通過(guò)數(shù)值模擬確定鄰近深基坑開挖對(duì)既有地鐵車站的影響研究

通過(guò)數(shù)值模擬確定鄰近深基坑開挖對(duì)既有地鐵車站的影響研究

趙鎮(zhèn)林

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，地下空間的開發(fā)與利用越來(lái)越受到重視，因此產(chǎn)生大量位于城市繁華地段的基坑工程。而城市基坑工程周圍往往存在市政管網(wǎng)、地下管廊、地鐵車站等其他市政設(shè)施，施工環(huán)境非常復(fù)雜。此類基坑的開挖不僅涉及到基坑本身的安全與穩(wěn)定，同時(shí)還可能對(duì)臨近的建筑物、構(gòu)筑物造成影響。地鐵車站有嚴(yán)格的變形限制，而基坑開挖勢(shì)必造成周圍土體的變形，如果施工不當(dāng)，則會(huì)影響鄰近地鐵隧道的運(yùn)行甚至造成安全問(wèn)題。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

一、工程概況

擬建項(xiàng)目位于已運(yùn)營(yíng)武漢軌道交通2號(hào)線范湖站西南側(cè)，項(xiàng)目總建筑面積145641m2，地下73308m2，該基坑大面積開挖深度為22.7m，公寓塔樓區(qū)域開挖深度23.90m，酒店塔樓區(qū)域開挖深度24.4m；采用1000mm鋼筋混凝土連續(xù)墻+4道鋼筋砼內(nèi)支撐梁支護(hù)；底部均采用構(gòu)造連續(xù)墻做止水帷幕。連續(xù)墻嵌固深度位10m，基坑底部均采用構(gòu)造連續(xù)墻做止水帷幕，連續(xù)墻進(jìn)入中風(fēng)化巖層不小于1m。圖1為該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的平面布置圖：

二、模型的建立

建立三維計(jì)算模型，土體采用四面體單元；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用plate結(jié)構(gòu)單元模擬，支撐和立柱采用beam單元模擬；立柱樁采用embend單元，結(jié)構(gòu)與地層之間采用Goodman接觸單元模擬，接觸面強(qiáng)度折減系數(shù)采用0.65。放坡2.5m厚土層自重荷載取值48kpa，地面超載取20kpa。模型平面尺寸位300m×300m，高度為70m。模型邊界距離開挖面長(zhǎng)度大于3倍開挖深度。計(jì)算模型如圖2所示：

圖2 計(jì)算模型

三、計(jì)算結(jié)果分析

本次計(jì)算主要目的是分析地鐵周邊擬建深基坑施工對(duì)既有地鐵車站的影響，根據(jù)計(jì)算工況分別選取每個(gè)工況的地面變形及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行比較分析。

1.計(jì)算工況

（1）工況一：計(jì)算初始地應(yīng)力場(chǎng)；

（2）工況二：施做地下連續(xù)墻、加載放坡深度2.5m厚土層重力荷載。

（3）工況三：施做第一道桁架支撐，基坑開挖至第二道桁架撐標(biāo)高。

（4）工況四：施做第二道桁架支撐，計(jì)算基坑開挖至第三道桁架撐標(biāo)高。

（5）工況五：施做第三道桁架支撐，計(jì)算基坑開挖至第四道桁架撐標(biāo)高。

（6）工況六：施做第四道桁架支撐，計(jì)算基坑開挖至坑底標(biāo)高。

2.計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得出每個(gè)工況下的地連墻變形云圖及地表變形云圖。同時(shí)通過(guò)對(duì)各工況變形云圖分析研究可以了解到：工況六下各類變形均為最大，連續(xù)墻最大變形達(dá)到了68mm，地表最大變形達(dá)到了50mm，通過(guò)對(duì)各工況的比較可知：隨著基坑的不斷開挖，地表及連續(xù)墻變形不斷加大，當(dāng)開挖至基坑底部時(shí)，各類變形最大。

深基坑距離車站附屬結(jié)構(gòu)最近距離為20m，距離車站附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間的變形縫為48m。車站附屬結(jié)構(gòu)地板埋深為10m，因此重點(diǎn)考察三維模型中兩點(diǎn)的沉降量，A點(diǎn)：距離深基坑最近的附屬結(jié)構(gòu)底板邊緣點(diǎn)，B點(diǎn)：車站附屬結(jié)構(gòu)底板變形縫位置。通過(guò)這兩個(gè)點(diǎn)的沉降量可以考察車站附屬結(jié)構(gòu)及車站主體結(jié)構(gòu)的沉降變形情況。

基坑開挖至地面以下-9.4m標(biāo)高（第三道支撐標(biāo)高）后，開挖到坑底后，地鐵附屬結(jié)構(gòu)地板最大沉降為3.0mm，最小沉降為1.5mm，差異沉降為5.5mm。

基坑開挖至地面以下-14.9m標(biāo)高（第三道支撐標(biāo)高）后，開挖到坑底后，地鐵附屬結(jié)構(gòu)地板最大沉降為7.5mm，最小沉降為2.0mm，差異沉降為5.5mm。

基坑開挖至地面以下-20.0m標(biāo)高（第四道支撐標(biāo)高）后，開挖到坑底后，地鐵附屬結(jié)構(gòu)地板最大沉降為14.0mm，最小沉降為3.0mm，差異沉降為9.0mm。

基坑開挖到坑底后，地鐵附屬結(jié)構(gòu)地板最大沉降為14.0mm，最小沉降為4.0mm，差異沉降為10.0mm，地鐵車站主體沉降量小于4mm，差異沉降更小。

通過(guò)計(jì)算分析，深基坑開挖引起的車站主體結(jié)構(gòu)沉降量小于4mm，在變形控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)；車站附屬結(jié)構(gòu)最大沉降量為14.0mm，最小沉降為4.0mm，差異沉降10.0mm，盡管車站附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置變形縫，能夠消除一部分沉降變形對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，但是過(guò)大變形可能導(dǎo)致變形縫漏水。

四、結(jié)論

1.通過(guò)計(jì)算分析，地鐵周圍深基坑開挖引起的車站主體結(jié)構(gòu)沉降量小于4mm，在變形控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)；車站附屬結(jié)構(gòu)最大沉降量為14.0mm，最小沉降為4.0mm，差異沉降10.0mm，盡管車站附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置變形縫，能夠消除一部分沉降變形對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，但過(guò)大變形可能導(dǎo)致變形縫漏水。因此，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)水平向支撐剛度，尤其臨近地鐵車站一側(cè)基坑桁架支撐剛度，并加強(qiáng)地鐵附屬結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)，變形控制標(biāo)準(zhǔn)為6mm。

2.基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足的條件：（1）各層鋼筋混凝土桁架支撐最小水平向支護(hù)剛度不得小于30MN/m；基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平向變形不得超過(guò)40mm，否則應(yīng)采取其它措施減小基坑變形。（2）連續(xù)墻建議采用止水效果較好的剛性接頭形式；連續(xù)墻接縫及止水帷幕施工質(zhì)量極為重要，必須施工到位防止連續(xù)墻接縫漏水漏砂導(dǎo)致地鐵車站結(jié)構(gòu)發(fā)生較大沉降變形。（3）項(xiàng)目位于長(zhǎng)江一級(jí)階地，承壓水頭較高、水頭補(bǔ)給較快，基坑開挖過(guò)程中應(yīng)做到按需降水，加強(qiáng)地下水位監(jiān)測(cè)，保持地下水位低于開挖面1m左右即可，應(yīng)防止盲目抽水導(dǎo)致基坑內(nèi)外水頭差過(guò)大，引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)量變形或地連墻接縫涌水涌砂。

（作者單位：中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司）