深基坑開挖對臨近地鐵的影響分析

張文奇

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510000)

0 引言

隨著城市軌道交通的迅速發展，地鐵出行所占客流比例逐年增長，作為現代城市交通的主要干線，地鐵工程投資巨大，一旦出現事故，會造成巨大的經濟損失和生命安全危害，因此地鐵的安全性十分重要，地鐵保護要求也極其嚴格。但由于城市建設發展的需要，在運營地鐵車站及區間隧道附近進行巖土工程活動已不可避免，其中就包括基坑開挖。新建工程的巖土工程活動，由于引起圍巖應力狀態再次重分布，從而導致一系列的力學行為變化，對鄰近已運營的地鐵車站及區間的穩定性產生影響，引起地鐵車站及區間的結構變形，由于內力分布、變形特性和影響因素的復雜性，需采用有限元軟件進行三維空間分析，以輔助設計與施工。

本文結合深圳地區一個毗鄰已運營地鐵車站及區間的基坑實際工程，采用ABAQUS有限元分析軟件，模擬基坑開挖的過程，結合計算結果，分析和評估基坑開挖過程中地鐵的安全狀態。

1 工程概況

本文所研究的工程為深圳某地下3層停車庫，停車庫南側臨近已投入運營的地鐵區間，西南側臨近已投入運營地鐵車站，停車庫主體采用框架結構，底板厚800 mm，中板厚150 mm，頂板厚250 mm，側墻－1層400 mm厚、－2層500 mm厚、－3層600 mm厚，基坑深約14.8 m，停車庫西側通過一地下1層接駁通道與地鐵車站連接，接駁通道基坑深約9.5 m。

如圖1所示，基坑長度為189.15 m，距地鐵車站風亭最近距離約6.61 m，距盾構區間最近距離約6.40 m。

圖1 基坑圍護結構總平面圖

2 工程地質及水文地質條件

2.1 工程地質

本場地原始地貌單元為殘丘坡地及低洼的沖溝地帶，殘丘坡地位于場地西側，地形從西到東由坡地逐漸降低到沖溝地帶，現狀地面已平整，鋪有水泥地面。鉆孔孔口地面標高介于5.59 m～7.79 m，高差變幅為2.20 m。

根據地質鉆探揭露情況，場地內自上而下的地層有:①素填土、②淤泥質粉質粘土、③-1含有機質粉砂、③-2含有機質粗砂、④粉質粘土、⑤含礫粘土、⑥礫質粉質粘土、⑦全風化粗粒花崗巖、⑧強風化粗?；◢弾r、⑨中風化粗?；◢弾r、⑩微風化粗粒花崗巖。

基坑底所在土層為⑥礫質粉質粘土。

2.2 水文地質

場地內地下水根據其賦存介質和埋藏條件可分為兩類:

1)存在于第四系全新統沖洪積層含有機質粉砂層、含有機質粗砂層中的孔隙水，其含水量較豐富、透水性較好，是本場地主要含水層;

2)存在于強風化花崗巖及中風化花崗巖中的裂隙承壓水，其含水量及透水性主要受基巖風化裂隙發育程度控制，埋藏較深，具微承壓性，整體為弱含水性、弱透水性地層。其余地層為弱含水、弱透水地層，可視為相對隔水層。人工填土雨季時賦存少量的上層滯水。

2.3 地質條件分析

1)基坑中上部存在厚度較大的粉砂、中砂層，基坑止水帷幕漏水有可能導致基坑周邊地下水位下降、流砂等不利影響，設計施工過程中需予以重視。2)基坑坑底為弱透水層，對基坑外側地下水位控制較有利。

3 基坑支護方案設計

3.1 基坑支護方案

地下停車庫所在場地平坦，地面設計標高為7.00 m，基坑深度約14.8 m。

地下停車庫所在地層中存在中砂、粗砂、礫砂層，基坑圍護方案必選如下:

1)人工挖孔樁存在一定的施工風險，對地鐵影響較大;

2)鉆孔咬合樁施工工藝復雜且巖層中施工進度慢，同時深基坑咬合樁下部易開杈，對施工要求較高;

3)鉆孔灌注樁需進行樁間旋噴止水，如旋噴止水質量不好極易造成涌水涌砂，危及基坑及地鐵的安全;

4)地下連續墻整體性較好，連接部位可通過工字鋼連接，止水效果好。

故地下停車庫基坑采用地下連續墻方案，同時，為保證南側地下連續墻成槽及基坑開挖過程中，對地鐵影響較小，連續墻外側施工攪拌樁止水帷幕。

考慮到地下停車庫基坑周邊建筑環境復雜，且地鐵車站與區間附近禁止進行錨索施工，故圍護結構水平受力體系主要采用內支撐方案。

綜上，地下停車庫主體圍護結構采用800 mm厚地下連續墻，支撐體系第一、二道支撐均采用鋼筋混凝土支撐，第三道支撐采用鋼支撐(局部采用混凝土支撐)，支撐設中立柱，距離車站風亭及盾構區間較遠處部分局部采用樁錨方案。

基坑圍護結構支護平面圖如圖2所示，基坑支護與地鐵的剖面圖如圖3所示。

圖2 基坑支護平面圖

圖3 基坑支護剖面圖

3.2 工程重點及難點

1)基坑開挖使周邊土體產生水平位移，地鐵結構在周邊土體的影響下隨之發生水平位移。2)采用傳統的理論計算無法得到定量的結果，需借助有限元數值計算，分析地鐵位移是否滿足地鐵保護的要求。

4 數值分析

4.1 計算假定

為了在一定精度范圍內簡化計算，現進行如下計算假定:

1)巖土體本構模型采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型;

2)結構體均采用線彈性材料，單元類型為梁單元和殼單元;

3)不考慮圍護結構開挖和降水對土體性質的影響，基坑開挖期間土體按不排水條件考慮，不考慮滲流和固結的影響;

4)咬合樁按照等效剛度法簡化為連續墻。等效連續墻的厚度h為

5)忽略土體與圍護樁體之間的相對位移，假定土體和支護樁無相對滑移，結構與土節點位移耦合;

6)彈塑性材料流動法則為相關聯流動法則;

7)假定北側現有停車場剛度足夠大，在新建基坑支撐軸力作用下產生的變形可忽略不計。

4.2 計算模型

使用ABAQUS有限元分析軟件進行分析，巖土體采用六面體實體單元模擬，連續墻、車站墻體、車站樓板采用殼單元模擬，圈梁(圍檁)、支撐和車站柱采用梁模擬。

計算模型的全貌及部分結構的局部網格模型圖如圖4～圖6所示。

圖4 模型全貌

4.3 分析步驟

通過6個荷載步模擬整個基坑開挖過程，各個荷載步如下:

1)初始荷載步:施加初始應力場;

2)開挖工況一:基坑主體圍護結構的施工，開挖第一部分土體至第一道支撐標高處;

3)開挖工況二:開挖第二部分土體(挖至第二道支撐高程)，施加第一道支護體系;

4)開挖工況三:開挖第三部分土體(挖至第三道支撐高程)，施加第二道支護體系;

5)開挖工況四:開挖第四部分土體(開挖至基底)，施加第三道支護體系;

6)開挖工況五:開挖通道部分土體(挖至坑底)。

圖5 支護系統

圖6 地鐵車站及區間

4.4 計算結果分析

4.4.1 圍護結構水平位移

取主體圍護結構南側相對最不利位置的水平位移進行分析，各個開挖步驟下水平位移沿深度變化曲線如圖7所示。

從圖7中可知，圍護結構節點整體水平位移曲線呈撓曲線分布，整體呈現中間大，兩端小的趨勢。隨著基坑開挖的進行，水平位移逐漸增大，最大水平位移約12.6 mm，通道土體開挖對該位置處圍護結構的變形影響不大，開挖-4和開挖-5步的曲線基本重合。

圖7 各工況下基坑圍護結構節點水平位移

4.4.2 地鐵車站及區間結構位移

由計算結果可知，在基坑開挖過程中，地鐵結構位移最大處主要集中于南側臨近開挖基坑的盾構區間隧道處，且豎向位移大于水平位移。

區間隧道沿隧道縱向的水平位移變化曲線如圖8所示。從圖8中可知，隨著基坑開挖的進行，水平位移逐漸增大，開挖完成后隧道的最大水平位移約4.6 mm，在圍護結構陽角位置附近隧道的水平位移稍小。

圖8 盾構區間水平位移

5 結論與建議

本文以深圳地區某臨近地鐵車站及區間的基坑工程為背景，采用ABAQUS有限元分析軟件，分析模擬了基坑開挖的全過程，得出如下結論:

1)在基坑施工的過程中，地鐵車站及區間產生的位移均在安全范圍內。

2)在基坑開挖的過程中對地鐵結構的影響主要是圍護結構的水平變形，開挖完成后圍護結構的最大水平位移為12.6mm;地鐵區間隧道的最大水平位移為4.6 mm，豎向位移僅為1.4 mm。

3)聯絡通道的施工對區間隧道的影響不大，但是對車站的影響較大。施工完成后車站中部的豎向位移增大至1.2mm，水平向位移增至1.7 mm。但車站的水平和豎向變形均小于區間隧道的變形。

4)區間隧道對圍護結構的變形較為敏感，建議在開挖過程中加強圍護結構變形監測，采取可靠的措施防止圍護結構變形過大，如采用剛度較大的鋼筋混凝土支撐，以及對區間隧道與圍護結構之間的土體進行一定程度的加固。

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