基坑施工對(duì)臨近地鐵出入口的影響分析

閆 磊，王敦顯，李乾坤，王黛絲

（徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司，江蘇 徐州 221009）

0 引言

隨著城市發(fā)展建設(shè)和軌道交通建設(shè)的推進(jìn)，越來(lái)越多的城市開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目緊鄰軌道交通結(jié)構(gòu)布置，給軌道交通結(jié)構(gòu)的安全造成了嚴(yán)重的威脅。如何分析周邊建設(shè)活動(dòng)對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)的影響，保證軌道交通結(jié)構(gòu)及設(shè)備設(shè)施的安全，成為學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。

結(jié)合工程實(shí)例，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。劉國(guó)彬等［1］以上海廣場(chǎng)基坑工程下的隧道保護(hù)為例，利用殘余應(yīng)力原理和應(yīng)力路徑方法建立基坑隆起變形計(jì)算模型，預(yù)測(cè)隧道上抬變形，并提出基坑工程中的時(shí)空效應(yīng)原理是減小上抬變形的最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施；程斌等［2］以上海地鐵二號(hào)線車站基坑工程為例，分析了基坑工程與周邊建筑物的相互影響關(guān)系，總結(jié)了常用的治理措施，并提出了設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中的一些注意事項(xiàng)；唐仁等［3］以鄰近廣州地鐵一號(hào)線的鴻暉大廈深基坑工程為例，建立三維數(shù)值模型分析基坑施工對(duì)地鐵隧道的影響，并分析了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大于理論數(shù)據(jù)的原因；戚科駿等［4］結(jié)合上海地區(qū)臨近地鐵隧道的基坑工程，運(yùn)用有限單元方法分析了基坑不同施工方案及不同施工過(guò)程對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生的影響，為施工方案的比選提供了有效的技術(shù)支持；高廣運(yùn)、吉茂杰、朱正峰、戚長(zhǎng)軍、李廣軍、樓曉明、劉純潔等［5-11］也進(jìn)行了相關(guān)的研究。

上述文獻(xiàn)主要考慮基坑等建構(gòu)筑物施工對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)或者區(qū)間隧道的影響，對(duì)出入口的研究分析較少。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以臨近地鐵出入口人防車庫(kù)基坑施工為例，建立有限元數(shù)值模型，分析基坑施工對(duì)出入口結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

人防地下車庫(kù)工程南側(cè)緊鄰既有地鐵車站 3 號(hào)出入口，距離約 5.59 m，地下車庫(kù)平面布置如圖 1 所示，基坑開(kāi)挖深度約 4.650 m。

圖1 地下車庫(kù)基坑開(kāi)挖及支護(hù)方案示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，主樓及北側(cè)地下車庫(kù)部分已經(jīng)施工完成，利用主體結(jié)構(gòu)作為支撐點(diǎn)，基坑可采用 SP-Ⅲ拉森鋼板樁 +H 型鋼支撐的支護(hù)方案。基坑距離 3 號(hào)出入口最小距離為 5.09 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用 SP-Ⅲ拉森鋼板樁 +1 道 H 型鋼支撐，鋼支撐及鋼圍檁均采用HW300×300 型鋼；其余部位采用放坡+鋼板樁支護(hù)形式。

出入口結(jié)構(gòu)頂板覆土約 0～7.60 m，標(biāo)準(zhǔn)段底板底埋深約 14.10 m。出入口平面布置如圖 1 所示，結(jié)構(gòu)高度 6.45～14.50 m，頂板厚度為 700 mm，底板厚度為 800 mm，側(cè)墻厚度為 600 mm。地下車庫(kù)與車站出入口相對(duì)位置關(guān)系如圖 2 所示。

圖2 出入口附近基坑支護(hù)剖面圖（單位：mm）

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

建筑場(chǎng)地的覆蓋層厚度 14.50～16.50 m，上部土層主要有①雜填土層；②粉土；③粉質(zhì)黏土；④粉質(zhì)黏土；⑤含砂姜黏土；⑥黏土；下覆基巖為⑦全風(fēng)化砂巖層。

場(chǎng)地揭露的含水層主要為潛水，潛水賦存于①雜填土及②粉土中，埋深平均值 1.00 m，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水的下滲補(bǔ)給，排泄方式為自然蒸發(fā)為主。水位隨季節(jié)性變化，年變幅 1.0～1.5 m。

2 有限元數(shù)值模擬

本項(xiàng)目基坑距離車站出入口非常接近，涉及基坑局部放坡、近距離垂直開(kāi)挖和軟弱土層等因素影響，采用有限元數(shù)值分析模擬，分析基坑開(kāi)挖對(duì)出入口結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)地勘揭露，施工期間地下水位較低，且在基坑開(kāi)挖之前采用坑內(nèi)降水，保證水位低于開(kāi)挖面以下 1 m，故模擬計(jì)算不考慮地下水的影響。

根據(jù)場(chǎng)地巖土勘察報(bào)告，各土層物理力學(xué)參數(shù)取值如表 1 所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

新建地下車庫(kù)施工包括鋼板樁施工、放坡開(kāi)挖、基坑降水和基坑垂直支護(hù)，基坑開(kāi)挖模型均采用如下計(jì)算步驟模擬：地層自重、既有出入口結(jié)構(gòu)、已建成商辦樓及北側(cè)地下結(jié)構(gòu)達(dá)到重應(yīng)力平衡狀態(tài)→基坑支護(hù)樁施工→內(nèi)支撐施工→基坑開(kāi)挖（100 % 應(yīng)力釋放）→開(kāi)挖完成。

模型假定圍巖各層都是各向同性連續(xù)介質(zhì)，土體采用修正 Mohr-Coulomb 模型，并采用 Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。周邊既有的超載按均布荷載作用于模型頂面。模型四周邊界及下表面采用單向鉸支約束，上表面采用自由約束。

有限元模型為減小邊界效應(yīng)影響，確定基坑開(kāi)挖范圍尺寸約為 250 m×220 m×11 m（長(zhǎng)×寬×高），二期南側(cè)施工范圍為 157.74 m×9.10 m×4.65 m（長(zhǎng)×寬×高）。

人防地下車庫(kù)基坑緊鄰既有地鐵車站 3 號(hào)出入口，距離約 5.59 m，基坑開(kāi)挖深度約 4.650 m。出入口結(jié)構(gòu)頂板覆土約 0～7.60 m，由深至淺逐漸出露地面。建立模型如圖 3 所示，模型中地庫(kù)與出入口位置關(guān)系如圖 4 所示。

圖3 地下車庫(kù)基坑工程三維數(shù)值模型

圖4 出入口與地下車庫(kù)工程位置關(guān)系

3 基坑施工對(duì)出入口結(jié)構(gòu)影響分析

3.1 出入口變形影響分析

根據(jù)工程實(shí)際情況，建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。出入口豎向、水平變形及傾斜計(jì)算結(jié)果如圖5～8 所示。

圖5 出入口沉降變形分布（最大沉降 0.7 mm）

圖6 出入口 Y 向水平變形分布（最大側(cè)移 0.94 mm）

圖7 出入口 X 向水平變形分布（最大側(cè)移 0.26 mm）

圖8 出入口傾斜變形分布（最大傾斜 1.1 mm）

基坑采用 SP-Ⅲ 拉森鋼板樁 +1 道 H 型鋼支撐。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，對(duì)出入口結(jié)構(gòu)影響最大?；娱_(kāi)挖后，3號(hào)出入口結(jié)構(gòu)最大沉降為 0.7 mm，位于出入口結(jié)構(gòu)出地面位置臨近基坑側(cè)；水平位移最大位移約 1 mm，同樣位于出入口結(jié)構(gòu)出地面位置臨近基坑側(cè)；3 號(hào)出入口最大傾斜位移 1.1 mm，傾斜度 0.43 ‰，也位于相同位置。

分析可知，由于本工程范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件較好，基坑開(kāi)挖深度也較淺，故基坑施工導(dǎo)致出入口結(jié)構(gòu)變形較小，基坑開(kāi)挖引起的出入口豎向沉降小于 10 mm，平面位移小于 10 mm，傾斜變形小于 2 ‰，均滿足規(guī)范要求。

出入口變形最大位置集中在出地面臨近基坑側(cè)，究其原因，由于出地面位置周圍土體對(duì)結(jié)構(gòu)的嵌固效應(yīng)最小，當(dāng)周圍土體發(fā)生變形或位移時(shí)，結(jié)構(gòu)隨土體及時(shí)作出響應(yīng)。此外分析模擬過(guò)程沒(méi)有考慮前期出入口結(jié)構(gòu)出地面位置放坡施工對(duì)土體的擾動(dòng)，故實(shí)際變形應(yīng)較計(jì)算結(jié)果大。因此后期基坑施工過(guò)程中，出入口位置為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，應(yīng)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3.2 出入口受力影響分析

計(jì)算有限元模型，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖 9 所示。

圖9 出入口彎矩分布（最大彎矩 185.09 kN·m）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)力最大位置位于出入口結(jié)構(gòu)底板起坡位置，基坑開(kāi)挖后，支座最大彎矩約為 185 kN·m，跨中最大彎矩約為 160 kN·m。經(jīng)計(jì)算可知，地下車庫(kù)基坑開(kāi)挖引起的 3 號(hào)出入口結(jié)構(gòu)裂縫變形為0.038mm，滿足 0.2 mm 的裂縫安全控制要求。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比

地下車庫(kù)施工完成后，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，出入口結(jié)構(gòu)豎向最大沉降約 1.5 mm，最大水平位移約 2 mm（向基坑開(kāi)挖側(cè)）。監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相比，約為數(shù)值計(jì)算結(jié)果的 2 倍，但依然在允許變形控制范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

分析原因，其一可能是數(shù)值模擬過(guò)程中未考慮前期出入口開(kāi)挖對(duì)周邊土體的擾動(dòng)，對(duì)影響范圍內(nèi)的土體的工程力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減；其二，出入口施工過(guò)程中，出地面位置局部放坡開(kāi)挖，施工完成后再回填素土，壓實(shí)度較原狀土低，進(jìn)而導(dǎo)致變形過(guò)大。這是后期類似工程分析和研究過(guò)程中需要注意的。

4 結(jié)論

通過(guò)有限元模擬分析地下車庫(kù)基坑施工對(duì)出入口結(jié)構(gòu)的影響，得到以下結(jié)論。

1）本項(xiàng)目基坑開(kāi)挖引起的出入口結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力均滿足規(guī)范要求，工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式設(shè)置合理，滿足地鐵安全保護(hù)要求，可以作為指導(dǎo)施工的依據(jù)。

2）臨近出入口基坑開(kāi)挖引起的出入口結(jié)構(gòu)變形主要集中于出入口出地面位置臨近基坑側(cè)。此位置對(duì)土體變形反應(yīng)比較靈敏，是后期施工和監(jiān)測(cè)的主要關(guān)注對(duì)象，為后期相似項(xiàng)目提供了參考。

3）出入口結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大位置位于結(jié)構(gòu)底板起坡位置，本項(xiàng)目由于基坑挖深較小，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小。后期類似項(xiàng)目需根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行處理。

4）本文在模擬計(jì)算過(guò)程中未考慮前期出入口基坑施工過(guò)程對(duì)周圍土體的影響。基坑施工影響范圍內(nèi)的土體的工程力學(xué)參數(shù)應(yīng)進(jìn)行一定程度的折減，折減系數(shù)應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。Q