深大基坑施工對(duì)緊鄰軌道高架區(qū)間的影響分析

范衛(wèi)琴 ，張紅章，謝昭宇, ，胡先耀 ，彭 向

（1. 武昌理工學(xué)院，武漢 430074；2. 湖北道澤勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430074；3. 武漢豐達(dá)地質(zhì)工程有限公司，武漢 430074； 4. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074）

深大基坑工程在開(kāi)挖及施工過(guò)程中，會(huì)引起臨近軌道交通高架區(qū)間的變形[1-3]，為保證城市輕軌高架運(yùn)行的安全性，《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》對(duì)深大基坑施工過(guò)程中對(duì)輕軌高架的影響提出了嚴(yán)格的變形控制指標(biāo)[4]。深基坑施工前采用數(shù)值模擬等有效手段分析和研究深基坑施工過(guò)程中對(duì)軌道交通高架區(qū)間的影響，能夠有效進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控，評(píng)估支護(hù)及施工方案的合理性，避免工程事故的發(fā)生[5-7]。MIDAS/GTS NX 有限元差分軟件可以模擬深基坑施工全過(guò)程對(duì)臨近軌道交通高架區(qū)間的影響，為工程技術(shù)人員事前分析和評(píng)價(jià)輕軌高架的安全性能提供理論依據(jù)，同時(shí)可為選擇合理的基坑支護(hù)形式和施工方案提供技術(shù)支持[8-10]。

以武漢某緊鄰軌道交通高架區(qū)間、開(kāi)挖深度約10 m 的深基坑為例，采用MIDAS/GTS NX 有限元差分軟件對(duì)該基坑開(kāi)挖及地下水滲流下高架區(qū)間結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于武漢市硚口區(qū)，京漢大道和利濟(jì)路交叉路口，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊線距離輕軌線路橋面結(jié)構(gòu)外邊線34.70 m，距離軌道交通安全保護(hù)線最近為4.70 m。軌道交通橋梁基礎(chǔ)采用直徑為0.8 m 的鉆孔樁，樁長(zhǎng)40.5 m，上部設(shè)置1.5 m 厚承臺(tái)，樁基穿越的土層主要為黏土層、中砂層，樁底進(jìn)入中砂層。擬建項(xiàng)目靠近1 號(hào)線崇～利高架區(qū)間側(cè)地下室基坑深9.80 m，采用“鉆孔灌注樁＋一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐＋側(cè)向帷幕”的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，鉆孔灌注樁采用Φ1 100 @1 400 mm，有效樁長(zhǎng)19.30 m。平冠梁標(biāo)高設(shè)一道混凝土內(nèi)支撐，主撐截面尺寸0.8 m×0.8 m，輔撐截面尺寸0.6 m×0.8 m。樁外側(cè)止水帷幕采用700 mm 厚TRD 或CSM 水泥土墻，有效長(zhǎng)度為54.0 m，且進(jìn)入6-1 強(qiáng)風(fēng)化泥巖層≥1.0 m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面圖如圖1所示。

2 模型及材料屬性

2.1 計(jì)算模型

采用巖土專(zhuān)用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 進(jìn)行計(jì)算，施工階段分析采用的是累加模型，即上一個(gè)施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會(huì)影響后續(xù)階段的分析結(jié)果。

土體材料本構(gòu)模型取用修正莫爾－庫(kù)倫模型(Modified Mohr-Coulomb)，支護(hù)材料按線彈性考慮。由于本基坑為長(zhǎng)方形，鄰近高架區(qū)間長(zhǎng)度較橫斷面尺寸長(zhǎng)，可以用平面模型來(lái)模擬，在MIDAS 平面有限元模型中，采用平面應(yīng)變單元模擬地層，采用梁?jiǎn)卧M圍護(hù)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)及高架區(qū)間樁基，采用界面單元和樁端單元模擬樁-土之間的接觸。計(jì)算模型范圍以基坑外輪廓為基準(zhǔn)，外擴(kuò)一定距離后而建立[11-14]。根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)，本例取5 倍基坑深度。有限元模型的邊界條件為：模型底部約束豎向位移，模型左右兩側(cè)約束水平向位移。

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

2.2.1 土層材料屬性

擬建項(xiàng)目位于長(zhǎng)江北岸，距離長(zhǎng)江約2.5 km，距離漢江1.6 km，相當(dāng)于長(zhǎng)江I 級(jí)階地，地層由新近填土，全新統(tǒng)黏性土、砂性土及砂卵石層、基巖構(gòu)成。場(chǎng)地所分布的地層除表層分布有人工回填的新近素填土(Qml) 外，下部地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積成因的黏性土層、砂土層(Q4al)，砂土層呈現(xiàn)粒徑由細(xì)到粗的沉積韻律，下伏志留系（S2f）泥巖。工程場(chǎng)地按地層成因、巖性及力學(xué)性質(zhì)劃分為6 大層11個(gè)亞層，圖1 中各土層基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層材料屬性表

2.2.2 結(jié)構(gòu)材料屬性

選取靠近軌道高架區(qū)間一側(cè)的斷面進(jìn)行有限元計(jì)算分析，軌道交通高架區(qū)間結(jié)構(gòu)和本項(xiàng)目地下室結(jié)構(gòu)、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)材料及計(jì)算中所需單數(shù)見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)特性（平面二維計(jì)算）表

2.2.3 計(jì)算工況

根據(jù)基坑擬定的施工方案，分析共分為6 個(gè)工況，具體如下：

工況1：初始地應(yīng)力形成；工況2：高架橋樁基及結(jié)構(gòu)完成；工況3：施工支護(hù)樁、立柱樁及止水帷幕；工況4：開(kāi)挖一并施工第一道內(nèi)支撐；工況5：基坑開(kāi)挖至坑底；工況6：地下室結(jié)構(gòu)施工至內(nèi)支撐底部，拆除內(nèi)支撐，并在地下室負(fù)一層樓板處進(jìn)行換撐。

3 基坑開(kāi)挖對(duì)高架結(jié)構(gòu)的影響分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得出各工況下整體模型及高架橋樁基的橫向、豎向位移。最不利工況下，整體模型基坑施工的橫向位移云圖詳見(jiàn)圖2，整體模型的豎向位移云圖詳見(jiàn)圖3，高架橋樁基的橫向位移云圖詳見(jiàn)圖4，高架橋樁基的豎向位移云圖詳見(jiàn)圖5。

圖2 工況6 時(shí)整體模型橫向位移云圖

圖3 工況6 時(shí)整體模型豎向位移云圖

圖4 工況6 時(shí)高架橋樁基橫向位移云圖

圖5 工況6 時(shí)高架橋樁基豎向位移云圖

由圖2、圖3 整體模型位移云圖可知，隨著基坑土方的開(kāi)挖及地下室的施工，逐步對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，影響范圍和位移值逐步增大。水平位移影響范圍及同一位置處水平位移均隨基坑開(kāi)挖深度增加而增大，位移最大位置發(fā)生在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平向位移值最大由4.321 mm 逐漸增大至14.55 mm，豎向位移最大由8.34 mm 逐漸增大至13.3 mm。

由圖4、圖5 輕軌高架橋位移云圖可知，基坑開(kāi)挖對(duì)輕軌高架變形產(chǎn)生影響，輕軌高架橋樁基承臺(tái)處的位移值隨基坑開(kāi)挖逐漸增大，最大水平變形為3.64 mm（向基坑方向），最大豎向變形為1.17 mm（沉降）。

4 基坑降水對(duì)臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

4.1 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地下水類(lèi)型主要為填土層中的上層滯水及砂層中的承壓水。上層滯水主要賦存于場(chǎng)地上部人工填土中，水位不連續(xù)，無(wú)統(tǒng)一自由水面，主要接受大氣降水，生活用水及給排水管涵的滲透入滲補(bǔ)給，水量有限，靜止地下水位埋深為1.30～2.50 m。

場(chǎng)地承壓水主要賦存于（4-1）～（5）層中，含水層頂板為（2-1）、（2-2）、（3-1）、（3-2）層，底板為下部基巖。承壓含水層與長(zhǎng)江水力聯(lián)系緊密。承壓水測(cè)壓水位標(biāo)高為18.33～20.74 m。根據(jù)沿線收集的現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)資料，結(jié)合武漢地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，模型分析時(shí)承壓水測(cè)壓水位標(biāo)高按21.0 m 計(jì)算。場(chǎng)地承壓含水層滲透系數(shù)14.21 m/d，影響半徑R 為231.1 m，工程采用中深井降水處理，基坑共設(shè)置35 口深井降水井、5 口觀測(cè)井。降水井管井井徑為500 mm，管徑為250 mm，井深35 m。基坑開(kāi)挖時(shí)將降水至水位標(biāo)高9.80 m，水位降至坑底以下0.5 m。

基坑靠近地鐵止水帷幕采用700 mm（TRD或CSM）厚落底式等厚水泥土攪拌墻樁，長(zhǎng)度為54.0 m，且進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖不小于1.0 m。

4.2 計(jì)算工況

計(jì)算模型分析具體分為4 個(gè)工況：（1）工況1，施加初始水頭，計(jì)算初始滲流場(chǎng)；（2）工況2，施加重力場(chǎng)，計(jì)算地基初始應(yīng)力；（3）工況3，地鐵結(jié)構(gòu)施工完成，位移場(chǎng)清零，保留應(yīng)力場(chǎng)；（4）工況4，計(jì)算降水及地鐵結(jié)構(gòu)位移。

4.3 降水對(duì)周邊環(huán)境的影響分析

最不利工況下，整體模型基坑施工的橫向位移云圖詳見(jiàn)圖6，整體模型的豎向位移云圖詳見(jiàn)圖7，高架橋樁基的橫向位移云圖詳見(jiàn)圖8，高架橋樁基的豎向位移云圖詳見(jiàn)圖9。

圖6 降水后整體模型橫向位移云圖

圖7 降水后整體模型豎向位移云圖

圖8 降水后地鐵結(jié)構(gòu)橫向位移云圖

圖9 降水后地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

由計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)完成基坑降水后，地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的最大水平變形為5.4 mm（向基坑方向），最大豎向變形為1.1 mm（沉降）。

疊加基坑開(kāi)挖和降水引起的位移量，得地鐵高架區(qū)間結(jié)構(gòu)向基坑相反發(fā)生的最大水平位移為9.09 mm，最大沉降2.27 mm。因此，其結(jié)果能夠滿足相關(guān)規(guī)定（水平、豎向位移值不大于10 mm）要求。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖10、圖11 為基坑實(shí)際施工過(guò)程中對(duì)橋梁樁基墩臺(tái)處的水平位移及豎向沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，樁基承臺(tái)處水平位移最大值為4.1 mm，沉降最大值為1.5 mm，基坑施工完工后，樁基承臺(tái)位移趨于穩(wěn)定。從實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)值比數(shù)值分析結(jié)果稍小，監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)定要求。水平位移偏差率為55%，豎向位移偏差率為34%，但變化趨勢(shì)基本一致。偏差率較大主要原因?yàn)楸卷?xiàng)目在枯水季節(jié)施工，且數(shù)值分析考慮最不利工況，實(shí)際降水對(duì)基坑的影響比數(shù)值分析結(jié)果要小一些。

圖10 高架橋承臺(tái)頂水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖11 高架橋承臺(tái)頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論及建議

擬建項(xiàng)目地下室基坑開(kāi)挖深度為9.8 m，基坑支護(hù)采用“鉆孔灌注樁＋一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐＋側(cè)向帷幕”型式，支護(hù)結(jié)構(gòu)距離既有軌道交通高架區(qū)間最近為34.7 m。采用MIDAS/GTS NX 對(duì)基坑開(kāi)挖及降水進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。主要結(jié)論如下：

（1）基坑施工時(shí)，地鐵結(jié)構(gòu)最大水平位移為9.09 mm，最大沉降2.274 mm。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大水平位移為4.1 mm，沉降量為1.5 mm。數(shù)值分析及監(jiān)測(cè)結(jié)果均為超出預(yù)警值，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠。

（2）本例計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差較大，水平位移偏差率為55%，豎向位移偏差率為34%。主要原因是：為增加結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，數(shù)值計(jì)算時(shí)將地下水初始水頭高度取值偏大，實(shí)際施工條件較計(jì)算假定更有利，實(shí)際基坑降水引起的結(jié)構(gòu)位移比數(shù)值分析影響要小一些。

（3）本例中高架區(qū)間結(jié)構(gòu)位移接近預(yù)警值，為減小基坑開(kāi)挖對(duì)高架結(jié)構(gòu)樁基的影響，基坑應(yīng)采用全落底式帷幕，止水帷幕進(jìn)入中風(fēng)化巖不小于1.0 m，隔斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，從而減小基坑降水對(duì)高架結(jié)構(gòu)樁基的影響。

（4）基坑施工前，通過(guò)合理的數(shù)值分析，能有效模擬深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工對(duì)輕軌高架變形的影響，分析其水平位移和豎向位移影響范圍的變化趨勢(shì)，以此評(píng)估設(shè)計(jì)及施工方案的合理性，達(dá)到事前預(yù)控的目的。