廣州淺巖區(qū)緊鄰地鐵隧道某建筑基坑優(yōu)選分析

但禮堂 劉善銀 周書東

（1.東莞市軌道交通有限公司，廣東東莞 523073;2.廣東科磊建筑基礎工程有限公司，廣東東莞 523112; 3.東莞市建筑科學研究所，廣東東莞 523112）

廣州淺巖區(qū)緊鄰地鐵隧道某建筑基坑優(yōu)選分析

但禮堂1劉善銀2周書東3

（1.東莞市軌道交通有限公司，廣東東莞 523073;2.廣東科磊建筑基礎工程有限公司，廣東東莞 523112; 3.東莞市建筑科學研究所，廣東東莞 523112）

為確保廣州淺巖區(qū)緊鄰地鐵隧道某建筑基坑的順利實施，同時保障地鐵安全運營，對基坑支護結(jié)構(gòu)形式進行了探討，并采用平面和三維數(shù)值手段分析了基坑開挖過程中采用附加支撐后對地鐵隧道的影響。分析結(jié)果表明，采用附加支撐后，雙排樁支護結(jié)構(gòu)結(jié)合中心島法開挖可有效控制支護結(jié)構(gòu)和地鐵隧道的位移，并減少工程成本。

淺巖區(qū)，建筑基坑，地鐵隧道，優(yōu)選分析

0 引言

隨著城市化進程的加快，充分利用地下空間進行土地集約化及高強度開發(fā)是特定地段進一步發(fā)展的必然選擇，由此不可避免地會出現(xiàn)緊鄰地鐵線路開發(fā)城市地下空間的現(xiàn)象。基坑開挖卸載勢必會打破土體原有的應力平衡狀態(tài)，使地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加荷載和變形。同時，基坑開挖過程中其自身的變形、強度和穩(wěn)定問題直接關系到建筑地下空間主體結(jié)構(gòu)能否順利實施。為此，緊鄰地鐵隧道的基坑須選用合適的支護手段并采取適當?shù)氖┕すしǚ娇杀ＷC兩者結(jié)構(gòu)的安全，同時兼顧經(jīng)濟效果。本文以廣州某建筑基坑工程為例，探討了淺巖區(qū)緊鄰地鐵隧道的基坑支護結(jié)構(gòu)合理形式，并采用平面和三維數(shù)值手段重點研究了雙排樁支護結(jié)構(gòu)采用附加支撐后對改善緊鄰地鐵隧道應力和變形的顯著作用，同時提出適當?shù)幕娱_挖方法，在保證基坑工程順利實施的同時有效地控制緊鄰地鐵隧道的變形，從而達到安全經(jīng)濟的目標。

1 工程概況

擬建項目位于廣州市天河區(qū)，南側(cè)及西側(cè)緊鄰多棟樁基礎高層建筑物;北側(cè)為本項目一期基坑;東側(cè)為林和東路。基坑面積約為29 514m2，周長約為740m，規(guī)劃擬建8棟住宅樓和1棟商業(yè)用房，地下2層，局部3層。基坑東側(cè)緊鄰廣州地鐵一號線隧道，緊鄰段長達220 m，隧道與基坑支護外邊線最近的距離5.8 m，沿線埋深3.6 m～6.0 m，分明挖隧道和礦山法暗挖隧道（如圖1所示）。臨近地鐵側(cè)基坑開挖深度8.4 m～10.2 m，基坑側(cè)壁安全等級為一級，根據(jù)巖土工程勘察報告，并結(jié)合周邊類似工程經(jīng)驗，場地各土層計算參數(shù)按表1選取。

圖1 建筑基坑與地鐵隧道平面關系圖

表1 場地土層計算參數(shù)表

2 基坑支護結(jié)構(gòu)選型

2.1 本項目施工的難點及控制標準

基坑工程緊鄰地鐵隧道，基坑的開挖卸載必然會對附近的地鐵隧道產(chǎn)生附加應力和位移，因而危及運營地鐵隧道的安全。根據(jù)專家及地鐵業(yè)主方的決議，本工程必須滿足基坑支護結(jié)構(gòu)最大位移不超過20 mm。

2.2 基坑圍護結(jié)構(gòu)設計

由地質(zhì)條件結(jié)合當?shù)亟?jīng)驗，本工程基坑卸載引起的坑底回彈量和塑性隆起量很小，對基坑側(cè)面地鐵隧道的影響可忽略不計;土體含水量小，且樁間土采用高壓旋噴樁作為止水帷幕。本工程的基坑設計關鍵在于對基坑支護結(jié)構(gòu)的水平位移進行控制，表2列出了基坑不同支護形式的對比。

經(jīng)過對比分析可知，結(jié)合變形控制和經(jīng)濟性的要求，本工程采用雙排樁加一道內(nèi)支撐的支護結(jié)構(gòu)形式，基坑支護和地鐵隧道剖面示意圖見圖2。

表2 基坑圍護結(jié)構(gòu)選型對比

3 基坑開挖對支護結(jié)構(gòu)和地鐵隧道的影響分析

3.1 理正軟件平面分析加支撐對基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響

圍護結(jié)構(gòu)計算按“先變形、后支撐”的原則，模擬施工開挖、支撐全過程分階段進行計算，計算時地面超載選取20 kPa。

采用理正軟件分析計算，得出設置支撐和未設置支撐情況下支護結(jié)構(gòu)的應力應變?nèi)鐖D3，圖4所示。

3.2 MIDAS/GTS三維數(shù)值模擬分析基坑開挖對支護結(jié)構(gòu)和地鐵隧道的影響

隧道初襯采用C20混凝土，二襯采用C25混凝土，襯砌厚度都為300 mm。土層計算參數(shù)見表1。

根據(jù)巖土工程條件和基坑實際狀況，取基坑開挖深度10.2 m區(qū)段為分析對象進行三維有限元分析。土體采用實體單元;樁體和支撐采用梁單元;冠梁和隧道襯砌采用板單元。有限元模型分析如圖5，圖6所示。

本文數(shù)值模擬采用的假定:

1）土體采用Mohr-Coulomb屈服準則;

2）在小變形情況下，認為結(jié)構(gòu)變形與土體變形相等，即始終認為隧道襯砌與土體是協(xié)調(diào)變形的，相互接觸，同時從保證安全的角度考慮，這樣的假設也是合理的;

3）由于右線隧道離基坑比較遠，本文只針對左線隧道進行了分析。

圖2 基坑支護與地鐵隧道剖面示意圖

圖3 未設置支撐下應力應變情況

圖4 設置支撐后應力應變情況

圖5 整體有限元模型圖

圖6 地鐵隧道有限元模型圖

基坑施工工況劃分:工況1，初始自重應力計算;工況2，修建地鐵隧道;工況3，施工雙排樁，基坑開挖2.8 m;工況4，中心島法開挖并預留12 m寬土臺，采用措施保護土臺;工況5，修建預留土臺旁地下室結(jié)構(gòu)，待完成后施工第一道混凝土支撐;工況6，跳挖法開挖預留土臺至坑底;工況7，修建臨近地鐵隧道側(cè)地下室結(jié)構(gòu)，加傳力帶;工況8，拆除支撐。

基坑開挖過程中，地面超載選取20 kPa。

一般情況下，基坑開挖過程中各工況中最關注工況6和工況8，即基坑開挖到底和基坑拆除支撐這兩個工況，根據(jù)本工程特點，工況8對變形的影響已經(jīng)很小，故主要針對工況6展開分析。對應于該工況支護結(jié)構(gòu)、土體和隧道水平位移以及隧道襯砌應力如圖7～圖14所示。

圖7 土體水平位移云圖（雙排樁）

圖8 土體水平位移云圖（帶撐雙排樁）

4 計算結(jié)果分析

由圖3，圖4和圖7～圖12可知，采用懸臂雙排樁支護的圍護結(jié)構(gòu)時，采用規(guī)范法平面分析支護結(jié)構(gòu)最大位移達到23.35 mm，三維數(shù)值分析的最大位移為21 mm，均超過了專家及地鐵業(yè)主方要求的20 mm。同時，地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大水平變形2.34 mm，發(fā)生在靠近基坑一側(cè)。采用帶撐雙排樁支護的情況下，規(guī)范法平面分析支護結(jié)構(gòu)最大位移4.68 mm，三維數(shù)值分析的最大位移為8.85 mm，都遠小于20 mm。其中，三維數(shù)值分析結(jié)果的最大位移比懸臂雙排樁支護結(jié)構(gòu)驟減了12.85 mm，減少62%，這說明設置支撐能顯著的控制雙排樁支護結(jié)構(gòu)的變形，在該種支護結(jié)構(gòu)下，靠近基坑的隧道結(jié)構(gòu)部分最大水平變形1.43 mm，比采用懸臂雙排樁減少了39%。

圖9 雙排樁結(jié)構(gòu)水平位移圖

圖10 帶撐雙排樁結(jié)構(gòu)水平位移圖

圖11 地鐵隧道的水平位移云圖（雙排樁）

圖12 地鐵隧道的水平位移云圖（帶撐雙排樁）

圖13 隧道襯砌Von-M ises應力圖（雙排樁）

圖14 隧道襯砌Von-M ises應力圖（帶撐雙排樁）

由圖13，圖14可知，兩種支護結(jié)構(gòu)下隧道襯砌應力相差不大，而且都遠小于隧道襯砌的屈服強度，因此可判斷襯砌結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

規(guī)范理論計算結(jié)果表明:懸臂雙排樁前排樁最大彎矩675.3 kN·m，后排樁最大彎矩1 187.3 kN·m。設置支撐后，前排樁最大彎矩475.41 kN·m，后排樁最大彎矩268 kN·m，分別降低了29.6%和77%。可見，加支撐后能使樁身彎矩分配更加合理，顯著減少樁身彎矩，從而節(jié)省樁身鋼筋及混凝土材料，減少了工程成本。同時，結(jié)合中心島法開挖，既能夠保證合理分區(qū)、分段施工，又可保證各工況條件下支護結(jié)構(gòu)的安全，并通過合理工序安排充分利用地下結(jié)構(gòu)物的支撐作用，達到了很好的技術經(jīng)濟效果。

5 結(jié)語

1）在基坑開挖卸載的過程中，隧道結(jié)構(gòu)靠近基坑側(cè)向坑內(nèi)的水平位移較大，需采取適當工程措施保證基坑及鄰近隧道的安全。

2）在嚴格控制變形條件下，帶撐雙排樁不僅能顯著控制圍護結(jié)構(gòu)的位移，保護緊鄰地鐵隧道的安全，而且能節(jié)省工程成本。

3）廣州淺巖地區(qū)的大面積深基坑開挖工程，當變形控制嚴格時，采用帶撐雙排樁支護結(jié)構(gòu)聯(lián)合中心島法開挖法能有效控制位移。本工程采用該設計方法，隧道結(jié)構(gòu)位移在廣州地鐵歷史最大監(jiān)測數(shù)據(jù)6 mm的安全范圍以內(nèi)，隧道襯砌應力處于較低水平，遠小于襯砌混凝土屈服強度。因此，該基坑開挖不會危及緊鄰地鐵隧道的安全。

［1］呂淑然，劉紅巖，袁小平.基坑開挖對臨近地下管線運行狀態(tài)影響分析［J］.工業(yè)建筑，2010（40）：686-689.

［2］李大勇，呂愛鐘，曾慶軍.內(nèi)撐式基坑工程周圍地下管線的性狀分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（4）：682-687.

［3］張宇.懸臂式基坑開挖對鄰近地下管線的影響分析［J］.天津城市建設學院學報，2010，16（4）：259-263.

Optim ization analysis of a building excavation adjacented to the subway tunnel in Guangzhou shallow rocky area

DAN Li-tang1LIU Shan-yin2ZHOU Shu-dong3

（1.Dongguan Rail Transit Co.，Ltd，Dongguan 523073，China;2.Guangdong Kelei Building Foundation Engineering Co.，Ltd，Dongguan 523112，China;3.Dongguan Institute of Building Research，Dongguan 523112，China）

To ensure the smooth implementation of a building excavation adjacent to the subway tunnel in Guangzhou shallow rocky area，while safeguarding the subway safe operation.The foundation pit supporting structure type are discussed，and the plane and three-dimensional numericalmethod analyze are used to analysis the influence of pit excavation on the subway tunnel after setting up additional support.The analysis showed that，with additional support，the double rows pile retaining structure with center island method can effectively control the displacement of the supporting structure and subway tunnels，and reduce the cost of the project.

shallow rocky area，building foundation pit，subway tunnel，optimization analysis

TU463

A

2012-05-02

但禮堂（1979-），男，碩士，工程師