深基坑施工對臨近地鐵車站穩(wěn)定與變形特性研究

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510641)

引言

近年來，城市地鐵建設正處在高速發(fā)展階段，地鐵車站作為地鐵運營節(jié)點，其安全性十分重要。由于城市建設發(fā)展的需要，地鐵車站不可避免的會受到臨近工程活動的影響，包括深基坑開挖等。

針對基坑開挖對臨近結(jié)構(gòu)的影響，國內(nèi)外很多學者進行了相關(guān)研究，主要通過理論分析[1]、數(shù)值模擬[2]、現(xiàn)場實測[3]等方法。其中結(jié)合工程實踐的數(shù)值模擬方法得到了廣泛的應用和發(fā)展，鄭剛[4]等結(jié)合天津市某鄰近既有隧道深基坑實測資料，研究了基坑施工對坑外既有隧道的影響規(guī)律；溫忠義[5]等對廣州某深基坑開挖對鄰近地鐵的影響進行了有限元模擬，并與實測結(jié)果進行對比分析；付江山[6]等采用FLAC3D有限差分數(shù)值模擬軟件，研究了超大基坑施工對臨近建筑的影響規(guī)律，并提出具體控制措施。徐長節(jié)[7]等基于Plaxis模擬分析了基坑開挖對建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降的影響程度。

從現(xiàn)有基坑工程相關(guān)研究方法來看，通過數(shù)值模擬可以有效分析基坑工程的整體性狀。隨著對基坑空間效應認識的不斷深入，基坑工程的三維空間性狀也得到日益廣泛的關(guān)注[8]。本文根據(jù)深圳某臨近地鐵車站深基坑工程，基于三維有限元分析方法，研究基坑開挖各個階段對對臨近車站產(chǎn)生的影響，從而為實際工程的設計施工提供理論和計算依據(jù)。

一、工程概況

本文研究的工程基坑支護工程周長為405.88m，開挖面積為9057.75m2，基坑深度約22.61m～31.31m，屬于深基坑工程。基坑主要采用“咬合樁+四道內(nèi)支撐”和“地下連續(xù)墻+四道內(nèi)支撐”的支護形式。工程北側(cè)與地鐵11號線車站緊鄰，東側(cè)則緊臨13號線車站。

本場地主要地質(zhì)條件及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1、2所示，由表1可知，基坑施工范圍內(nèi)存在強度較低的淤泥，對基坑支護會產(chǎn)生不利影響。

表1 土層物理力學參數(shù)

表2 支護結(jié)構(gòu)的力學參數(shù)

二、基坑開挖有限元計算與分析

如圖1所示，建立基坑開挖的三維有限元計算模型，本次分析主要在于新建基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)影響及基坑支護結(jié)構(gòu)力學特性分析，主要分析工況如下：(1)初始應力場計算；(2)11號線及13號線車站施工；(3)基坑支護樁、立柱施工；(3)基坑第一次開挖并施工第一道支撐體系；(4)基坑第二次開挖并施工第二道支撐體系；(5)基坑第三次開挖并施工第三道支撐體系；(6)基坑第四次開挖并施工第三道支撐體系(7)施工底板及各層頂板。詳細土層及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1及表2。

圖1 基坑開挖有限元計算模型

(一)基坑支護及地鐵車站結(jié)構(gòu)變形分析

表3 基坑開挖各階段結(jié)構(gòu)位移最大值匯總

表3為基坑開挖各個階段基坑支護結(jié)構(gòu)、11號線及13號線車站結(jié)構(gòu)的位移最大值，由表可知：

1.本項目基坑開挖施工過程中，支護結(jié)構(gòu)最大位移為20.93mm，位置在基坑西側(cè)，基坑最大位移小于《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)中規(guī)定的深層水平位移控制值(40mm)。

2.受基坑開挖施工影響，11號線車站X向位移最大值4.87mm，車站Y向位移最大值為6.45mm，13號線車站X向位移最大值6.91mm，車站Y向位移最大值為2.86mm，且大部分集中在車站中部靠近基坑附屬部分，主體絕大部分位移都在1～2mm。車站結(jié)構(gòu)位移小于《地鐵運營安全保護區(qū)和建設規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法》(2018年版)中的限值10mm。

(二)地鐵車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

由于基坑的開挖會使地鐵車站側(cè)墻產(chǎn)生一定的增量位移，在增量位移的影響下，需要對側(cè)墻的承載能力進行驗算。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，由已知地鐵車站側(cè)墻的配筋可以按下式計算：

α1fcbx=fyAs

(1)

(2)

根據(jù)式1及式2，可以得出地鐵車站側(cè)墻的抗彎承載力設計值為827kN·m。由圖2可知，地鐵車站側(cè)墻的最大彎矩變化值為17.16kN·m，遠小于最大設計抗彎承載力，地鐵車站側(cè)墻是安全的。

圖2 地鐵車站側(cè)墻主體結(jié)構(gòu)彎矩變化值(最大彎矩)

三、結(jié)語

本文以深圳某臨近地鐵車站的基坑工程為實例，采用實際工程的施工工況，運用有限元方法分析方法模擬了基坑開挖的全過程。分析結(jié)果表明，本項目基坑開挖對基坑支護結(jié)構(gòu)及臨近地鐵車站存在一定的影響，但均滿足相關(guān)建筑規(guī)范規(guī)定的位移及內(nèi)力限值，而針對位移及內(nèi)力出現(xiàn)極值的施工階段應尤其注意，在實際施工過程中應做好實時監(jiān)測，保障基坑支護結(jié)構(gòu)及地鐵車站結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。同時，采用數(shù)值計算的方法可以很好的分析各個階段基坑支護結(jié)構(gòu)及臨近結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力分布，結(jié)合實際工程實際的數(shù)值模擬分析是必要的，為工程的設計施工提供理論計算和分析依據(jù)。