不同基坑開挖順序?qū)εR近地鐵車站的影響分析

杜宏元

隨著城市地鐵的快速發(fā)展，在已有地鐵車站附近進(jìn)行工程活動(dòng)不可避免。為保證既有線路的安全運(yùn)營(yíng)，工程建設(shè)過程中對(duì)施工引起的變形要求極其嚴(yán)格[1-3]。杭州市地鐵建設(shè)管理部門為保障地鐵建設(shè)順利進(jìn)行，推出了《杭州市地鐵建設(shè)管理暫行辦法》，上海市也推出了《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》。可見，地鐵建設(shè)的環(huán)境效應(yīng)問題也引起地鐵部門的逐漸重視。

近年來許多學(xué)者針對(duì)此問題展開研究，取得了一些有益成果。王衛(wèi)東等[4]采用數(shù)值分析方法，動(dòng)態(tài)分析了不同施工開挖卸載對(duì)地鐵車站的影響。曾遠(yuǎn)等[5]采用ANSYS建模分析了地鐵車站基坑開挖時(shí)新舊兩車站間距、源頭變形、土體彈性模量三個(gè)因素對(duì)在運(yùn)營(yíng)車站變形的影響。姚燕明等[6]通過三維板殼有限元模型，分析了基坑與車站兩墻合一時(shí)對(duì)車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，得到了一些內(nèi)力變化的規(guī)律。謝弘帥[7]采用PLAXIS建模分析了深基坑開挖對(duì)臨近地鐵車站基坑的影響，主要針對(duì)車站基坑和臨近基坑不同開挖順序進(jìn)行研究。

目前，尚未有一套成熟的理論可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)基坑開挖對(duì)臨近地鐵車站變形的影響。本文采用有限元法建立平面數(shù)值分析模型，研究了地鐵車站兩側(cè)基坑不同開挖順序?qū)囌镜挠绊懀玫搅艘恍┮?guī)律性的認(rèn)識(shí)，以期對(duì)類似工程指導(dǎo)和積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某地鐵車站地下兩層，地面標(biāo)高0.00m，底板標(biāo)高-13.3m，車站地連墻0.6m厚，標(biāo)高-29.3m。南北兩側(cè)進(jìn)行建筑物業(yè)群的開挖。北側(cè)基坑地連墻0.8m厚，標(biāo)高-26.0m，距車站地連墻9m，開挖深度12.0m，設(shè)置2道支撐;南側(cè)基坑地連墻0.8m厚，標(biāo)高-38.5m，距車站地連墻6m，開挖深度16.5m，設(shè)置4道支撐;南北基坑支撐截面尺寸均為800mm×800mm，水平間距均為8m。土體參數(shù)如表 1所示，其中壓縮模量考慮應(yīng)力路徑和應(yīng)力水平的影響[8-10]，其他參數(shù)取自勘察報(bào)告。

表1 土體參數(shù)

2 計(jì)算模型

采用巖土專業(yè)有限元軟件建立二維平面應(yīng)變模型。土體采用強(qiáng)化巖土模型(改模型參數(shù)由M-C模型參數(shù)推導(dǎo)而出)，車站結(jié)構(gòu)和地連墻采用Plate單元模擬，服從線彈性準(zhǔn)則。土體計(jì)算參數(shù)如表 1所示。分三種計(jì)算工況:1)先北后南工況:先開挖北側(cè)基坑至基坑底板澆筑，再開挖南側(cè)基坑;2)先南后北工況:先開挖南側(cè)基坑至基坑底板澆筑，再開挖北側(cè)基坑;3)同時(shí)南北工況:南北側(cè)基坑同時(shí)開挖一層，設(shè)置一道支撐，直至南側(cè)基坑底板澆筑完畢。

每種計(jì)算工況下的計(jì)算步驟為:1)初始地應(yīng)力場(chǎng)生成;2)地鐵車站施工完畢;3)位移清零;4)逐步開挖土體;5)逐步設(shè)置橫向支撐;6)開挖至底板;7)底板澆筑;8)另一側(cè)基坑開挖土體、設(shè)置支撐、施工底板。考慮到邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型計(jì)算范圍為50m×200 m，左右邊界水平約束，底部邊界水平和豎向均約束，上部自由邊界。

3 計(jì)算結(jié)果分析

由于車站結(jié)構(gòu)整體剛度較大，以其底板豎向變形作為研究對(duì)象。圖 1給出了不同計(jì)算工況下地鐵車站底板豎向變形變化情況。可以看出，車站底板整體處于隆起狀態(tài);同時(shí)南北工況下車站底板整體變形較小，最大值3.6 mm，小于其他兩種工況;在計(jì)算工況一定的情況下，車站底板回彈變形先增加后減小。這是由于基坑開挖面較高時(shí)，車站底板土體向上位移，故車站底板隆起量不斷增加。隨著開挖的進(jìn)行，車站地連墻變形最大值位置不斷下移，導(dǎo)致車站底部土體位移趨勢(shì)逐漸向下變化，故車站底板隆起量逐漸較小，甚至變?yōu)槌两怠?/p>

以車站南側(cè)地連墻作為車站側(cè)向變形的研究對(duì)象。圖 2為不同計(jì)算工況下的車站地連墻水平位移變化情況。可以看出，車站地連墻的側(cè)向變形與基坑開挖順序直接相關(guān)，車站結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)整體向基坑側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)。南側(cè)地連墻的相對(duì)變形不大，但基坑開挖對(duì)車站水平變形影響的絕對(duì)值要比豎向變形大。同時(shí)南北的計(jì)算工況下，車站地連墻的水平變形最大值較其他兩種計(jì)算工況要小。

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)例，采用有限元法分析了不同基坑開挖順序?qū)Φ罔F車站底板和地連墻的影響，得到以下結(jié)論:

1)不同基坑開挖順序引起的車站底板回彈變形不同;計(jì)算工況一定的情況下，車站底板回彈變形先增加后減小，且兩側(cè)基坑同時(shí)開挖工況下車站底板回彈變形最大值最小;

2)車站地連墻的側(cè)向變形與基坑開挖順序直接相關(guān)，車站結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)整體向基坑側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì);

3)建議采用同時(shí)南北的基坑施工方案，這樣對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)的影響較小。

[1] 謝秀棟，劉國(guó)彬，李志高，等.鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵車站基坑開挖土層位移特性分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(4): 742-744.

[2] 徐志兵，熊衛(wèi)兵.基坑開挖對(duì)地鐵區(qū)間隧道影響的計(jì)算分析[J].地下工程與隧道，2009(2):36-38.

[3] 朱正峰，陶學(xué)梅，謝弘帥，等.基坑施工對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道變形影響及控制研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(1): 128-131.

[4] 王衛(wèi)東，吳江斌，翁其平.基坑開挖卸載對(duì)地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2004，25(sup):251-255.

[5] 曾 遠(yuǎn)，李志高，王毅斌.基坑開挖對(duì)鄰近地鐵車站影響因素研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1(4):642-645.

[6] 姚燕明，孫 巍.深基坑開挖對(duì)共同連續(xù)墻的既有車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響的空間分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(sup): 1411-1414.

[7] 謝弘帥.深基坑開挖對(duì)臨近地鐵車站基坑影響的有限元計(jì)算分析[J].上海地質(zhì)，2009(2):54-58.

[8] 袁 靜，劉興旺，益德清.基坑開挖過程中m參數(shù)的選取分析[J].工業(yè)建筑，2000，30(9):46-51.

[9] 劉國(guó)彬，侯學(xué)淵.軟土的卸荷模量[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1996，18(6):18-23.

[10] 胡 琦.超深基坑水、土與圍護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用及設(shè)計(jì)方法研究[D].杭州:浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.