基坑開挖對既有軌道交通區間結構的影響分析

黃河 ，方偉 ，朱圣元 （機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043）

0 前言

隨著我國城市各種地塊開發的廣泛建設，各種城市建筑結構縱橫交錯，基坑開挖不可避免地會對鄰近既有地鐵結構產生影響，基坑變形過大，會導致隧道結構產生較大位移變形，影響地鐵的正常運行。因此，近年來采用數值模擬等方法分析基坑工程對鄰近既有地鐵結構的影響問題已成為業內的一個重要課題[1-5]。本文采用數值模擬方法，考慮土體的非線性因素，采用放坡開挖形式，施加土釘墻圍護結構，模擬基坑支護體系與土體間的相互作用，研究了基坑開挖施工對既有地鐵區間結構的影響，分析了區間結構受力與變形，評價了基坑開挖對既有區間結構的安全影響。

1 工程概況

1.1 項目概況

商業住宅項目位于合肥市龍川路與唐模路東南角。擬建上部結構為高層住宅樓，下部為小區地下車庫，基礎采用整體式筏板基礎，其中主樓筏板基礎厚為1m，地庫筏板厚0.3m。該項目基坑工程支護周長約570m，基坑深度4.9～5.5m。

基坑北側毗鄰龍川路和軌道交通4號線大花區間，基坑周邊道路除龍川路以外均未投入使用，現狀為待開發用地。基坑北側侵入軌道交通影響控制區，坡頂距離4號線區間結構最小距離約17.14m，本基坑與軌道交通結構的平面位置關系詳見圖1。

圖1 基坑與軌道交通結構的平面位置關系圖

本基坑設計采用放坡開挖+土釘墻的支護型式，基坑開挖深度4.65～5.35m，放坡坡率1:0.8～1:1.0。鄰近軌道交通側基坑支護結構剖面如圖2所示。

圖2 鄰近軌道交通側基坑支護結構a-a剖面圖

1.2 工程地質條件

本工程場區現狀地形稍有起伏。實測勘探孔孔口高程在17.79～25.85m之間，最大高差8.06m。場地土自上而下分布有：①層素填土，層厚度0.4～7m；②層粘土，層厚度2.5～4.8m；③層粉質粘土，層厚度3.6～10.3m；④層粘土，4.4～20m；⑤全風化泥質砂巖，層厚度1.2～5.1m；⑥層強風化泥質砂巖，層最大厚度9.8m，土層物理力學指標見表1。

2 數值模型計算分析

2.1 計算邊界及網格劃分

為了較準確的反映基坑施工對地鐵區間結構附加變形影響，計算分析采用了二維及三維有限元分析方法，考慮土體的非線性因素，模擬基坑支護體系與土體間的相互作用。分析中，土體采用實體單元進行模擬，本構模型取用硬化模型（即HS模型）。

模型在縱向和橫向應取基坑開挖深度的2～3倍。計算時的邊界條件為：x軸方向采用x向約束，y軸方向采用y向約束，底部采用豎向約束，上表面為自由面。分別對計算模型進行網格劃分。

2.2 數值計算過程

根據施工次序、二維模型計算工況。

工況1：初始地應力平衡，施作區間隧道結構，位移清零；

工況2：開挖第一級土層；

工況3：施作第一道土釘，開挖至第二級土層；

工況4：施作第二道土釘，開挖至第三級土層；；

工況5：施作第三道土釘，開挖至基坑底；

工況6：施加地下室結構及上部結構荷載；

土層物理力學參數指標表 表1

圖3 二維建模示意圖

根據施工次序，三維計算中應包括如下計算工況。

工況1：初始地應力平衡；

工況2：施作軌道交通結構（含變電站結構及區間隧道）；

工況3：完成第一級土層開挖（地表至冠梁底標高），施作圍護樁；

工況4：開挖至第一道土釘標高，施作土釘；

工況5：開挖至第二道土釘標高，施作土釘；

工況6：開挖至第三道土釘標高，施作土釘；

工況7：開挖至基坑底；

工況8：施加上部建筑荷載。

圖4 三維建模示意圖

3 結果分析

3.1 二維模型計算結果

考慮初始階段，隧道已發生既有變形，根據現場調查及監測結果，基坑施工各工況下鄰近區間隧道結構的位移匯總如表2。

由數值模擬結果知，基坑開挖及上部結構施工對區間隧道結構的最大附加水平位移約0.64mm；受基坑開挖卸載的影響，鄰近基坑側區間隧道結構局部略有隆起，最大隆起量約-1.57mm。鑒于以上各工況累計變形位移值均低于控制值10mm，故按既定支護設計方案，基坑開挖對區間隧道結構的影響在可控范圍內。

3.2 三維模型計算結果

①基坑施工各工況對鄰近區間結構的位移影響匯總如表3。

由數值模擬結果知，基坑開挖對區間結構的最大附加水平位移約1.6mm，最大附加豎向位移為-0.26mm（下沉），以上各工況累計位移值均低于控制值10mm，故按既定支護設計方案，基坑開挖及回筑階段對區間結構影響較小。

各工況基坑施工對區間隧道結構的位移影響（累計值） 表2

各工況基坑施工對區間結構的位移影響 表3

區間隧道結構承載力及抗裂驗算 表4

②結構承載力及抗裂驗算分析

結構承載力及裂縫寬度按照《混凝土結構設計規范》計算。結構混凝土等級C35，抗拉鋼筋種類HRB400。各工況下，區間結構不同部位的最大彎矩、承載力及抗裂驗算見表4。

三維計算結果表明：各工況下，區間結構各部位的承載力及裂縫控制要求均可滿足要求，故基坑開挖對區間結構使用安全的不利影響可控。

4 結論及建議

通過對本項目基坑穩定性及基坑開挖對周邊環境的附加變形影響預測分析得出，地庫基坑施工項目既定支護方案能滿足地鐵4號線大花區間隧道的控制要求，設計方案合理，可確保基坑安全，具體結論如下：

①根據基坑變形及穩定驗算結果，本項目基坑的各項穩定性均滿足要求，基坑圍護最大水平位移及坑外地表最大沉降均滿足基坑變形控制要求；

②通過二維及三維空間有限元析，可以發現本項目基坑開挖對區間隧道會產生一定影響，但影響范圍及程度較小，采用放坡開挖及土釘墻支護形式，區間隧道產生的變形均能控制在正常變形范圍內；

③根據結構抗裂驗算結果，本項目施工期間對區間隧道內力影響較小，各工況下區間隧道裂縫控制均滿足規范要求。