認(rèn)為地塊建設(shè)對(duì)車輛段軌道的不利影響主要為：（1）基坑開挖誘發(fā)車輛段軌道位移；（2）基坑降水影響地鐵車輛段沉降；（3）基坑南側(cè)自身的穩(wěn)定性。

2基坑開挖對(duì)車輛段影響的模擬分析

2.1三維仿真模型

根據(jù)基坑與臨近地鐵結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，采用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元仿真模型如圖2所示?；?xùn)|側(cè)為錨索與灌注樁支護(hù)，南側(cè)為花管，西側(cè)為放坡+土釘。車輛段周邊地層的力學(xué)性質(zhì)對(duì)約束基坑施工過程中車輛段及軌道的變形起關(guān)鍵作用，因此，模型中的地層參數(shù)依據(jù)勘察資料與實(shí)測數(shù)據(jù)反演分析確定；車輛段與軌道及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)計(jì)算參數(shù)依據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙確定。三維有限元仿真模型的邊界條件為：模型底部Z方向（豎向）位移約束，模型前后兩個(gè)面Y方向約束，模型左右兩個(gè)面X方向約束。

2.2加載工況

加載工況參照實(shí)際施工適當(dāng)簡化，基坑開挖施工對(duì)南側(cè)車輛段影響模擬的主要流程：初始地應(yīng)力場分析，此階段將在模型中施加重力，進(jìn)行應(yīng)力及位移清零；施作CFG樁加固地基，施作車輛段軌道結(jié)構(gòu)、施加南側(cè)道路荷載30kPa、車輛段荷載40kPa；施作基坑灌注樁、冠梁，施加基坑?xùn)|側(cè)、西側(cè)超載各20kPa；開挖第一層土；施作第一道護(hù)坡、錨索、腰梁、土釘與花管；開挖第二層土；施作第二道護(hù)坡、錨索、腰梁、土釘及花管；開挖土層至基底；施作第三道護(hù)坡、土釘及花管。

2.3模擬結(jié)果

車輛段軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生較大位移將影響地鐵車輛進(jìn)出的安全，因此仿真模型匯總了在基坑開挖施工過程中車輛段軌道的位移，如表1所示，包括水平位移（XY方向）、豎向位移（Z方向）和總位移（XYZ方向）。由表1中數(shù)據(jù)可知：基坑施工誘發(fā)軌道的最大水平位移為4.1mm，最大豎向位移為-2.2mm，最大總位移為4.6mm。圖3為開挖至基底時(shí)軌道結(jié)構(gòu)的位移云圖，由圖中位移數(shù)據(jù)可知，越靠近基坑開挖面，軌道結(jié)構(gòu)位移越大，最大水平位移與豎向位移發(fā)生位置相近，且為最大總位移位置處。基坑施工的整個(gè)過程中，誘發(fā)車輛段軌道位移絕對(duì)量值較小，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的安全影響較小。

3基坑降水影響分析

地下水位隨著基坑開挖而逐漸下降，地下水滲流場與基坑開挖應(yīng)力場耦合將對(duì)軌道變形產(chǎn)生不利影響。因此，結(jié)合項(xiàng)目基坑所在場地的工程地質(zhì)情況和軌道、基坑的空間關(guān)系，建立有限元模型，計(jì)算分析基坑開挖降水誘發(fā)地鐵軌道的變形。根據(jù)勘察報(bào)告取初始地下水位為地面以下1.5m。模型高度為30.1m，故初始總水頭為28.6m。有限元計(jì)算模型的地層主要為填土、粉質(zhì)黏土、黏土及圓礫。模型的邊界條件為：模型底部約束Z方向（豎向）位移，模型左右部位約束X方向（水平）位移。

模擬分析主要流程為：設(shè)置初始地下水位進(jìn)行初始滲流分析；施加重力并進(jìn)行初始地應(yīng)力分析；將水位降至開挖第一層土下0.5m；開挖第一層土；將水位降至基底下0.5m；開挖至基底。圖4為基坑降水誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)水平、豎向位移以及總位移，圖中標(biāo)示點(diǎn)為最靠近基坑的車輛段軌道。由圖中仿真模擬數(shù)據(jù)可知，基坑降水誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)最大水平、豎向位移以及總位移分別為-1.0mm、-3.5mm、3.6mm，基坑降水對(duì)地鐵車輛段軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移較小，不影響車輛段的結(jié)構(gòu)安全。

4基坑穩(wěn)定性分析

基坑?xùn)|側(cè)采用樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，北側(cè)、西側(cè)、南側(cè)均采用放坡+土釘及花管支護(hù)。基坑?xùn)|、北、西3個(gè)方向均無重要建筑物，因此對(duì)自身穩(wěn)定性要求較低。而南側(cè)則有車輛段軌道及架空站房，基坑開挖后形成臨空面，主體結(jié)構(gòu)在場地內(nèi)施工，此時(shí)南側(cè)基坑的穩(wěn)定對(duì)控制基坑本身的位移、車輛段基礎(chǔ)位移、車輛段軌道位移至關(guān)重要，因此為評(píng)估南側(cè)基坑的穩(wěn)定性，分別利用有限元邊坡模型與理正深基坑進(jìn)行分析校核。南側(cè)基坑具體支護(hù)型式為二級(jí)放坡掛網(wǎng)噴混凝土加1m短土釘和6m或9m長Φ48鋼管土釘（即花管）。

4.1有限元模擬分析

有限元模型為二維，計(jì)算剖面為最靠近南側(cè)車輛段軌道結(jié)構(gòu)的斷面，采用強(qiáng)度折減法（StrengthReductionMethod，SRM）進(jìn)行計(jì)算，模型的邊界條件為：模型底部約束Z向（豎向）位移，模型左右兩面約束X向（水平ViO3ONfjNmhWLDEi7JJwPA==），有限元邊坡模型如圖5所示，計(jì)算安全系數(shù)為1.79>1.25，基坑安全系數(shù)滿足要求，基坑處于安全狀態(tài)。

4.2理正深基坑計(jì)算

基坑南側(cè)深度最大為8.7m，基坑外地下水位埋深為1.5m，基坑內(nèi)最終降水至基底下0.5m，基坑采用兩級(jí)放坡+土釘（包括注漿花管）支護(hù)，地面超載20kPa。其中，短土釘為1m長直徑16mm的鋼筋，花管長6m或9m，外徑48mm，壁厚3mm，坡面掛網(wǎng)鋼筋為6.5@200x200，坡面采用100mm厚的C20混凝土，并在上兩級(jí)坡面設(shè)置泄水孔。基坑安全等級(jí)為二級(jí)，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[7]確定基坑重要性系數(shù)為1.0。基坑各開挖階段對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)如表2所示，根據(jù)表2數(shù)據(jù)，基坑開挖至基底時(shí)安全系數(shù)為1.40>1.25，滿足規(guī)范要求，南側(cè)基坑處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

5結(jié)語

隨著地鐵線網(wǎng)不斷加密，城市項(xiàng)目建設(shè)過程中不可避免地對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，本文從實(shí)際項(xiàng)目出發(fā)，建立了基坑與地鐵車輛段的三維有限元仿真模型，按照實(shí)際施工步驟進(jìn)行模擬，分析結(jié)果表明基坑施工誘發(fā)車輛段軌道的最大水平、豎向及總位移分別為4.1mm、-2.2mm、4.6mm；根據(jù)地下水位的有限元滲流分析，水位下降誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)最大總位移為3.6mm，基坑施工及降水誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)的位移較小，不影響車輛段結(jié)構(gòu)安全。進(jìn)一步地，分別采用有限元邊坡模型和傳統(tǒng)理正深基坑軟件對(duì)基坑穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，兩種方法計(jì)算出的基坑穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.79、1.40，均滿足規(guī)范1.25的要求，南側(cè)基坑處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

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