基于MIDAS/GTS NX的地鐵安全評估應用

涂儒杰 林環周 張錚太

(中建四局建設發展有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著城市發展，運營的地鐵線路越來越多，臨近地鐵開發的工程項目也越來越多。一般來說，基坑施工會對地鐵既有結構造成一定的影響，有可能產生一定的變形，嚴重者甚至造成一定的損壞。因此，為了保護地鐵既有結構穩定和安全，本文通過MIDAS/GTS N軟件，對基坑開挖施工全過程進行模擬和結果分析，對各施工階段的安全性作出評價[1]。

1 工程概況

1.1 工程介紹

該臨近地鐵工程項目位于福建福州，項目擬建15棟1F-23F住宅、商業樓，建筑面積102 529.2 m2，設地下室一層，基坑開挖深度1.5 m～3.85 m，基礎采用預制管樁(管樁長度約40 m)+承臺的形式。基坑鄰近6號線樟嵐站車站，北側距2號風亭C號出入口約9.6 m，距D號出入口約10.6 m；西側距樟嵐車輛基地擋墻外邊緣4.9 m，距車輛基地工程樁外邊線最近為9.9 m，車輛基地有一排水箱涵橫穿(圖1)。

基坑支護安全等級為二級，基坑支護形式采用以下形式，場地北側靠近樟嵐站位置采用單排豎向錨管+放坡支護形式(3-3剖面單軸水泥攪拌樁)，其余位置采用放坡支護形式并采用噴射掛網護面。如表1所示。

1.2 地質概況

場地位于福州市倉山區城門鎮樟嵐村，為山前平原地貌單元。場地原為耕地(菜地)，后期利用為地鐵施工場地，進行了相應的回填、平整。現有地面標高約為5.583 m～9.434 m。

圖1 項目與地鐵結構相對位置關系平面圖

表1 基坑支護設計概況

圖2 1-1剖面圖

圖4 3-3剖面圖

圖5 4-4剖面圖

圖6 5-5剖面圖

地下水分為賦存于素填土的表層潛水(上層滯水)和基巖裂隙水，勘探測得初見水位埋深距現地表0.9 m～2.8 m，穩定水位埋深距現地表0.8 m～2.6 m，預計地下水位在工程施工后的年變幅約為0.5 m～1.0 m。

2 模型建立

2.1 計算模型

本工程綜合判定項目安全影響等級為一級，使用專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 對基坑開挖進行模擬計算，分析其影響程度。模型采用三維實體單元模擬土層，采用板單元模擬車站結構、隧道襯砌、擋墻、箱涵；植入樁單元模擬車輛基地工程樁。計算有限元模型尺寸以項目基坑的外輪廓為基準，外擴一定距離，以消除模型尺寸對計算結果的影響(模型長380 m，寬280 m，高60 m，如圖7所示)。同時為確保計算精度，模型進行了如下處理：

圖7 整體模型軸視圖(380 m×280 m×60 m)

(1)根據等效剛度原則，支護樁等效為地下連續墻。

(2)考慮隧道襯砌接頭的影響，襯砌結構剛度折減15%。

土體材料本構模型取修正莫爾-庫倫模型，土層和結構材料參數按照地勘報告和工程設計方案確定，如表2～表3所示。

表2 土層材料屬性表

續表

表3 結構材料屬性表

2.2 邊界條件

模型頂部邊界為地表自由面，底部約束豎向位移，模型左右兩側約束水平向位移，自重荷載取重力加速度。

2.3 工況設置

根據施工順序將基坑開挖分為3個施工工況進行模擬：

(1)工況一：基坑未開挖，初始地應力平衡；

(2)工況二：既有地鐵結構完成，即激活車站結構、隧道襯砌、擋墻、箱涵、樁等單元；

(3)工況三：基坑開挖至坑底。

3 數值模擬分析

提取各工況下樟嵐站結構、林-樟(林浦站-樟嵐站)區間隧道結構、車輛基地工程樁、車輛基地擋墻結構、車輛基地箱涵結構模型變形數據。經分析后得知，隨著基坑開挖，周邊一定范圍內土體應力狀態改變，引起了模型的逐漸變形，直到基坑開挖完成時(工況三)，變形達到最大，周邊結構變形分析如下：

(1)樟嵐站車站結構變形分析

基坑開挖完成后，樟嵐站車站變形表現為在D號出入口變形最大，隨與基坑距離的增加，變形逐漸減小。X向最大位移1.683 mm，Y向最大位移-3.904 mm，Z向最大位移1.541 mm。

(2)林-樟區間隧道結構變形分析

基坑北側距林浦站-樟嵐站區間隧道結構最近約為27.4 m，相對凈距>3.0D(D為盾構法城市軌道交通結構的隧道外徑)。X向最大位移0.631 mm，Y向最大位移-0.908 mm，Z向最大位移-0.269 mm。

(3)車輛基地工程樁變形分析

基坑距西側車輛基地工程樁最近為9.9 m，基坑開挖引起土壓力改變，導致工程樁發生變形，表現為Y向的變形大于X向，X向最大位移-1.810 mm，Y向最大位移-5.981 mm，Z向最大位移2.848 mm。

(4)車輛基地擋墻結構變形分析

基坑距西側車輛基地擋墻外邊線最近為4.9 m，受影響較大。基坑開挖使擋墻墻面墻背土壓力重新分布，導致擋土墻發生變形，表現為擋土墻產生一定隆起并向基坑一側產生一定位移。X向最大位移-4.593 mm，Y向最大位移7.753 mm，Z向最大位移9.540 mm。

(5)車輛基地箱涵結構變形分析

車輛基地下穿管涵位于基坑正下方，位置關系如圖8所示。基坑開挖破壞土應力的平衡，導致箱涵結構隆起。X向最大位移-1.992 mm，Y向最大位移-3.921 mm，Z向最大位移10.654 mm。

圖8 箱涵結構與基坑位置關系圖

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》《福州市軌道交通規劃管理辦法》及實際情況，該項目地鐵結構變形控制指標取車輛基地工程樁、車站結構、隧道結構、箱涵結構、擋墻等位移量小于20 mm，車輛基地擋墻結構位移取小于30 mm。變形模擬計算結果顯示，基坑開挖對周邊各結構各方向變形的影響均在安全范圍內，滿足要求[2]。

4 監測數據分析

目前地下室結構已施工完成，土方回填完整，周邊結構變形數據趨于穩定，變化速率微弱，幾乎沒有變化。取最近一次監測報告數據(表4)可知，監測數據與軟件模擬的結果基本一致，符合規范的安全數值。

表4 變形數據統計(單位：mm)

5 結語

本文基于基于MIDAS/GTS NX對某一臨近地鐵工程基坑開挖進行分階段模擬施工，通過計算結果和實際監測數據的比對，證明了該項目基坑支護方案的可行性、數據結果的可靠性和基坑的安全性，為今后類似近地鐵項目基坑支護設計和施工的安全評估提供參考。