復(fù)雜條件下基坑開挖對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

□文/胡 鑫 劉 健

隨著地鐵周邊商業(yè)不斷開發(fā)，鄰近地鐵的基坑逐漸增多，在許多軌道交通較發(fā)達(dá)的城市，新建工程鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的情況增多[1～2]。基坑開挖在卸載過程中會影響周邊土體應(yīng)力及位移，因而，不僅要嚴(yán)格控制自身的變形[3]，還需要通過各種措施，確保鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的安全，在復(fù)雜條件下控制基坑變形并最大限度減小對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響顯得尤為重要[4～5]。

目前，長沙地區(qū)地鐵發(fā)展較快，鄰近地鐵周邊基坑也不斷增多，本文以長沙地鐵4號線一期工程圭塘站周邊某基坑為背景，充分考慮土體開挖的時空效應(yīng)，制定了圍護(hù)樁+內(nèi)支撐支護(hù)方案，結(jié)合實際場地的水文工程地質(zhì)條件，建立三維數(shù)值模型，對施工過程進(jìn)行動態(tài)模擬，通過現(xiàn)場監(jiān)測對比分析，對周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評價，以期對類似基坑工程的設(shè)計和施工起到指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程概況

長沙市軌道交通4號線一期工程圭塘站位于勞動?xùn)|路與萬家麗路交叉路口東側(cè)，與長沙地鐵5號線勞動?xùn)|路站進(jìn)行通道換乘，設(shè)有3 個出入口、2 組風(fēng)亭，其中1號出入口靠近旭輝國際廣場。由于旭輝國際廣場需與圭塘站進(jìn)行無縫對接，考慮到兩項目平面位置關(guān)系，擬在1號出入口與旭輝國際廣場地下商業(yè)間增設(shè)一地下通道。通道標(biāo)準(zhǔn)段外寬為7 m，距離旭輝國際廣場地下室約2 m，最小距離僅1.36 m。見圖1。

圖1 地下通道與圭塘站平面關(guān)系

旭輝國際廣場負(fù)一層埋深約5 m，負(fù)二層埋深約8.7 m，1 號出入口埋深約11.6 m。地下通道工程內(nèi)設(shè)置樓扶梯，將兩者連接起來，提升高度約6.6 m，其中最大埋深約15.7 m。見圖2。

圖2 地下通道縱剖面

車站范圍內(nèi)地質(zhì)由上至下依次是人工填土、含礫粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。地下水為第四系松散層上層滯水、孔隙潛水和基巖裂隙水。

地下通道基坑深5.6～15.8 m，寬7 m，采用直徑0.8 m、間距1.1 m鉆孔灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，圍護(hù)樁嵌固深度3.5～4.5 m，豎向設(shè)置2 道直徑609 mm、壁厚12 mm的鋼支撐，水平間距3.5 m。

2 計算模型

2.1 模型建立

三維數(shù)值計算采用巖土工程有限差分軟件FLAC3D，開挖單元及土體單元、1 號出入口及地下商業(yè)結(jié)構(gòu)均采用實體單元，基坑圍護(hù)樁采用pile 單元模擬，冠梁及鋼支撐采用beam 單元模擬。建模范圍內(nèi)包括1 號出入口及地下商業(yè)結(jié)構(gòu)（頂板、中板、底板、側(cè)墻等）、通道基坑及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系（圍護(hù)樁、冠梁、鋼支撐），模型寬75 m、縱向長50 m、深25 m、共有107 100 個節(jié)點(diǎn)，99 950 個單元，可以滿足計算精度要求。模型四周法向約束，底部固定約束，頂面自由，見圖3和圖4。

圖3 三維計算模型

圖4 基坑圍護(hù)體系模型

2.2 計算參數(shù)

1）土層參數(shù)見表1。

2）結(jié)構(gòu)參數(shù)。1 號出入口頂、底板厚700 mm，側(cè)墻厚600 mm，地下商業(yè)結(jié)構(gòu)側(cè)墻及底板厚300 mm，中板厚200 mm。見表2。

表1 巖土體參數(shù)

表2 計算結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 計算工況及初始應(yīng)力

為研究連接通道基坑開挖對1號出入口及既有地下商業(yè)結(jié)構(gòu)的影響，擬進(jìn)行以下工況的研究。

1）初始地應(yīng)力：考慮地層為原始應(yīng)力狀態(tài)，1號出入口及既有地下商業(yè)結(jié)構(gòu)未施工。

2）施工1 號出入口及既有地下商業(yè)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行應(yīng)力平衡計算，作為影響評估的初始狀態(tài)。

3）施通道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，開挖基坑至基坑底，此工況為最終工序。

對工況一、工況二不做展開分析，僅提取相關(guān)應(yīng)力結(jié)果作為后續(xù)影響評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見圖5和圖6。

圖5 1號出入口結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布

圖6 地下商業(yè)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布

初始狀態(tài)時1 號出入口結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為1 200 kPa，地下商業(yè)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為793 kPa。

2.4 通道基坑開挖的影響分析

通道基坑開挖后，土體位移導(dǎo)致1 號出入口、地下商業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏向基坑方向的位移，見表3和表4。

表3 周邊土體、結(jié)構(gòu)位移及支撐軸力計算結(jié)果要求

表4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果

由表3 可知，通道基坑開挖后，鋼支撐軸力最大值為488.5 kN。基坑開挖引起周邊土體產(chǎn)生水平和豎向位移，最大水平位移為4.04 mm，最大豎向位移為6.06 mm，滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》＜30 mm的控制要求。由表4可知，土體開挖引起的結(jié)構(gòu)位移較小，主應(yīng)力變化幅度最大為8.4%,均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐的形式，較好地控制住了基坑周邊土體位移，從而最大程度減少了對1號出入口及地下商業(yè)結(jié)構(gòu)的影響，保證了結(jié)構(gòu)安全。

3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

施工過程中對基坑周邊土體位移及支撐軸力等進(jìn)行了監(jiān)測。基坑施工完后，周邊土體最大水平位移為4 mm，豎向位移為6.8 mm。見圖7和圖8。

圖7 周邊土體水平位移變形結(jié)果

支撐軸力最大值為580.6 kN，在基坑開挖至基底時變形較大，通道主體結(jié)構(gòu)完成后趨于穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致且均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，鄰近結(jié)構(gòu)變形值也均滿足相關(guān)規(guī)范要求，證明數(shù)值計算采用的土體本構(gòu)模型及參數(shù)選取適合本項目地層，支護(hù)方案合理可行。

4 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬分析可知，采取圍護(hù)樁+內(nèi)支撐的支護(hù)方案，可將基坑開挖引起的的土體位移、支撐軸力、鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力變化值均控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，減小了基坑開挖對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響，確保基坑開挖結(jié)構(gòu)安全。

2）從現(xiàn)場施工后情況看，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢基本一致，施工期間的安全基本可控，基坑施工中未造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞，可知在復(fù)雜條件下鄰近地鐵結(jié)構(gòu)基坑開挖過程中，采取合適基坑支護(hù)方案，加強(qiáng)施工組織控制，能夠確保基坑挖開挖過程中鄰近結(jié)構(gòu)的安全，可為類似工程提供參考。