群坑效應對軌交影響的數值分析

于清善

(山東正元建設工程有限責任公司，山東 濟南 25101)

0 引言

具有多種城市功能的地下空間開發利用時，基坑開挖的形狀往往并不規則，深度也不一致，必將涌現出多種坑中坑、坑連坑的復合群坑形式，并且這些基坑與軌交基坑可能存在伴生或上下交疊等位置關系。地下綜合體與軌交共建無疑使得原本已相當復雜的大型群坑與軌交基坑進一步組合、疊加，成為更綜合化、更為棘手的大型多層次復雜群坑工程。

群坑工程在施工期間，不可避免的會對自身及周邊環境造成一定的影響，具體包括群坑開挖的耦合效應對周邊已有建筑及管線的影響、群坑中先后開挖的組合基坑間相互作用及影響、群坑開挖及支撐體系架設及拆除對已建基坑結構造成的破壞、漂移影響等。群坑區別于單一基坑的特點及其所帶來的諸多問題，稱為群坑效應。

上海月星環球商業中心工程設3層地下室，其中地下1層和2層都直接與軌交站相連。月星綜合體基坑的南側為擬建的軌道交通13號線金沙江路站［1］。由于13號線北側與月星綜合體工程緊密相鄰，車站北側和月星地塊南側共用地下連續墻。由于地鐵車站結構對變形的要求極其嚴格，與已有地鐵車站共用地下連續墻的深基坑工程施工難度極高，在保證開挖過程中車站結構的安全前提下，還要考慮群坑開挖耦合效應，控制車站墻體及其結構的位移在允許范圍之內［2］。

為了準確預測月星綜合體基坑工程開挖對鄰近地鐵車站的影響及造成的附加變形，采用巖土工程專業軟件進行基坑開挖過程的有限元模擬。取基坑南側與擬建的地鐵車站共用地下連續墻，進行二維彈塑性有限元計算，預測基坑開挖卸載對周圍環境的附加變形。

1 分析模型

通過對計算剖面的簡化分析，建立平面有限元模型進行數值模擬計算，對基坑開挖卸載作用對周圍的地鐵車站的影響進行預測分析。主要的簡化如下:

(1)初始應力場的模擬

根據勘察報告提供的不同土層剖面，考慮不同的土體分層條件和重度，計算基坑開挖前土體的初始應力場分布。同時，考慮了鄰近的地鐵車站開挖建設對初始地應力場的影響，模擬了地下連續墻圍護結構的施工和被動區的加固作用等影響因素。

(2)連續介質的模擬

通過已有的數值模擬經驗及對各種土體本構模型的對比研究，本次模擬采用土體硬化模型(Hardening-soil Model)。地鐵車站的混凝土框架結構、地下連續墻圍護等結構采用線彈性材料，同時采用Goodman接觸單元(應用于巖石力學中作為節理單元，后來被推廣應用于土與結構的共同作用、人工塊體結構的有限元計算中作為接觸面單元，由于其形式簡單，應用方便，目前被廣泛應用)考慮了土體和結構之間的相互作用。

(3)基坑開挖過程的模擬

通過有限元軟件的“單元生死”技術模擬基坑工程地下連續墻圍護體和被動區加固施工、各層土體的分層開挖以及各道混凝土支撐的施工過程，根據基坑工程順作法施工工況全過程模擬基坑開挖。

2 有限元模型的建立

(1)土體本構模型與參數

土體采用HS模型(HS模型是Hong and Stein于1999年提出的，簡稱HS模型，又稱統一理論模型)，并采用Mohr-Coulomb破壞準則(一種巖石破壞準則，非線性破壞準則)。HS模型應用于基坑開挖的分析時具有較好的精度和適用性。HS模型計算參數由勘查報告提供，剛度參數和高級參數則在勘察報告的基礎上根據大量類似工程的監測數據反演得到。

(2)結構參數

地下連續墻和灌注樁等圍護結構的材料參數按照混凝土選取，相應的截面積、慣性矩等幾何參數算到每延米來確定。逆作法時，考慮各層樓板厚度分別為:地下室頂板0.30m，地下室第一層和第二層底板0.25m，底板為1.20m。車站樓板分別為0.8m，0.4m，1.7m厚。

(3)接觸面單元

采用彈塑性無厚度Goodman接觸面單元模擬地下連續墻圍護體、隧道與土體和加固土體之間的相互作用。

(4)網格劃分

計算區域:幾何模型寬度為基坑以外2倍以上開挖深度范圍;計算深度為坑底以下2倍以上開挖深度范圍，采用三角形十五節點單元模擬土體、水泥加固體，采用梁單元模擬地下車站、地下連續墻等圍護結構。

(5)施工工況模擬

為了反映初始應力狀態及基坑開挖的施工過程，本次計算在土體初始地應力場的基礎上，先考慮地下車站施工過程引起的附加應力場變化，在此基礎上施工地下連續墻或者灌注樁等圍護結構，以及坑內被動區的土體加固，然后模擬各相應土層的開挖。

3 計算結果

基坑開挖對南側的地鐵車站的影響斷面的結構位置示意圖1如下。

圖1 基坑開挖對南側的地鐵車站的影響斷面的簡圖

數值計算過程見圖2，水平位移、豎向分布云圖見圖3～4，車站結構變形及彎矩圖見圖5、6。

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將有限元計算匯總于表1，結果表明對臨近結構水平位移為7.14mm，豎向位移5.6mm，變形較小，圍護結構水位位移為23.52mm，數據控制在安全范圍內。

4 結論

理論計算結果表明:對于地鐵車站，由于在基坑開挖時候，地鐵車站已經造好，車站的樓板會給公用的地下連續墻體提供較大的支撐剛度，因此，基坑開挖導致的地鐵車站的水平向和豎向變形均小于10mm，滿足地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量≤20mm的要求。需要說明的是，由于計算為平面計算，實際由于地鐵和區間隧道處的三維空間約束作用，且與地鐵車站和隧道向鄰的順作法基坑開挖區域面積較小，支撐施作時間不長，相對沉降值會比計算結果更小。

總之，結合理論預測結果并結合已有的工程經驗，該基坑方案能夠滿足基坑開挖對相鄰的輕軌和地鐵等構筑物的環境保護要求。

［1］趙琪.軟土地基條件下多層次復合基坑群高效施工組織研究［J］.建筑機械化，2012，(增):64-67.

［2］郎燕英.上海月星環球商業中心工程逆作法施工技術［J］.建筑施工.2011(06)