基于數(shù)值分析的臨近地鐵的深基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 欣

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

基于數(shù)值分析的臨近地鐵的深基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 欣

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

在臨近地鐵且周邊環(huán)境復(fù)雜的情況下，某深基坑利用三維數(shù)值模擬分析軟件，對深基坑開挖工況進(jìn)行模擬。通過模擬明確基坑開挖過程中支護(hù)體系的受力及位移情況，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用地鐵車站已有地下連續(xù)墻。經(jīng)施工監(jiān)測表明，該方案既滿足安全要求，又節(jié)約造價(jià)。

數(shù)值分析；深基坑；臨近地鐵

0 引言

隨著城市快速發(fā)展，城市交通壓力日漸增大，地下軌道交通因占地少，時(shí)效快等優(yōu)點(diǎn)受到追捧，越來越多的城市開始發(fā)展地鐵。因地鐵運(yùn)營較高的安全要求，在地鐵保護(hù)范圍內(nèi)的臨近基坑工程提出了很高的要求，傳統(tǒng)的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法往往滿足不了要求[1-3]，針對這一現(xiàn)狀，采用三維分析軟件Midas/GTS對緊鄰地鐵的基坑進(jìn)行開挖模擬，利用數(shù)值分析結(jié)果，為支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，在保證了地鐵安全的前提下，成功利用地鐵車站既有圍護(hù)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了造價(jià)，并對今后相關(guān)項(xiàng)目積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程簡介

1.1 周邊環(huán)境

該基坑位于福州市中心地帶鬧市區(qū)，北側(cè)、東側(cè)緊靠街道，西側(cè)為高層商業(yè)辦公樓(一層地下室)，南側(cè)連接已建25層商業(yè)辦公樓。新建建筑為舊百貨大樓的拆除重建，設(shè)有3層地下室，基坑開挖至底板墊層底的開挖深度約13.940m～14.440m,如圖1所示。

圖1 基坑所在位置圖

1.2 場地地質(zhì)條件

該場地地下土層分布及物理力學(xué)特性,如表1所示。

表1 各土層分布深度及物理力學(xué)指標(biāo)

對基坑有影響的地下水主要為頂部雜填土中的上層滯水，其補(bǔ)給來源為大氣降水、地表生活用水等，地下水位埋深0.90m～2.80m。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及模擬分析

(1)軟土層深厚，物理力學(xué)性質(zhì)差。該場地淤泥層分布厚度普遍超過10m，局部深度可達(dá)基坑底以下16m，淤泥呈流塑狀態(tài)，含腐植質(zhì)，有機(jī)質(zhì)，個(gè)別爛木等。

(2)基坑開挖深度大。局部承臺位置開挖深度達(dá)到15.1m。

(3)場地周邊情況復(fù)雜。場地北側(cè)緊鄰主干道，道路下方管線復(fù)雜，已知的就有雨、污管道，電纜，通信光纜等，場地南側(cè)、西側(cè)為大型辦公樓，分別設(shè)有3層、1層地下室，場地東側(cè)緊靠地鐵車站和地鐵軌道。地鐵線路對變形極其嚴(yán)格：結(jié)構(gòu)最大位移不超過20mm，隧道變形曲率半徑大于15 000m，相對彎曲不大于1/2 500，在開挖過程中對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求極高。

圖2 基坑模型圖

2.1 支護(hù)方案的選擇

基于以上情況，本基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級定為一級。本基坑設(shè)計(jì)中存在以下問題：

(1)該場地南側(cè)和東側(cè)直接與已建地下室相連，西側(cè)與已建地下室相隔10m左右，北側(cè)緊靠交通主干道，周邊地下室深度相差較大，基坑周邊土壓力差別很大，而地鐵對變形要求較嚴(yán)，以往的工程較少遇到類似情況，傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)軟件很難真實(shí)模擬開挖過程中的內(nèi)力和變形情況。

(2)基坑與地鐵車站之間，原計(jì)劃單獨(dú)設(shè)置1道地下連續(xù)墻，但能否對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，與地鐵車站共用地下連續(xù)墻，一直存在爭議。地鐵車站開挖深度超過15m，正常情況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠滿足我方地下室開挖的需求，但這種做法，省內(nèi)之前沒有先例，實(shí)際是否可行，還是未知數(shù)。

為此，在比選圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到周邊環(huán)境的特殊性及場地內(nèi)部的局限性，選定地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并采用三軸攪拌樁對地下連續(xù)墻進(jìn)行槽壁加固。

在選定支撐體系時(shí)，考慮到基坑形狀不規(guī)則，用地空間很小，不利于土方開挖，為了便于施工，采用了桁架對撐體系，并設(shè)置行車撐板。

2.2 支護(hù)方案的模擬和優(yōu)化

針對以上支護(hù)設(shè)計(jì)方案，該工程采用了Midas/GTS三維模擬軟件進(jìn)行整體分析，如圖2所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，基坑位移最大值位于北側(cè)，約為26.3mm(坑內(nèi)方向)，南側(cè)地下連續(xù)墻位移約為21.5mm(坑內(nèi)方向)。雖然基坑北側(cè)為主干道，行車荷載較大，基坑南側(cè)臨近三層地下室，傳遞到地下連續(xù)墻上的土壓力比較小，南北兩側(cè)土壓力相差較大，但地下連續(xù)墻并沒有發(fā)生向南側(cè)的整體位移，整體傳力路徑?jīng)]有異常變化，如圖3所示。西側(cè)、南側(cè)地下室外墻位移均小于5mm，均處在安全狀態(tài)，如圖4所示。

圖3 地下連續(xù)墻變形云圖

圖4 南側(cè)、西側(cè)大廈變形云圖

模擬中還針對與車站相鄰地下連續(xù)墻進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在與車站共用地下連續(xù)墻的情況下，基坑西側(cè)位移22.6mm(坑內(nèi)方向)，而地鐵地下連續(xù)墻因車站自身剛度較大，地下連續(xù)墻最大位移僅8.1mm(坑內(nèi)方向)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 實(shí)測結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，該基坑最終采用與地鐵車站共用地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)方案。在基坑開挖過程中，針對基坑圍護(hù)樁變形，道路及周邊建筑物沉降等進(jìn)行了全程監(jiān)測。基坑開挖至承臺底后的監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

從監(jiān)測資料可以看出，基坑的實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)差異不大，如圖5～圖7所示。實(shí)踐證明該基坑支護(hù)方案安全可行。

表2 位移統(tǒng)計(jì)匯總表

圖5 西側(cè)位移曲線圖 圖6 北側(cè)位移曲線圖 圖7 南側(cè)位移曲線圖

3 結(jié)論

(1)該工程地處福州鬧市區(qū)，周邊環(huán)境極為復(fù)雜，采用Midas/GTS進(jìn)行模擬計(jì)算、設(shè)計(jì)，并經(jīng)過嚴(yán)格的施工監(jiān)測，數(shù)據(jù)表明該支護(hù)形式實(shí)際變形與設(shè)計(jì)結(jié)果基本吻合。

(2)在臨近既有地下室的軟土深基坑中，不僅應(yīng)該對基坑單獨(dú)的剖面進(jìn)行分析，還應(yīng)該對基坑的整體位移進(jìn)行分析。因基坑外側(cè)土壓力分布不均，有可能使基坑四周發(fā)生位移差異甚至造成基坑失穩(wěn)，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用剛度大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，例如地下連續(xù)墻、大直徑灌注樁等。

(3)在深厚軟土地層中，利用已建地鐵車站地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中可行。地鐵車站建成后已完善墻柱樓板等結(jié)構(gòu)體系，在基坑開挖時(shí)可視為剛度很大的整體，可以很好地控制自身變形。

(4)在復(fù)雜環(huán)境下的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，采用三維數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬很有必要，傳統(tǒng)軟件僅針對單剖面進(jìn)行計(jì)算，無法判斷整個(gè)基坑的變形趨勢。

[1] 高廣運(yùn)，高盟，楊成斌，等.基坑施工隊(duì)運(yùn)營地鐵隧道的變形影響及控制研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010(3):453-459.

[2] 李康.基坑共用臨近地鐵車站既有地連墻的數(shù)值模擬[J].山西建筑，2016,42(28):80-82.

[3] 冉岸綠，李明廣，陳錦劍，等.共用地下連續(xù)墻深基坑影響下地鐵車站與隧道節(jié)點(diǎn)變形分析[J].隧道建設(shè)，2016，36(7):844-850.

Optimal design of deep foundation pit adjacent to subway station based on numerical analysis

LIXin

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)

When environment near the subway is surrounded by a complex structure, three-dimensional numerical simulation software is used for a deep foundation pit, which simulated the condition of deep excavation, clear the stress and displacement of the excavation supporting system and optimize the design according to the analysis results, by using the existing underground continuous wall in subway station. The construction monitoring shows that and this solution meets the safety requirements, but also save the cost.

Numerical analysis;Deep foundation;Near subway station

李欣(1987.1- )，男，工程師。

E-mail:54355250@qq.com

2017-02-17

TU447

A

1004-6135(2017)05-0065-03