深大基坑上跨既有地鐵區間結構影響分析

于升才

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

[定稿日期]2017-01-17

隨著城市建設速度加快，城市土地資源十分緊張，各種高層建筑伴隨的深大基坑工程不斷涌現，城市中的深大基坑工程常處于大量市政工程和高層建筑密集區域，工程問題主要體現在施工場地緊湊和對已有建(構)筑物的影響[1-3]。同時，隨著城市地鐵建設速度的加快，在既有運營地鐵隧道附近進行施工基坑工程也不斷出現，地鐵隧道附近施工基坑工程會改變基坑周圍土體的位移場和應力場[4-8]，引起地表沉降和地層移動，進而對地鐵隧道結抅產生影響。因此，如何準確確定深基坑施工中基坑周圍土體的應力場和位移場，釆取有效的措施保證施工順利進行和周圍環境的安全，是巖土工作者面臨的一大任務[9]。

本文依托哈爾濱西站凱盛源廣場項目基坑工程，該基坑開挖深度較深，開挖面積較大，施工難度較高，國內尚未有深大基坑工程上跨地鐵區間結構的案例。分析過程中考慮基坑開挖與土體的相互作用，采用數值模擬計算方法研究了基坑工程上跨已建哈爾濱地鐵3號線區間隧道的影響，分析基坑開挖對既有地鐵區間隧道結構受力與變形及襯砌位移的影響。

1 工程概況

1.1 工程條件

哈爾濱西站凱盛源廣場項目基坑工程，基坑長約460m，左側基坑寬約105m，右側基坑寬約250m，基坑總面積約56 970m2，開挖深度11.50～22.00m，基坑緊鄰哈爾濱地鐵3號線哈爾濱大街站，并且跨越正在運行的哈爾濱地鐵3號線區間。

1.2 基坑開挖方式

本基坑工程依據設計要求采用明挖順做法施工，為減小基坑開挖對區間隧道結構穩定性影響和基坑開挖的安全，整個基坑開挖建設分為三期進行。其中Ⅰ期基坑工程深度22m，位于地鐵結構外邊線50m以外。Ⅱ期基坑工程深度18m，位于地鐵兩側50m范圍內，各基坑采用鉆孔樁隔離開，分坑分倉開挖，共分為8個小基坑。Ⅲ期基坑深度11.5m，位于地鐵暗挖區間正上方。其中Ⅰ期基坑大部分區域采用明挖法施工，其與Ⅱ期基坑交界處采用逆作法施工，以各層結構板作為支撐；Ⅱ期、Ⅲ期基坑采用明挖法施工，先開挖Ⅱ期基坑，待Ⅱ期基坑主體結構完成后再開挖Ⅲ期基坑，基坑開挖步驟見圖1所示。

2 上跨地鐵區間基坑工程開挖有限元分析

2.1 模型建立

利用MIDAS-GTS三維有限元軟件建立三維整體有限元模型，由于模型單元數眾多，計算量大，可能影響計算收斂，因此本次模擬中采用的三維數值模型，尺寸為650m(長)×500m(寬)×80m(高)，模型計算采用10節點四面體單元，共劃分單元799 775個，節點942 938個，計算模型基本尺寸及相應的位置關系見圖2所示。

模型中各層土體均按天然重度考慮，計算荷載包括結構及土體的自重荷載。土體模型的頂面為自由邊界，底面為豎向約束，四周為法向約束。土體本構關系采用摩爾庫侖本構模型，進行彈塑性計算，結構采用線彈性本構模型進行彈性計算。

2.2 模型計算假設

為了簡化數值計算同時也能夠抓住主要矛盾，使三維實體模型計算變得可行，作以下假定：

(1)將建筑基坑支護結構的灌注樁通過抗彎剛度折減等效成地下連續墻(即EI相等)；等效后再按其剛度進行50 %的折減。等效公式為：

式中：D為鉆孔灌注樁直徑(m)；t為樁間距(m)；h為等效地連墻厚度(m)。剛度折算計算示意圖見圖3所示。

(2)計算假定各層土體均為各向同性；

(3)土體進行彈塑性計算，混凝土結構進行彈性計算；

(4)采用施工步來模擬整個施工過程，考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時間效應。

圖1 基坑開挖步序圖

圖2 各結構相對位置關系

圖3 樁體剛度折算

2.3 計算參數選取

土體相關參數(表1)來自工程地質勘查報告和工程經驗取值。

分析中混凝土結構、基坑圍護結構、隧道車站結構均采用線彈性模型計算，管片結構采用C50鋼筋混凝土，圍護結構、襯砌等結構的力學參數選取見表2所示。

2.4 開挖步設置

為了準確的模擬基坑開挖對隧道的影響，計算采用動態模擬施工過程的計算方法。共分為以下主要步驟：

表1 土層計算參數

表2 模型結構體計算參數

(1)分步分區開挖隧道右側22m基坑(Ⅰ期基坑)1-5區，每層土開挖深度為3m(余同)；

(2)分步分區開挖隧道左側22m基坑(Ⅰ期基坑)1-4區，每層土開挖深度為3m(余同)；

(3)分步分區開挖隧道右側18m基坑(Ⅱ期基坑)1、2、3區；

(4)分步分區開挖隧道左側和右側18m基坑(Ⅱ期基坑)4、5區；

(5)分步分區開挖隧道右側18m基坑(Ⅱ期基坑)6區；

(6)分步分區開挖隧道頂部11.5m基坑(Ⅲ期基坑)；

(7)Ⅱ期基坑5區塔樓回筑。

Ⅰ期基坑大部分采用明挖法施工，與Ⅱ期基坑交界部分采用逆作法施工，以各層結構板作為支撐。Ⅱ期和Ⅲ期基坑均采用明挖法施工，開挖詳細步驟為開挖—施作支撐過程的循環，基坑開挖至坑底后，為拆除支撐和施作地下室樓板的過程，整個開挖過程共20個開挖步，具體分步分區過程如圖1所示。

3 模擬結果分析

3.1 基坑內土體隆起位移分析

基坑開挖以后，基坑底部土體由于卸荷作用產生豎直向的變形。基坑開挖完成后產生的位移最大，隧道左側、右側及頂部基坑開挖至坑底時土體豎直向位移見圖4所示。

圖4 基坑土體豎向隆起位移隨開挖階段的變化

從圖4可以看出，在基坑開挖過程中，基坑底部最大回彈量為21.46mm，發生在隧道右側I期22m基坑1區開挖至坑底時。開挖區間隧道上部基坑時，基坑底部隆起值為8.75mm。

3.2 隧道位移及變形曲線分析

水平位移及豎直位移見圖5、圖6所示。

圖5 隧道最大水平位移隨開挖步驟的變化

圖6 隧道豎直方向最大位移隨開挖步驟的變化

由圖5和圖6可以看出，基坑開挖過程中隧道水平變形在右側Ⅱ期18m基坑開挖中變形較大，最大值出現在第17步開挖過程，即右側Ⅱ期18m基坑6區基坑開挖過程中，其值為3.98mm，由于當第17步開挖完成后，右側基坑臨空面最大，側向土抗力最小，從而造成了隧道側向水平方向位移產生了最大值。隧道豎直方向最大豎向位移發生在第18步開挖時，即在隧道頂部Ⅲ期11.5m基坑開挖過程中，最大隆起值為1.82mm；最大沉降位移值為0.99mm，由于開挖卸載導致區間隧道上方土壓力減小，基坑頂部土體具有最大的臨空面，使隧道發生隆起，在基坑開挖結束時隆起達到峰值。

由于區間隧道上部基坑開挖過程中位移較大，提取該過程中隧道變形曲線。沿隧道方向每隔12m提取一次水平方向和豎直方向位移，區間隧道結構上部基坑開挖時沿隧道方向水平和豎直位移曲線見圖7所示。

圖7 區間隧道結構上部基坑開挖時沿隧道方向位移曲線

由圖7可以看出，基坑開挖區域區間隧道結構有明顯隆起，最大隆起值為2.52mm，每12m的最大水平差異位移為0.38mm，每12m最大豎直差異沉降為0.33mm。

因此，保持開挖臨空面穩定對控制開挖過程中區間隧道結構變形有一定的作用。同時，采用分區開挖方式，在區間隧道外部兩側區域土層應力相對釋放后，再對區間隧道上方基坑進行開挖，對控制區間隧道結構變形有良好的效果。

3.3 隧道結構內力分析

由數值模擬計算結果可知，基坑開挖過程中隧道結構最大Mises應力出現在隧道頂部11.5m基坑開挖至坑底時，其最大值為0.23MPa，具體計算結果見表3所示。

表3 隧道結構應力 MPa

為進一步印證基坑施工對地鐵造成影響程度的大小，將基坑施工前和施工后地鐵隧道的內力進行對比分析，分析其受力狀態是否發生變化，并驗證當前結構配筋是否滿足其裂縫要求，分析結果見表4所示。

經檢算，新增內力并未改變隧道結構的受力狀態，隧道主要呈壓彎受力，隧道段落結構配筋滿足正常使用極限狀態要求。

4 結論

通過對上跨地鐵區間隧道深大基坑開挖工程的數值計算結果及分析，可得出以下幾點結論：

(1)上跨地鐵區間基坑開挖對區間隧道結構產生一定的影響，主要表現為基坑開挖造成坑底隆起，帶動區間結構上浮，但影響程度較小，均在規范控制要求范圍之內。

(2)保持開挖臨空面的穩定對控制區間隧道的變形有一定作用，采用分區開挖方式，最后進行區間隧道上方基坑開挖工作，對控制區間隧道結構變形有良好的效果。

(3)施工期間加強上跨地鐵區間隧道監控量測頻率，保證基坑施工安全和區間隧道結構穩定性。

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