基坑開挖對緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)影響的模擬分析

湯智鈞

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快及軌道交通的迅速發(fā)展，緊鄰地鐵的基坑工程日漸增多，擬建基坑與地鐵結(jié)構(gòu)（地鐵隧道、地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)、地鐵車站主體結(jié)構(gòu)等）的位置關(guān)系一般為側(cè)旁，部分基坑會在地鐵隧道上方。基坑工程施工主要包括基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建設(shè)、開挖前的降水及基坑開挖三大步驟，會引起周圍土體的側(cè)移和沉降。地鐵結(jié)構(gòu)頂部或側(cè)旁的基坑施工都會引起結(jié)構(gòu)的附加變形，如變形過大會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、開裂甚至破壞，影響地鐵的正常使用，對地鐵結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成威脅。

基坑開挖對臨近地鐵區(qū)間的影響問題[1]，對建設(shè)者提出了新的要求，即要把基坑工程與周圍環(huán)境作為一個整體系統(tǒng)加以分析，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要滿足自身強(qiáng)度要求，而且還要滿足變形要求[2]。因此，本文基于某緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的深基坑工程，借助三維有限元分析軟件模擬計算了基坑開挖對緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的影響，并對坑底攪拌樁加固土的影響技術(shù)在坑底加固中的作用進(jìn)行了探究，其結(jié)論與經(jīng)驗可為緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的施工控制及結(jié)構(gòu)安全保護(hù)提供參考。

1 工程概況

地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)位于主體結(jié)構(gòu)西北側(cè)，為地下一層框架結(jié)構(gòu)，項目基坑位于附屬結(jié)構(gòu)東側(cè)?；娱_挖長度19m，寬度12m，開挖深度約9.5m，基坑底部位于軟土層。基坑南北兩側(cè)施作800mm厚26m深地連墻，基坑西側(cè)直接使用原市政通道頂管工作井的800mm厚30m深地連墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑?xùn)|側(cè)直接使用地鐵車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的1000mm厚16m深地連墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)?；釉O(shè)置一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐和一道鋼支撐，基底采用Φ600@450mm單軸攪拌樁格柵加固?；优c地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系

地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)所處地層主要為：雜填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、中粗砂。附屬結(jié)構(gòu)底板主要位于硬塑狀粉質(zhì)黏土層、砂層。

2 三維有限元數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

采用有限元分析軟件MIDAS/GTS建立三維整體數(shù)值模型動態(tài)模擬該工程的開挖過程，探究單側(cè)開挖卸載過程對緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的變形影響。

為消除模型邊界對計算結(jié)果的影響，將模型的尺寸確定為長度、寬度及高度分別為80m、100m、30m。結(jié)構(gòu)所處地層采用3D實體單元對土體進(jìn)行模擬，采用2D板殼單元模擬圍護(hù)樁、板撐及車站附屬結(jié)構(gòu)，采用1D單元梁單元模擬基坑內(nèi)支撐桿系，計算模型上表面為自由邊界，底部為豎向位移約束，各側(cè)面為對應(yīng)方向的水平位移約束。

模型中的地層根據(jù)緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的工程地質(zhì)資料簡化為各向同性、均勻且連續(xù)的地層，土體本構(gòu)為軟件中的修正摩爾-庫倫模型，巖層則采用線彈性模型[3]，其地層分布及力學(xué)計算參數(shù)的取值如表1所示。模型中不考慮結(jié)構(gòu)和土體之間的脫離現(xiàn)象，認(rèn)為它們始終是協(xié)調(diào)變形的[4]。地基加固后的淤泥質(zhì)土的變形模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu有關(guān)。根據(jù)設(shè)計方案，坑底攪拌樁加固后土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8MPa，出于安全考慮，取0.8MPa。當(dāng)qu＜6MPa時，E50=（350～1000）×qu=280～800MPa，取E50=500MPa。

表1 模型巖土力學(xué)參數(shù)

模型計算的工況順序參照實際施工流程，如表2所示。

表2 基坑開挖的三維動態(tài)施工過程

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 坑底攪拌樁加固的模擬結(jié)果

坑底攪拌樁加固條件下基坑開挖對緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的位移影響如表3所示，基坑施工過程中地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的最大總位移曲線如圖2所示。

根據(jù)表3及圖2可分析得出坑底攪拌樁加固的模擬結(jié)果：

圖2 坑底攪拌樁加固條件下基坑施工過程地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的最大總位移曲線

表3 坑底攪拌樁加固條件下基坑施工過程地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的位移匯總表（單位：mm）

（1）主體結(jié)構(gòu)施作后，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)垂直基坑邊線方向位移下降56%，由此可見主體結(jié)構(gòu)的施作可有效降低緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的位移影響。

（2）基坑開挖對地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)平行基坑邊線方向的位移影響較小，單側(cè)開挖卸荷對緊鄰地鐵車站的水平位移影響以垂直基坑邊線方向的位移為主。

（3）隨著基坑深度的增大，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)先沉降后隆起的豎向位移特點，由此可見，對于緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的基坑工程，施工過程應(yīng)重點關(guān)注基底的隆起變形以達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)安全的要求。

（4）基坑開挖誘發(fā)地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的最大X向位移為0.84mm，最大Y向位移為0.17mm，最大豎向位移為2.7mm，最大總位移為4.3mm。由此可見，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)在緊鄰基坑開挖卸荷的影響下呈現(xiàn)豎向位移為主的特點。

綜上分析可得，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的位移變化與基坑深度成正相關(guān)，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)在緊鄰基坑開挖卸荷的影響下呈現(xiàn)豎向位移為主的特點。主體結(jié)構(gòu)的施作可有效降低緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的位移影響。對于緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的基坑工程，施工過程應(yīng)重點關(guān)注基底的隆起變形以達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)安全的要求。

2.2.2 無坑底攪拌樁加固的模擬結(jié)果

無坑底攪拌樁加固條件下基坑開挖對緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的位移影響如表4所示，基坑施工過程地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的最大總位移曲線如圖3所示。

表4 無坑底攪拌樁加固條件下基坑施工過程地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的位移匯總表（單位：mm）

圖3 無坑底攪拌樁加固條件下基坑施工過程地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的最大總位移曲線

根據(jù)表4及圖3可分析得出無坑底攪拌樁加固條件下的模擬結(jié)果：

（1）隨著基坑開挖深度的增加及基坑支撐的施作，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的水平位移呈現(xiàn)以垂直基坑邊線方向位移為主的特點，基坑開挖對地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)平行基坑邊線方向位移的影響較小。

（2）相較于水平位移，基坑開挖對地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的豎向位移影響較大，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)以隆起變形值為主，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的豎向位移與基坑深度成正相關(guān)。

2.2.3 結(jié)果對比分析

綜合表3、表4的位移結(jié)果，可得坑底攪拌樁加固對地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)位移影響的對比圖，如圖4、圖5、圖6所示。

根據(jù)圖4、圖5、圖6可分析得出：

圖4 坑底加固施作與否車站附屬結(jié)構(gòu)的水平位移對比曲線

圖5 坑底加固施作與否車站附屬結(jié)構(gòu)的豎向位移對比曲線

圖6 坑底加固施作與否車站附屬結(jié)構(gòu)的總位移對比曲線

（1）坑底攪拌樁加固的條件下，隨著基坑開挖深度的增加，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的水平位移差值分別為0.09mm、0.18mm、0.16mm、0.15mm，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)水平位移下降幅度分別為64.3%、22.2%、16%、28.8%，由此可見坑底攪拌樁加固可以有效降低基坑開挖對地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)水平位移的影響，位移下降幅度與基坑開挖深度成負(fù)相關(guān)。

（2）坑底攪拌樁加固的條件下，隨著基坑開挖深度的增加，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的豎向位移差值分別為0.8mm、0.7mm、0.7mm，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)豎向位移下降幅度分別為21.6%、14%、33.3%，由此可見坑底攪拌樁加固可以有效降低基坑開挖對地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)豎向位移的影響，位移下降幅度與基坑開挖深度成負(fù)相關(guān)。

綜上分析可得，坑底攪拌樁加固可以有效降低基坑開挖對地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)水平和豎向位移的影響。比較這兩個方向，坑底攪拌樁加固技術(shù)對水平位移的控制效果更好。

3 結(jié)束語

通過三維有限元法，動態(tài)模擬了深基坑實際施工過程，并針對坑底攪拌樁加固進(jìn)行了三維數(shù)值模擬對比分析，所得結(jié)論如下：

（1）地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的位移變化與基坑深度成正相關(guān)，地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)在緊鄰基坑開挖卸荷的影響下呈現(xiàn)豎向位移為主的特點。主體結(jié)構(gòu)的施作可有效降低緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的位移影響。

（2）緊鄰地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的基坑工程，施工過程應(yīng)重點關(guān)注基底的隆起變形以達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)安全的要求。

（3）坑底攪拌樁加固可以有效降低基坑開挖對地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)位移的影響，相較于地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的豎向位移，坑底攪拌樁加固對地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)的水平位移的控制效果更好。