相鄰基坑相互影響的數值分析

張軍,李昌輝,羅朝榮

(長沙理工大學 土木工程學院,湖南 長沙 410114)

近年來,地鐵及各類地下商場、地下通道、地下停車場等同時建設的現象越來越多,由于城市地鐵和地下空間的開發都處在商業中心地帶,建筑物密集,地鐵深基坑與鄰近建筑物近距離施工相互影響,可能影響既有建筑物的正常使用。

針對基坑開挖引起的應力場和位移場變化,Mana A.L.分析了圍護結構最大水平位移與基坑開挖深度及坑底土體抗隆起安全系數的關系；劉建航等的研究表明深基坑開挖未設置支撐的時間、基坑的空間尺寸等都會影響基坑的穩定性；劉燕分析了鄰近基坑開挖對老車站地連墻沉降的影響；李志高等分析發現既有基坑的存在會對新開挖基坑位移場產生一定遮擋作用；高廣運等指出地基加固體和地下結構物對鄰近基坑開挖產生的位移傳遞具有阻斷作用；吳水根等指出開挖對圍護結構及土體的影響深度約為2倍開挖深度,土體及圍護結構的最大位移隨著開挖深度的增大而增大,最大位移點逐漸下移,位移曲線近似呈弓形；張啟斌等研究發現基坑開挖卸荷后,基坑外側土體無論土的類別及歷史成因如何,其三軸試驗的抗剪強度指標均有所降低；劉錫儒等指出基坑分區開挖能控制地鐵隧道的變形；張國慶等分析發現隨著深基坑開挖深度的增大,周邊建筑的沉降增加,但開挖到一定深度后變形不再增大；謝沃等認為數值模型能較好地反映基坑變形特性。該文以兩鄰近基坑開挖為研究對象,通過三維數值分析,探討施工先后順序及基坑間距等對相鄰基坑變形的影響。

1 工程概況

長沙市南湖路地鐵車站基坑與某大型寫字樓基坑最近距離為10 m。車站基坑全長191.9 m,深度21.96～23.75 m,兩端頭井寬度為22.8 m,標準段寬度為18.9 m。兩基坑的位置關系見圖1、圖2。

圖1 兩基坑位置平面圖

圖2 兩基坑位置剖面圖(A′2－B′2截面,單位：mm)

根據勘察報告,地下水主要集中在卵石層中。各層土的主要物理力學指標見表1。

車站支護結構采用地下連續墻＋內支撐,地下連續墻厚度為1 000 mm、深度為25 m,車站內支撐采用鋼支撐和砼支撐。寫字樓基坑采用環梁、立柱、內支撐、圍檁的支護形式。

表1 土層的物理力學性質

2 基坑開挖數值模擬

利用有限元軟件MIDAS GTS建立三維數值計算模型,根據實際開挖過程設置不同施工工況,本構關系采用莫爾－庫倫模型。

2.1 有限元幾何模型的建立

建模時,x、y、z軸方向取基坑深度的3倍,靠近開挖區域內的土體網格劃分較密,遠離開挖區域的土體網格劃分稀疏(見圖3)。土體采用實體單元,地下連續墻采用板單元,鋼支撐采用桁架單元,砼支撐采用梁單元。計算參數采用勘察報告中的數值。

圖3 基坑數值計算幾何模型

2.2 數值分析方法

設置2種工況分析兩基坑開挖過程中的相互影響：1)車站基坑為既有基坑,只考慮寫字樓基坑的開挖；2)考慮兩基坑先后施工,車站基坑先于寫字樓基坑開挖,兩基坑間距分別為8、13、18、23 m。

2.3 計算結果分析

2.3.1 既有基坑對新建基坑圍護結構水平位移的影響

如圖4所示,寫字樓基坑遠側A1、A2、A3點的水平位移大于近側B1、B2、B3點的水平位移；寫字樓基坑遠側圍護結構發生正的水平位移指向坑內,近側圍護結構發生負的水平位移指向坑外；寫字樓基坑兩側土壓力不一致。

圖4 車站基坑遠側和近側各點的水平位移

2.3.2 既有基坑對新建基坑圍護結構豎向位移的影響

如圖5所示,寫字樓圍護結構A2、B2、C2、D2點均有一定抬升,其中C2、D2、A2點的沉降量與抬升量相差不大,但B2點相對較大,車站基坑的存在對近側B2點影響較大。

圖5 寫字樓圍護結構各點的豎向位移

2.3.3 既有基坑對新建基坑圍護結構后土體沉降的影響

如圖6所示,在前幾個工況中,寫字樓基坑周圍的土體均有一定沉降,隨后出現回彈,靠近地鐵車站一側的B2B2′斷面沉降減小,最大沉降發生在兩基坑之間；A2A2′、D2D2′、C2C2′斷面沉降量相差不大。

圖6 寫字樓基坑周圍土體的沉降

2.3.4 新建基坑施工對既有基坑水平位移的影響

如圖7所示,地鐵車站基坑地連墻的水平位移上部較大,下部較小；基坑兩側遠離寫字樓處的水平位移隨深度變化不大,而靠近寫字樓處的水平位移隨深度變化較大。

圖7 地鐵車站近側和遠側各點的水平位移

2.3.5 新建基坑施工對既有基坑豎向位移的影響

如圖8所示,車站基坑各點的沉降量都不大。開始幾個工況各點有一定沉降,其中a1、a2點沉降量較小,抬升現象明顯；其他位置的沉降量相對較大,且相差不大。寫字樓基坑開挖對車站圍護結構靠近寫字樓一側的沉降影響很小。

圖8 車站基坑各點的沉降

2.3.6 間距對基坑位移、沉降的影響

車站基坑先于寫字樓基坑開挖時,分析基坑間距分別為8、13、18、23 m(最近距離為5、10、15、20 m)時兩基坑的位移,結果見圖9～13。

圖9 不同基坑間距時車站基坑沿深度方向的水平位移

圖10 不同基坑間距時寫字樓基坑的豎向位移

圖11 不同基坑間距時車站基坑的豎向位移

從圖9可看出：遠離車站基坑A2點的水平位移基本不受基坑間距的影響,靠近車站基坑B2點的水平位移隨基坑間距的增大而增大。

從圖10可看出：不同基坑間距下寫字樓基坑遠側A1、A2、A3點的抬升量基本一致,基坑間距對寫字樓遠端的影響很小；而近側B1、B2、B3點的抬升量隨基坑間距的增大而減小。

圖12 不同基坑間距時車站基坑圍護結構沿深度方向的水平位移

從圖11可看出：車站基坑圍護結構a1、a2、b1、b2點的沉降量隨著基坑間距的增大而增大,對基坑間距的變化較敏感；車站圍護結構a3、a4、b3、b4點的沉降量基本不受基坑間距變化的影響。

圖13 不同基坑間距時地表沉降

從圖12可以看出：車站基坑圍護結構兩側a2、b2點的水平位移較接近,其值都隨著基坑間距的增大而減小。

從圖13可看出：最大沉降發生位置隨兩基坑間距的增大離寫字樓基坑圍護結構越遠,兩基坑間土體最大沉降量隨著基坑間距的增大而增大。

3 結論

(1)存在車站基坑的情況下,寫字樓基坑圍護結構近側和遠側的土壓力、水平位移相差較大。

(2)兩相鄰基坑之間土體沉降小于其他土體斷面的沉降,且最大沉降量位于兩基坑之間。

(3)開挖過程中,寫字樓基坑圍護結構會發生一定回彈,但回彈值不大。

(4)寫字樓基坑施工會對相鄰車站基坑造成一定影響,車站圍護結構整體處于下沉且呈指向寫字樓基坑變化的趨勢。

(5)隨著兩基坑距離的增大,車站基坑對土體沉降的阻礙作用越來越弱。