深基坑開挖與緊鄰在建地鐵車站影響優(yōu)化分析

丁習(xí)富 師 海 孟小偉

(1.中國中鐵二院集團有限責任公司，四川成都 610031;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;3.中國中鐵二院昆明勘察設(shè)計研究院有限責任公司，云南昆明 650200)

0 引言

隨著我國城市地下空間及軌道交通的快速發(fā)展，在城市中心密集區(qū)遇到越來越多的深基坑工程，受到城市規(guī)劃及道路建設(shè)等的限制，既有建(構(gòu))筑物與深基坑、既有地鐵車站與深基坑、在建地鐵車站與深基坑、深基坑與深基坑等互相耦合、互相影響的問題越來越多，緊鄰在建及既有建(構(gòu))筑物的深基坑施工已成為基坑研究的問題之一［1］。目前對基坑開挖引起的地表已有建筑沉降控制標準及開挖工況的優(yōu)化進行了研究，但建筑密集區(qū)深基坑開挖對在建地鐵車站的沉降變形的綜合優(yōu)化研究有限［1］。因此在基坑設(shè)計和開挖過程中，如何有效地控制開挖過程引起鄰近在建地鐵車站的變形特性及內(nèi)力分布是至關(guān)重要的［2］。

由于開挖基坑與臨近在建地鐵施工邊界的復(fù)雜性，很難通過解析的方法求解其影響［3］，因此本文以臨近新城站的線網(wǎng)控制中心深基坑工程為背景，在確保地鐵車站及基坑安全的前提下，制定了安全、經(jīng)濟、施工可行的支護結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用有限元軟件Midas-sws和Plaxis綜合對比考慮了深基坑實際開挖工序，深入研究了深基坑與在建新城站的相互影響，并以此進行了優(yōu)化分析。

1 工程概況

控制中心為地面11層+地下4層混凝土框架結(jié)構(gòu)，該工程東南靠東莞大道，西南緊鄰西平二路和在建莞惠線新城站，東北緊鄰緯六路(規(guī)劃道路)，西北側(cè)靠近經(jīng)五路(規(guī)劃道路)。場地范圍內(nèi)無建(構(gòu))筑物，管線已經(jīng)全部遷改。控制中心工程與周邊環(huán)境關(guān)系詳見圖1。

新城站為地下3層島式車站，基坑平均開挖深度約為26.7 m，支護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，支撐體系采用三道混凝土支撐+三道鎖腳錨索，錨索最長為24 m，進入控制中心場地范圍22 m，車站目前處于開挖施工期間。

鑒于控制中心基坑及地下室結(jié)構(gòu)施工過程中對新城站的影響，同時考慮工期緊張等原因，控制中心分為A，B區(qū)先后施工，分界線距車站圍護結(jié)構(gòu)25 m(避開新城站錨索及考慮地下室柱跨的1/3處)。

圖1 基坑平面示意圖（單位：m）

A區(qū)基坑開挖深度為21.0 m，局部深坑區(qū)域為25.3 m，基坑開挖底面積約為4 142.5 m2;B區(qū)基坑開挖深度21.0 m，基坑開挖底面積約為1 436.4 m2。典型剖面詳見圖2。

圖2 基坑典型剖面示意圖

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

基坑開挖范圍內(nèi)主要土層依次分布見表1，基底主要位于全風化混合片麻巖以及砂質(zhì)粘土層中。場址范圍內(nèi)地表水不發(fā)育。地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水。綜合滲透系數(shù):0.56 m/d，判定基坑為弱透水土［4］。

表1 巖土物理力學(xué)指標

3 支護結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計及計算

本基坑開挖深度大，距新城站過近，地下連續(xù)墻整體性及抗?jié)B性能有較大優(yōu)勢，剛度大，控制變形有利，內(nèi)支撐平面桁架整體剛度大，穩(wěn)定性高，本基坑采用0.8 m地連墻+三道混凝土桁架支撐體系。

4 數(shù)值模擬

控制中心基坑在新城站近1 m處進行開挖施工，為確保新城站的安全，采用有限元軟件Midas-sws及Plaxis進行數(shù)值模擬分析，依據(jù)“上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定”［3］中關(guān)于“地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量≤20毫米(包括各種加載和卸載的最終位移量)”。

4.1 初始應(yīng)力場

基坑工程的有限元模擬，初始地應(yīng)力分布對計算結(jié)果具有非常大的影響。本工程有限元分析過程中，初始地應(yīng)力是通過給出一點的豎向應(yīng)力和側(cè)壓力系數(shù)來計算的，并假定豎向應(yīng)力按靜水壓力分布。程序協(xié)調(diào)初始應(yīng)力和外荷載之間的平衡，得到了原始場地無任何變形狀態(tài)下的初始地應(yīng)力場。

4.2 計算模型

1)地基土層的模擬:根據(jù)“基坑支護技術(shù)規(guī)程”，本基坑的模型總寬度為115.00 m，模型高度為55 m，取至⑩-4微風化混合片麻巖。

2)新城站地鐵車站結(jié)構(gòu)的模擬:地連墻、水平支撐、主體結(jié)構(gòu)用梁單元進行模擬，錨索采用植入式桁架單元進行模擬，結(jié)構(gòu)模擬計算參數(shù)見表2。

3)支護體系的模擬:支護體系包括豎向的支護結(jié)構(gòu)和水平支撐體系。本次計算支護體系采用800厚連續(xù)墻，墻插入深度為7 m，三道水平內(nèi)支撐采用平面梁單元模擬，參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)表

4)模型規(guī)模:計算模型的單元主要有8 702個巖土單元、774個結(jié)構(gòu)單元，共9 476個單元。

5)邊界條件［8］:土層單元土體采用平面單元，平面上部邊界為自由邊界，模型兩邊進行X方向約束，豎向進行Z方向約束，基坑開挖后對支撐梁自由端進行固定約束，有限元網(wǎng)格見圖3。

6)物理力學(xué)參數(shù)［9］:土層的粘聚力及內(nèi)摩擦角采用固結(jié)不排水剪值(總應(yīng)力指標)，本構(gòu)關(guān)系Midas采用M-C彈塑性模型，土體彈性模量取值變形模量的3倍進行計算，Plaxis采用H-S模型進行數(shù)值模擬計算參數(shù)見表2。

圖3 計算模型圖

4.3 計算工況

為了更加合理地模擬B區(qū)基坑施工對新城站的影響，本次基坑數(shù)值模擬共有15個工況，如表3所示。

表3 普通模擬工況

4.4 計算結(jié)果

4.4.1 基坑影響計算模型優(yōu)化對比分析

以Midas，Plaxis，理正三者計算數(shù)據(jù)進行對比分析，分析結(jié)果如表4所示，工況15DX方向位移如圖4所示，彎矩內(nèi)力圖見圖5。

表4 優(yōu)化后的最大位移和彎矩

圖4 工況15DX方向位移（單位：mm）

圖5 彎矩內(nèi)力圖（單位：kN·m）

從以上模型的優(yōu)化對比分析可以看出:

1)采用H-S模型考慮土體卸載模量，基坑豎向位移比M-C模型計算結(jié)果小;2)采用理正軟件計算的內(nèi)力值大于有限元內(nèi)力值，位移大于有限元。由于理正未考慮側(cè)向夾土有限壓力，導(dǎo)致土壓力偏大，引起連續(xù)墻彎矩內(nèi)力增大，變形增大。

4.4.2 地鐵車站影響分析

本文主要將B區(qū)基坑施工過程中新城站側(cè)墻內(nèi)力、車站側(cè)向位移及土體水平位移進行分析。具體分析計算結(jié)果詳見圖6，圖7。

圖6 土體側(cè)向位移圖

圖7 不同工況關(guān)系圖

通過以上數(shù)據(jù)表和關(guān)系曲線，分析結(jié)果如下:

1)計算得到新城站車站側(cè)墻最大側(cè)向位移分別為5.70 mm，基坑水平位移最大值為21.8 mm，滿足地鐵保護條例的要求，基坑變形在可控范圍內(nèi);

2)在基坑開挖過程中，側(cè)墻產(chǎn)生的最大彎矩為1 355 kN·m，按純彎曲構(gòu)件進行配筋計算，所需配筋面積小于側(cè)墻配筋，車站裂縫計算值在規(guī)范要求范圍以內(nèi)，滿足地鐵車站的強度要求。

4.4.3 1 m夾土不同加固方案影響分析

由于B區(qū)基坑與新城站之間1 m夾土對連續(xù)墻成槽，及后期受力均有影響，故采用sws針對旋噴樁加固先后順序進行模擬分析。從計算結(jié)果來看針對1 m夾土加固可以大大提高中間夾土的剛度，對于車站的水平位移限制有效保證，加固處理后，車站最大水平位移由11.8 mm降至5.7 mm(見圖8，圖9)。

5 結(jié)語

根據(jù)控制中心深基坑工程先后通過理正深基坑軟件計算分析確定支護類型，通過有限元軟件研究分析B區(qū)基坑與新城站的相互影響，經(jīng)數(shù)值模擬及理論綜合分析得到以下初步結(jié)論:

1)通過有限元軟件對比計算內(nèi)力及位移，理正在未考慮夾土有限土壓力作用的影響下計算連續(xù)墻彎矩內(nèi)力偏大及位移均偏大，故在今后設(shè)計中可針對局部夾土土壓力適當考慮折減;

圖8 夾土加固前后對比圖

圖9 土體加固車站最大水平位移對比

2)通過Midas與Plaxis對比分析:B區(qū)基坑開挖導(dǎo)致地鐵車站側(cè)墻內(nèi)力增大，車站側(cè)向變形，通過有限元計算，B區(qū)基坑施工過程中，新城站位移及地面沉降均小于20 mm，車站裂縫計算滿足規(guī)范要求，變形滿足上海地鐵保護條例標準;

3)1 m夾土空間考慮與周邊兩處連續(xù)墻剛度相差較大，通過有限元計算得知加固1 m夾土可有效降低B區(qū)基坑開挖對新城站的影響。

［1］劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］JGJ 120-2012，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］滬市政法(94)第854號，上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定［S］.

［4］DG/T J08-61-2010，上海建設(shè)規(guī)范基坑工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］張明遠，楊小平，劉庭金.臨近地鐵隧道的基坑施工方案對比分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2011(6):7-8.

［6］李 圍.隧道及地下工程ANSYS實例分析［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［7］姚燕明，周順華，陳力深.基坑開挖對既有地鐵車站影響的計算模式分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2003，33(10):54-56.

［8］姚燕雅，陳國興.滲流場—應(yīng)力場耦合作用下基坑三維數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2009(3):19-20.

［9］況龍川.深基坑施工對地鐵隧道的影響［J］.巖土工程學(xué)報，2000，22(3):82-83.