地鐵隧道兩側深基坑逆作法施工有限元分析

劉紫陽

（中國電建市政建設集團有限公司，天津 300384）

逆作法施工中主體結構與臨時支護體系相結合，形成有效的三維受力體系，自上而下逐層進行土體開挖和主體結構施工。有效減小連續墻和底板的變形，減小對臨近建筑物、道路和地下管線等的影響，在對位移有嚴格控制要求的工程中常采用這種方法。本文通過工程實例，通過有限元軟件midas（邁達斯）建立三維有限元模型，對逆作法施工階段不同工況進行模擬計算，選擇合適的逆作法施工方案，降低對周圍環境的影響，為工程施工提供指導。

一、工程概述

某工程項目位于兩條城市主干道交匯處，占地面積約45800m2，地上建筑面積約20.68萬m2，地下總建筑面積約9.48萬m2，場地地形較為平坦，場區地貌單元屬長江Ⅰ級階地，場區上層滯水在地面以下0.5～0.8m之間，承壓水在自然地面以下約4.0m左右。

地鐵線路從場地內部穿越，將整個場地分為南北兩塊，北側地下室為地下四層，南側地下室為地下三層，隧道采用盾構法施工而成，隧道與基坑臨近范圍內為圓曲線，并且自西向東高程逐漸增加，隧道中線基本位于基坑開挖底面范圍內，基坑重要性等級為一級。

場地土層性質見表1所示。

表1 場地土層性質

二、基坑施工方案選擇

北側基坑地下四層，若采用臨時支撐順作法方案，支撐剛度偏小，且由于地鐵側圍護墻體走向為陽角型式，相對于南側基坑而言，不利于墻體變形控制及地鐵區間隧道保護，故在基坑整體開挖的前提下采用有利于環境保護的逆作法方案。

南側基坑裙房區域地下三層，基坑面積較大，形狀不規則，若采用順作法施工則存在臨時支撐剛度偏小、圍護結構變形過大，不利于周邊建筑物以及市政管線的保護；另外為解決臨時支撐豎向穩定，基坑內需布置大量的臨時鋼結構立柱和鉆孔灌注樁立柱基礎，增加工程造價，故裙房區域設計建議采用逆作法施工，利用地下室各層樓板作為支撐體系，支撐剛度大，可有效控制圍護結構的變形，減少對周邊土體的擾動，在滿足地下結構施工的同時實現周邊環境的保護。

綜合比選后，決定北側基坑采用逆作法施工方案，南側基坑采用順、逆結合施工方案

三、有限元模擬分析

分析采用巖土、隧道結構專用有限元分析軟件MIDAS/GTS（Geotechnical &Tunnel Analysis System）進行計算。

MIDAS/GTS的施工階段分析采用累加模型，即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結果，并累加了本施工階段的分析結果。即上一個施工階段中結構體系與荷載的變化會影響到后續階段的分析結果。

（一）三維分析模型的建立

1.土體本構模型與參數

土體采用四面體實體單元模擬，本構模型采用修正的劍橋粘土模型（MCC模型）。由于計算模型復雜，土層參數按照圍護結構底面以上各土層特性的加權平均值取值計算。坑外土體的彈性模量取詳勘報告中提供的數值，坑內土的彈性模量取土體卸載的彈性模量。

2.結構參數

還有人說我們中國人愛嫉妒，美國人不這樣。我20世紀80年代做訪問學者到美國，發現美國人也嫉妒，男人、女人、黑人、白人、西方人、東方人都有嫉妒心理。

圍護結構的材料參數按照混凝土選取，相應的截面積、慣性矩等幾何參數。支撐截面積及慣性矩等參數按照尺寸計算取值。

隧道管片、車站結構、地下室結構的材料參數按照混凝土選取，并根據相應結構的截面積、慣性矩等幾何參數作為輸入數據。

3.網格劃分

土體采用四面體實體單元模擬；地下連續墻、主體結構樓板和隧道管片采用板單元模擬；圍檁、圈梁、對撐、角撐和系桿等支撐結構采用梁模擬。計算模型不考慮立柱、樁基等豎向支承體系的影響。土體的邊界的約束為：對兩側垂直邊界施加水平向約束，底部水平邊界施加垂直向約束。

4.施工工況模擬

表2 南、北區基坑工程計算工況

5.三維計算模型

（二）三維有限元計算分析

1.圍護結構計算分析

計算分析結果：

（1）北區基坑遠離地鐵側圍護結構水平側移最大值為17.17mm，臨近地鐵側圍護結構水平側移最大值為12.88mm；

（2）南區基坑順作區臨近地鐵側圍護結構水平側移最大值為11.94mm，逆作區臨近地鐵側圍護結構水平側移最大值為13.46mm；遠離地鐵側圍護結構水平側移最大值為18.99mm。

2.地鐵區間隧道水平位移計算分析

計算分析結果：

（1）基坑開挖過程中，隧道水平位移偏向基坑內側，即臨近北區的地鐵隧道水平位移偏向基坑北側，臨近南區的地鐵隧道水平位移偏向南側；

（2）臨近北區的地鐵隧道水平位移最大值為7.31mm；臨近南區的地鐵隧道水平位移最大值為5.44mm。

3.地鐵區間隧道豎向位移計算分析

計算結果分析：

（1）隧道埋深基本位于基坑開挖面以下位置，在基坑開挖過程中，隧道豎向位移主要表現為隆起。

（2）臨近北區的地鐵隧道豎向位移最大值為2.156mm；臨近南區的地鐵隧道豎向位移最大值為2.154mm，兩者豎向位移值非常接近。

4.北區B3層樓板主應力計算分析

基坑開挖施工過程中，在北區各層樓板中，B3層樓板所受外荷載最大，相應的主應力值也最大，計算結果分析如下：

（1）北區B3層樓板最大主應力（即拉應力）為0.82kPa，遠小于C35混凝土抗拉強度設計值1.57MPa，能夠保證樓板結構安全；

（2）北區B3層樓板最小主應力（即壓應力）為10.05MPa，小于C35混凝土抗壓強度設計值16.7MPa，能夠保證樓板結構安全。

5.南區B2層樓板主應力計算分析

基坑開挖施工過程中，在南區各層樓板中，B2層樓板所受外荷載最大，相應的主應力值也最大，計算結果分析如下：

（1）南區B2層樓板最大主應力（即拉應力）為1.22MPa，小于C35混凝土抗拉強度設計值1.57MPa，能夠保證樓板結構安全；

（2）南區B2層樓板最小主應力（即壓應力）為9.68MPa，小于C35混凝土抗壓強度設計值16.7MPa，能夠保證樓板結構安全。

四、結論

通過以上分析，可以得到以下結論：

（1）在城市中心地鐵兩側進行逆作法深基坑施工時，采用三維有限元預先對逆作法施工各種工況進行三維有限元模擬驗算，充分考慮基坑的空間性質，計算結果可靠性較高，對現場實施具有較高的指導意義。

（2）基坑圍護結構水平位移的計算分析，基坑開挖卸載后各側圍護結構最大水平位移值均滿足該變形控制要求，對地鐵和周邊環境的影響滿足相關規范的控制要求，在可控范圍內。

（3）地鐵隧道水平位移和豎向位移的驗算，預先對地鐵隧道變形影響較大位置做出預判，基坑施工過程中對地鐵隧道重點部位加強監測和預警，保證施工期間地鐵的安全運行。

（4）基坑開挖施工過程中，北區B3層樓板和南區B2層樓板受外荷載最大，相應的主應力值也最大，樓板的拉應力和壓應力均在混凝土強度范圍內

（5）深基坑施工采用逆作法，能夠有效提高地下工程施工的安全性，對周圍環境影響較小，同時縮短施工工期，節約工程造價，在建筑密集、場地狹窄的城市建設中具有較高的應用價值。