緊鄰既有地鐵車站大型深基坑開挖影響分析

王斌（安徽省綜合交通研究院股份有限公司，合肥 230001）

緊鄰既有地鐵車站大型深基坑開挖影響分析

王斌
（安徽省綜合交通研究院股份有限公司，合肥 230001）

依靠有限元分析軟件，采用二維及三維模型，考慮基坑開挖時土體硬化過程，研究某大型深基坑開挖對緊鄰既有地鐵車站影響。通過分析地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力、水平及豎向位移隨基坑開挖深度不同變化，得知基坑開挖至基坑底部時，既有地鐵結(jié)構(gòu)位移為最大值并滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)裂縫在整個基坑開挖過程中滿足規(guī)范要求。這對類似工程具有參考價值。

有限元分析；大型深基坑；地鐵車站

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.008

1　引言

地鐵作為現(xiàn)代城市的交通主要干線，其安全性尤其重要。近年來，隨著地下空間的不斷發(fā)展，在已建的地鐵周邊或緊鄰地鐵車站修建地下工程不可避免。為了控制新的地下工程的修建對已建地鐵工程的影響，嚴(yán)格要求新建工程施工過程中地鐵工程耐久性及運營安全，至關(guān)重要[1，2]。地下工程結(jié)構(gòu)耐久性主要體現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫要求；有效控制工程建設(shè)對地鐵結(jié)構(gòu)的附加位移是地鐵工程運營的安全保障。本文將以某一緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)的大型地下室基坑實際工程為背景，采用二維及三維有限元分析模型，分析開挖全過程中對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，為設(shè)計和施工提供可靠依據(jù)。

2　工程概況

某地下室基坑長約107～121m，寬約106～113m，結(jié)構(gòu)形式為地下3層框架結(jié)構(gòu)。臨近車站基坑深17.6～19.2m，基坑中部局部深約20.5m，坑底位于風(fēng)化砂巖中。基坑采用明挖順作法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000mm@1600mm鉆孔灌注樁（部分為1500mm@1800mm灌注樁）+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案詳見圖1。基坑圍護(hù)樁底位于中風(fēng)化砂巖層中。

基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜，其中北側(cè)為地鐵車站主體結(jié)構(gòu)、區(qū)間隧道、風(fēng)亭及出入口，其中風(fēng)亭與出入口合建。地鐵車站主體結(jié)構(gòu)為地下2層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)埋深為17.065～20.102m，與地下室基坑最小距離為6.7m。風(fēng)亭及出入口結(jié)構(gòu)埋深約為12.232m，其中風(fēng)亭南側(cè)結(jié)構(gòu)與地下室基坑緊臨，地下室北側(cè)部分基坑利用風(fēng)亭先行施工的800mm@1000mm灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。車站主體結(jié)構(gòu)已基本施工完畢，風(fēng)亭和出入口在地下室北側(cè)基坑開挖之前完成主體結(jié)構(gòu)施工。

圖1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案

3　計算參數(shù)及評價標(biāo)準(zhǔn)

3.1計算參數(shù)

本次采用M IDAS/GTS（巖土與隧道分析系統(tǒng)）有限元軟件進(jìn)行分析。二維有限元模型中，土體采用平面應(yīng)變單元，混凝土支撐、圍護(hù)樁、結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬；三維模型中，土體采用三維實體單元模擬，混凝土支撐采用梁單元模擬，其他結(jié)構(gòu)均采用板單元模擬，材料按照線彈性來考慮。其中，為反映初次加載-卸載-再加載之間的土體剛度差別，雜填土、黏土采用H-S模型[3]，全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖采用摩爾庫倫模型。土層材料參考地質(zhì)報告，取值見表1。①層雜填土及②層黏土H-S模型中，與模量應(yīng)力水平相關(guān)的冪指數(shù)m= 0.5，參考應(yīng)力pref=0.1MPa，破壞比Rf=0.9。

表1　土層參數(shù)表

3.2評價標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)

按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120—2012)規(guī)定：本次基坑開挖深度為19.2m，基坑安全等級定為一級；基坑與地鐵車站風(fēng)亭結(jié)構(gòu)共用圍護(hù)樁，基坑環(huán)境保護(hù)等級定為特級，控制標(biāo)準(zhǔn)為坑外地表最大沉降量≤0.10H%，圍護(hù)樁體最大水平位移為0.10H%，H為基坑深度。

3.2.2車站附加變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)有關(guān)規(guī)定并參照國內(nèi)其他城市軌道交通建設(shè)及運營經(jīng)驗，該基坑施工對軌道交通車站影響的控制標(biāo)準(zhǔn)為：鋪軌前，豎向沉降20mm、水平位移20mm；鋪軌后、試運行前，豎向沉降10mm、水平位移10mm；試運行后，豎向沉降5mm、水平位移5mm。

3.2.3車站結(jié)構(gòu)裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)裂縫驗算控制，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）計算。根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范及相關(guān)要求，結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度允許值為：迎土面0.2mm；背土面0.3mm。

4　有限元計算分析

4.1計算模型

模型在縱向和橫向應(yīng)取基坑開挖深度的2～3倍。計算時的邊界條件為：x軸方向采用x向約束；y軸方向采用y向約束；上表面為自由面。計算模型如圖2、圖3所示。

圖2　二維有限元模型

圖3　三維有限元模型

4.2計算工況

根據(jù)施工先后次序，計算中應(yīng)包括如下計算工況：

1）開挖至第1道支撐下；

2）施工第1道混凝土支撐，開挖至第2道支撐下；

3）施工第2道混凝土支撐，開挖至基坑底；

4）施工地下室負(fù)2層結(jié)構(gòu)；

5）拆除第2道混凝土支撐，施工地下室負(fù)1層結(jié)構(gòu)；

6）拆除第1道混凝土支撐，施工地下室頂板。

4.3計算結(jié)果

1）二維有限元計算結(jié)果(見圖4～圖7)

圖4　地表沉降變化圖

圖5　圍護(hù)樁位移變化圖

圖6　主體結(jié)構(gòu)位移變化圖

圖7　附屬結(jié)構(gòu)位移變化圖

計算結(jié)果表明：基坑的最大水平位移7.6mm<0.10%H（0.10% H）=0.10%×19 200=19.2mm）；坑外地表的最大豎向位移1.76mm<0.10%H(0.10%H=0.10%×19200=19.2mm)，滿足一級環(huán)境保護(hù)要求。整個施工階段，車站主體結(jié)構(gòu)的最大附加豎向位移為2.80mm，最大水平位移為0.87mm；風(fēng)亭結(jié)構(gòu)最大附加豎向位移為9.59mm，最大附加水平位移為0.86mm。

2）裂縫計算結(jié)果

根據(jù)計算得出既有車站主體及附屬結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)力，經(jīng)驗算，迎土面最大裂縫寬度為0.18mm＜0.2mm，滿足要求。

3）三維有限元結(jié)果(見圖8～圖11)

圖8　地表沉降變化圖

圖9　圍護(hù)樁水平位移變化圖

圖10　主體結(jié)構(gòu)位移變化圖

圖11　附屬結(jié)構(gòu)位移變化圖

計算結(jié)果表明：基坑的最大水平位移13.3mm<0.10H%（0.10%H=0.10%×19200=19.2mm）；坑外地表的最大豎向位移1.67mm<0.01H(0.10H%=0.10%×19200=19.2mm)，滿足一級環(huán)境保護(hù)要求。

整個施工階段，車站主體結(jié)構(gòu)的最大附加豎向位移為2.29mm，最大水平位移為8.68mm；2號風(fēng)亭結(jié)構(gòu)最大附加豎向位移為9.81mm，最大附加水平位移為8.68mm；區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大附加豎向位移為1.86mm，最大附加水平位移為9.55mm（見圖12）。既有車站結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大水平、豎向變形均小于控制經(jīng)驗值10mm，理論上表明施工對既有建筑物的影響處于安全范圍。

圖12　隧道結(jié)構(gòu)位移變化圖

5　結(jié)論

本文結(jié)合實際工程實例，分析了基坑開挖對既有地鐵車站結(jié)構(gòu)影響，得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)計算分析，本項目施工滿足軌道交通試運營前的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，故本項目需在軌道交通工程試運營前完成地下室主體結(jié)構(gòu)施工；

2）基坑開挖過程中，地鐵車站結(jié)構(gòu)裂縫變化較小，能滿足規(guī)范要求；

3）地鐵結(jié)構(gòu)附加位移隨地下室基坑開挖深度逐漸增大，基坑開挖至底時，附加位移最大；地下室結(jié)構(gòu)施作階段，地鐵結(jié)構(gòu)附加位移變化較小；

4）基坑開挖過程中，地鐵結(jié)構(gòu)具有水平方向向基坑內(nèi)變形趨勢，豎直方向向上隆起變形趨勢；其對類似工程具有參考價值。

【1】曾遠(yuǎn)，李志高，王毅斌.基坑開挖對臨近地鐵車站影響因素研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2005,4（1）：642-645.

【2】朱正峰，陶學(xué)梅，謝弘帥.基坑施工對營運地鐵隧道變形影響及控制研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2006,2（1）：128-131.

【3】王衛(wèi)東，王浩然，徐中華.基坑開挖數(shù)值分析中土體硬化模型參數(shù)

的試驗研究[J].巖土力學(xué)，2012,22（8）：2283-2290.

Analysis of Large Deep Foundation Pit Excavation Adjacent to Existing Metro Station

WANG Bin
（AnhuiComprehensiveTransportationResearch InstituteCo.Ltd.,Hefei 230001,China）

Consideringsoilhardeningprocessofexcavation,the two-dimensionaland three-dimensionalmodelswere constructedw ith the finiteelementanalysissoftware toanalyzea largedeep foundation pitexcavationonadjacentto the existing subway station.Through analysis of change of the subway structure internal force,horizontal and vertical displacements,Itisconcluded thatitsdisplacementsachievesmaximum valueandcanmeetthecontrolstandards,and the structural cracks satisfies the specification requirements at the whole structure of the station.The analysis can provide referenceforsim ilarengineering.

finiteelementanalysis;thelargedeep foundation;subwaystation

U231.3;TU473.2

A

1007-9467（2016）11-0039-04

王斌（1987～），男，安徽宣城人，工程師，從事地下隧道工程設(shè)計與研究。

2016-05-27