深基坑施工對鄰近地鐵附屬風井的影響及數值分析

任 玲

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

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深基坑施工對鄰近地鐵附屬風井的影響及數值分析

任 玲

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

如今地鐵建設如火如荼，和周邊建構筑物關系復雜多變。本文結合廣東現代廣告創意中心基坑施工的實例，通過數值模擬分析了深基坑施工對鄰近已運營的廣州地鐵二八號線附屬風井的影響，并采取有效措施保證地鐵隧道及車站附屬結構的安全，為后續類似工程提供參考。

深基坑； 地鐵； 數值分析

1 工程概況

1.1 廣美創意中心工程概述

廣美創意中心項目位于廣東省廣州市海珠區，建筑用地面積3 074.2 m2，總建筑面積為57 538.2 m2，其中地下建筑面積10 383.9 m2。該工程為一棟甲級寫字樓辦公建筑，地面以上21層，地面以上建筑物總高度為93.3 m；地面以下3層，主要為停車庫及設備用房，其中地下負3層為核六級人防地下室。

該地下室基坑設計深度14.20～15.45 m，支護周長357 m，安全等級為一級，根據周邊環境情況和地質條件的不同，基坑被分成6個支護設計區，分別為：1區，2區，3區，4區，5區，6區。基坑支護結構設計采用800厚地下連續墻，強度等級為C30，抗滲等級為P8，并采用全蓋挖逆作法施工。其地下連續墻作為圍護結構兼作永久結構的一部分，正常使用年限與主體結構相同。地連墻頂設置冠梁，冠梁截面為800×800。利用首層、負一層和負二層結構梁板做為內支撐，其中首層結構的主梁截面為350×700，次梁截面為250×600，板厚為180 mm。在地下室底板、梁和樓板等需要連接的部位設置預埋件，預埋件采用預埋錨筋和鋼板。

1.2 基坑與廣州地鐵二八號線的關系

廣美創意中心地下室基坑南側與地鐵二號線Ⅲa號通道相通合建；西南側緊鄰昌崗站2號風井，基坑邊距風井結構邊線最小間距約2.2 m；東南側緊鄰昌崗站3號風井，基坑邊距風井結構邊線最小間距約2.1 m； 西側為廣州地鐵二號線昌崗站～江南西站區間隧道，其基坑邊距隧道邊最小間距約31.9 m；東南側為廣州地鐵八號線曉港站～昌崗站區間隧道，其基坑邊距隧道邊最小間距約16.2 m；東北側為地鐵二、八號線聯絡線基坑邊距隧道邊最小間距約14.5 m(圖1)。

廣州地鐵二八號線隧道已于2009年7月19日全線貫通，其中廣州地鐵二號線昌崗站～江南西站區間及廣州地鐵八號線曉港站～昌崗站區間均采用淺埋暗挖法及噴錨構筑法施工，昌崗站～江南西站區間隧道拱頂覆土厚度約15.6～19.6 m，曉港站～昌崗站區間隧道拱頂覆土厚度約14.2～17.8 m，隧道均主要在強、中、微風化帶中穿越。

圖1 廣美創意中心基坑與廣州地鐵平面關系

2 數值模擬分析

2.1 計算方法

對于幾何形狀和圍巖初始應力狀態、地質條件都比較復雜的地下工程，一般需要采用數值計算方法，尤其是需要考慮圍巖的各種非線性特征和施工過程對地層穩定性影響時，采用基于巖土力學方法的有限元分析是有效的。

本次計算采用的FLAC和FLAC3D為基于顯式拉格朗日有限差分法算法的軟件，其原理清晰、適應性強，在巖土和水利工程的數值模擬中得到越來越廣泛的應用。

2.2 計算模型

由于廣美創意中心基坑規模龐大，但其開挖順序及步驟重復連續，而本計算重點是基坑深度方向上的開挖對車站附屬的影響，故在平面上選取了局部開挖基坑以對計算進行優化，減少模型體量，節省計算時間(圖2)。

基坑開挖及支護過程采用地層-結構模型模擬，連續墻、冠梁、支撐及主體結構、土體采用實體單元(zone)進行模擬。模型邊界約束其垂直于面的位移。連續墻嵌入段單元節點與基坑底部土體單元節點耦合連接，實現被動土壓力對連續墻的作用。

(a) 三維有限元模型及網格劃分示意

(c) 廣美創意中心基坑及2號風井剖析

(d) 廣美創意中心基坑及3號風井剖析圖2 計算模型

2.3 三維模型計算結果

由于本模型構件過多，為了更為清晰地顯示計算結果，以下均選取受基坑開挖影響最大的墻體作為分析對象。

(1)廣美基坑施工前2號、3號風井位移及應力云圖見圖3。

(a) X方向位移云圖(單位：m)

(b)Y方向位移云圖(單位：m)

(c)Z方向位移云圖(單位：m)

(d)X向應力云圖(單位：Pa)

(e)Y向應力云圖(單位：Pa)

(f)Z向應力云圖(單位：Pa)圖3 2號、3號風井位移及應力云圖

(a) X向位移云圖(單位：m)

(b)Y向位移云圖(單位：m)

(c)Z向位移云圖(單位：m)

(d)X向應力云圖(單位：Pa)

(e)Y向應力云圖(單位：Pa)

(2)廣美基坑2號、3號風井位移及應力云圖見圖4。

(f)Z向應力云圖(單位：Pa)圖4 2號、3號風井位移及應力云圖

2.4 結果分析

通過計算，2號、3號風井內力及位移變化見表1。

表1 2號、3號風井內力及位移變化

從圖3～圖4和表1中可以看出，由于廣美創意中心基坑施工，會引起基坑周邊土體應力重分布，從而對2號風井和3號風井的位移及應力均有一定程度的影響。由于2號風井基坑深度較之3號風井較淺，與廣美基坑間距也不及3號風井，故2號風井的位移及應力變化均沒有3號風井變化大。

在基坑開挖后，靠近施工基坑側的應力略有減小，遠離基坑側的應力略有增加，均變化不大，可能是由于開挖土體導致靠近施工基坑側的“卸載”作用；當廣美創意中心地面結構完工后，其地面荷載主要由廣美地下結構及地層承擔，從而對2號、3號風井結構的影響甚微。

由于地表最大沉降和基礎底部最大沉降均≤30 mm滿足規定允許值(一般城市地表沉降基準:+10～-30 mm)；從設計安全系數(重要性一級系數為1.1)的角度來分析，內力增加幅度均≤10 %，也能夠滿足結構受力要求。且風井結構最終的應力值均小于C35混凝土軸心抗拉強度設計值(ft=1.57 MPa)及軸心抗壓強度設計值(fc=16.7 MPa)。根據GB 50010-2010(2015年版)《混凝土結構設計規范》對混凝土強度設計值的規定，判斷主體結構滿足強度要求。

3 結論及建議

3.1 結論

從上述的三維模型計算結果可以得出以下結論：

(1)由于區間隧道埋深較深，均位于巖層，且距離基坑較遠，處于基坑開挖影響范圍之外，故對區間隧道影響不大。

(2)通過三維建模計算，由于基坑開挖導致車站附屬結構的內力及位移變化均滿設計安全要求，故在基坑施工安全以及各項監測數據滿足規范要求的前提下，可以保證地鐵隧道及附屬結構的安全。

3.2 建議

為保證地鐵隧道及車站附屬結構的安全，并減少基坑開挖對其的影響，建議處理措施如下：

(1)廣美基坑開挖時地面沉降及支護結構變形需滿足有關規范要求，并從嚴控制，保證基坑實施過程中不發生整體穩定性破壞、突涌及滲透破壞。

(2)廣美基坑開挖、支護、回筑及監測等各階段工作都應嚴格按照基坑有關要求執行。基坑開挖過程中，除應對基坑加強監測外，對在基坑兩倍深度范圍內的地鐵二八號線隧道及附屬結構應進行監測。

(3)基坑開挖過程中，若監測位移較大，建議從地面或基坑內對隧道和基坑圍護結構之間土體進行注漿加固。

(4)建議在基坑外并盡可能靠近地鐵隧道和車站附屬結構的區域設置土體深層水平位移監測孔。當基坑支護結構或周邊土體的位移出現異常情況或達到報警值時，應立即采取相應措施，以保證地鐵結構安全。

(5)應加強對靠近地鐵側水平位移及沉降變形的監測，并嚴格監測地下水位，當監測項目數據變化超過報警值時應及時通知設計、監理等有關部門以便分析原因，必要時采取有效措施進行處理。

(6)當發現隧道及附屬結構變形及位移接近或達到警戒值(須滿足地鐵運營方的要求)時，應立即停止基坑施工，并通知相關單位進行處理。

(7)在地鐵保護范圍內，不得采用沖孔和爆破等可引起震動的施工手段。尤其是鋼筋混凝土結構的拆除，禁止采用爆破拆除，必須采用機械切割或者人工破除，避免爆破震動對地鐵結構或區間隧道造成影響。

[1] GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S].

[2] 彭文斌. FLAC 3D實用教程. 機械工業出版社，2008.

2017年3月開始實施的工程建設標準(產品標準)

建筑隔墻用輕質條板通用技術要求(JG/T169-2016)

橋梁纜索用高密度聚乙烯護套料(CJ/T297-2016)

隔絕式氣體定壓裝置(CJ/T501-2016)

無線遠傳膜式燃氣表(CJ/T503-2016)

卡壓式銅管件(CJ/T502-2016)

數顯式粘結強度檢測儀(JG/T507-2016)

任玲(1985～)，女，碩士，工程師，從事隧道與地下工程工作。

TU431

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[定稿日期]2017-03-03