某基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵隧道影響的數(shù)值模擬分析

甘露　許巖劍　肖仁成　劉利猛

摘 要：隨著地鐵的不斷擴(kuò)展，其沿線將成為商業(yè)、住宅建筑等開(kāi)發(fā)的黃金地帶， 因而越來(lái)越多的工程位于已運(yùn)行地鐵隧道旁。本文針對(duì)某基坑開(kāi)挖工程實(shí)例，依據(jù)設(shè)計(jì)開(kāi)挖工況，采用有限元法對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析了在不同開(kāi)挖工況下臨近地鐵隧道的土體沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，分析結(jié)果表明：采用該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行基坑開(kāi)挖及支護(hù)將導(dǎo)致臨近地鐵隧道產(chǎn)生較小的附加變形。采用有限元法對(duì)基坑開(kāi)挖和支護(hù)進(jìn)行可行性預(yù)判，以避免基坑開(kāi)挖中存在的安全隱患，對(duì)基坑設(shè)計(jì)與施工具有實(shí)際參考意義。

關(guān)鍵詞：基坑開(kāi)挖； 地鐵隧道； 數(shù)值模擬； 地面沉降

Abstract： Along with the construction of the subway， its nearby area will become the gold strip of commercial district， residential building. More and more project close to metro tunnel. Combined with project example， the surface settlement of soil adjacent to subway and horizontal displacement of palisade structure is analyzed based on the finite element method to simulate the excavation in different design excavation condition. The analysis results show that ， the proposed design scheme of the pit foundation excavation and support will lead to little additional deformation adjacent to the subway tunnel. Hidden trouble about safty in the pit foundation excavation can be avoided if the paper method based on the finite element simulation is used to conduct feasibility anticipation for pit foundation excavation and support. It is of practical significance to the pit foundation design and construction.

Key words： pit foundation excavation；subway tunnel；numerical simulation；settlement

前言

在寸土寸金的今天，大量興建高層建筑和地下工程，因而帶來(lái)了大規(guī)模的基坑工程，而基坑開(kāi)挖對(duì)臨近構(gòu)筑物的影響已經(jīng)逐漸成為土木工程界的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1][2]。對(duì)于地鐵車(chē)站這樣對(duì)變形要求極其嚴(yán)格的地下結(jié)構(gòu)物，臨近基坑的工程建設(shè)更是面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)?；娱_(kāi)挖過(guò)程是基坑開(kāi)挖面上卸荷的過(guò)程，由于卸荷引起坑底土體產(chǎn)生向上為主的位移，同時(shí)也引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)在兩側(cè)壓力差的作用下而產(chǎn)生水平向位移和外側(cè)土體位移，因此基坑開(kāi)挖引起周?chē)翆右苿?dòng)的主要原因是坑底土體隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移[3][4]。本文以某基坑工程為背景，采用巖土工程專業(yè)有限元軟件Midas GTS三維有限元分析，考慮最不利的基坑開(kāi)挖工況，進(jìn)行基坑開(kāi)挖過(guò)程的有限元數(shù)值模擬，以了解本工程基坑土方開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵隧道產(chǎn)生的附加變形，進(jìn)而分析了在不同開(kāi)挖工況下臨近地鐵隧道的沉降及水平位移，可為設(shè)計(jì)施工提供一定的參考，并采取有效措施保證在基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中的的安全性。對(duì)深基坑施工的順利進(jìn)行及保護(hù)臨近建筑物具有一定的實(shí)際意義。

1.工程概況

1.1 概述及周邊環(huán)境

擬建工程地下室外墻距離地鐵隧道很近（約8.445m）?；孛娣e39293m2，建筑占地面積為25591m2，總建筑面積約為145559m2。地下兩層，局部設(shè)置一層夾層，地上三層，整個(gè)項(xiàng)目呈三角形，擬采用樁基礎(chǔ)?；油谏顬?2.0m?；用娣e約34616m2，周長(zhǎng)約為890m，屬于超大基坑?；悠矫媸疽鈭D如圖1：

圖1 基坑平面示意圖

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件[5]

擬建場(chǎng)地屬漫灘相地貌單元，地下水含量豐富，地下水位埋深約1.31～4.00m，場(chǎng)內(nèi)存在三種類型的地下水：淺層潛水型、弱承壓水型、基巖裂隙水。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、沉積環(huán)境、野外勘探、現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，結(jié)合土工試驗(yàn)成果綜合分析，從上到下依次為人工雜填土、素填土、淤泥粉質(zhì)粘土、粉砂夾粉質(zhì)粘土、中粗砂泥卵礫石、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂泥巖，具體地質(zhì)情況及各土層參數(shù)如表1所示。

1.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式

本工程采用整體順作法設(shè)計(jì)方案，即基坑周邊采用板式支護(hù)體系，坑內(nèi)設(shè)置內(nèi)支撐的總體方案?；覫JKAB段周邊圍護(hù)體擬地下連續(xù)墻，BCDEFGHI段段采用鉆孔灌注樁結(jié)合外側(cè)三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。本方案普遍區(qū)域兩道水平支撐，擬采用對(duì)撐+角撐邊桁架支撐體系布置。

1.4 地下水處理

IJKAB區(qū)段直接利用地連墻進(jìn)行止水；由于整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)地下水較豐富，且基坑開(kāi)挖面以下存在有透水性較好的粉砂層，因此BCDEFGHI段止水帷幕選用可靠性較高的φ850三軸深攪樁作為止水帷幕。為確?；咏邓畬?duì)周邊環(huán)境影響最小，應(yīng)采用全封閉的止水帷幕。地連墻深度進(jìn)入中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖不小于1.0m，三軸深攪樁進(jìn)入相對(duì)隔水層—粉質(zhì)粘土層內(nèi)不小于1.0m。

1.5 沉降產(chǎn)生的原因及針對(duì)地鐵隧道的保護(hù)措施

（1）由于止水帷幕深度不夠，坑底產(chǎn)生管涌；因此地連墻進(jìn)入中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，止水帷幕樁長(zhǎng)進(jìn)入相對(duì)隔水層粉質(zhì)粘土層，形成封閉止水體系，減少降水對(duì)地鐵隧道的影響。

（2）由于樁端變形過(guò)大，樁底土產(chǎn)生塑性流動(dòng)；因此支護(hù)樁樁徑適當(dāng)加大，樁長(zhǎng)適當(dāng)加長(zhǎng)，增加土方開(kāi)挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

1.6 設(shè)計(jì)施工工況

基坑開(kāi)挖深度為12.0m，基坑底標(biāo)高-12.5m，確定合理的開(kāi)挖施工順序，注意這種超大深基坑工程的時(shí)空效應(yīng)，嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范建議的“分層，分區(qū)，分塊，分段，抽槽開(kāi)挖，留土護(hù)壁，快挖快撐，先形成中間支撐，限時(shí)對(duì)稱平衡形成端頭支撐，減少無(wú)支撐暴露時(shí)間”的原則進(jìn)行開(kāi)挖。

工況一：開(kāi)挖溝槽，施工深攪樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、立柱樁、工程樁及降水井；

工況二：分區(qū)域分層開(kāi)挖土方至第一層支撐底標(biāo)高（-3.1M），澆筑樁頂圈梁及第一層鋼筋砼支撐結(jié)構(gòu)；

工況三：分區(qū)域分層開(kāi)挖土方至第二層支撐底標(biāo)高（-8.9M），澆筑鋼筋砼圍檁及第二層鋼筋砼支撐結(jié)構(gòu)；

工況四：開(kāi)挖土方至底板墊層底標(biāo)高，及時(shí)澆筑砼墊層，待墊層達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開(kāi)挖基坑內(nèi)坑中坑（集水坑等）土方，并及時(shí)施工坑中坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)；

工況五：澆筑主體結(jié)構(gòu)底板至支護(hù)樁邊，待底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除第二層鋼筋砼支撐及圍檁；

工況六：施工負(fù)一層樓板及換撐結(jié)構(gòu)，待負(fù)一層樓板及換撐結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除第一層鋼筋砼支撐；

工況七：負(fù)一層側(cè)墻及一層樓板施工，待側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后施工防水工程，及時(shí)進(jìn)行基坑側(cè)壁土方回填夯實(shí)。

2.基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵隧道影響的有限元分析

2.1 計(jì)算模型

（1） 幾何模型

采用Midas GTS巖土有限元軟件進(jìn)行三維分析，數(shù)值計(jì)算中充分考慮了基坑開(kāi)挖的影響范圍建立計(jì)算模型，其中模型長(zhǎng)（x軸方向）480.0m，寬（y軸方向）417.1m，深度方向（z方向）為50m。模型考慮了基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響。詳請(qǐng)見(jiàn)圖2-4：

（2） 材料模型

土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬；地下連續(xù)墻、地鐵站、隧道襯砌等均采用板單元模擬，并根據(jù)截面進(jìn)行剛度換算。支撐結(jié)構(gòu)梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，并考慮其接觸。其中，土體采用莫爾-庫(kù)侖模型模擬；支撐結(jié)構(gòu)以及板認(rèn)為為彈性材料。

（3） 邊界條件及初始條件

在實(shí)際中，土體為半無(wú)限空間，考慮到土體實(shí)際中為半無(wú)限空間，考慮到計(jì)算量和模型大小，采用模型階段設(shè)置邊界條件，土體底部約束z向位移，東西兩側(cè)約束x向位移自由度，南北兩側(cè)約束y向位移自由度，即認(rèn)為底部和四周不受開(kāi)挖的影響，位移為零。

計(jì)算中考慮地下水的滲流影響，以及初始固結(jié)沉降和初始應(yīng)力的影響。通過(guò)施工階段來(lái)模擬施工工況。各土層參數(shù)按工程地質(zhì)勘察報(bào)告取值，詳見(jiàn)表1。

（4）分步施工[6][7]

① 模型初始化，激活地下連續(xù)墻、地鐵站、隧道襯砌等板單元，施加初始地應(yīng)力，位移清零；

② 地下連續(xù)墻施工；

③ 基坑初次分區(qū)域分層開(kāi)挖至2.6m深（應(yīng)力分步釋放）；

④ 施加第一道支撐（支撐結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?/p>

⑤ 基坑第二次分區(qū)域分層開(kāi)挖至8.4 m深（應(yīng)力分步釋放）；

⑥ 施加第二道支撐（支撐結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?/p>

⑦ 基坑第三次分區(qū)域分層開(kāi)挖至底板墊層底12.0m深開(kāi)挖（應(yīng)力分步釋放）；

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析[8]

（1） 各施工階段隧道沉降分析

圖5為各施工階段隧道沿Z方向位移變化曲線圖，由圖可知，隧道最大絕對(duì)沉降發(fā)生在施工階段②、⑦，為0.48mm左右，最大隆起位移發(fā)生在施工階段③和施工階段⑥，分別為-1.5mm和-1.8mm。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的沉降影響都很小。

由圖6-9各施工階段Z方向位移云圖可知，基坑外（包括地鐵隧道）沉降變形非常小，大約在10-4m數(shù)量級(jí)上，可忽略不計(jì)；位移大變形還是在基坑里面。

（2） 各施工階段隧道水平位移分析

圖10為各施工階段隧道X方向位移變化曲線圖，由圖可知，正負(fù)最大向水平位移均發(fā)生在施工階段⑦，分別為-0.48和1.8mm左右。其水平非常小，幾乎可忽略不計(jì)。

3.結(jié) 論

本文介紹了某基坑工程開(kāi)挖及支護(hù)工況，并采用Midas GTS對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了不同開(kāi)挖工況下臨近地鐵隧道的沉降及水平位移，可以得到以下結(jié)論：

（1）深基坑工程由于開(kāi)挖和降水原因使得土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，并以土體變形方式表現(xiàn)出來(lái)，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，造成支護(hù)體系外的土體位移變形，從而使得周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生不均勻沉降[9][10]；但是通過(guò)采取一定的措施，可以加以控制，使得構(gòu)筑物不均勻沉降和側(cè)向變形在允許的控制范圍內(nèi)[11]。

（2）隧道地鐵站位移變形：在側(cè)向基坑支護(hù)開(kāi)挖和系基坑支護(hù)的過(guò)程中，隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移分別為-0.48mm和1.7mm，遠(yuǎn)小于20mm，滿足地鐵保護(hù)水平位移技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。在整個(gè)施工過(guò)程中，最大絕對(duì)沉降為-0.48mm，最大隆起為1.8mm，均小于20mm，滿足地鐵保護(hù)絕對(duì)沉降量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；且基坑外沉降變形非常小，可忽略不計(jì)，位移大變形還是在基坑里面。

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