城市地下開挖對(duì)鄰域既有工程的影響機(jī)理及處理措施

李鵬飛，胡江春，魯家濠，劉克文

（1.中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.云南省第十四冶金建設(shè)有限公司，云南 昆明 650093）

1 引言

隨著城市的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，受城市空間和環(huán)境的限制，大多數(shù)城市都不同程度地出現(xiàn)了包括建筑用地、生存空間、交通運(yùn)輸?shù)扔玫夭蛔愕默F(xiàn)象。因此，城市地下空間的開發(fā)是非常必要的。隨著地下空間開發(fā)的推進(jìn)，新建工程對(duì)相鄰建筑物必然會(huì)產(chǎn)生影響，如果處理不當(dāng)這種影響將造成重大安全事故[1-4]。為了緩解地面交通壓力，越來越多城市開始修建地鐵，而地鐵隧道和普通的山嶺隧道有所不同，城市地下空間交錯(cuò)復(fù)雜，在城市地跌隧道選擇線路中，很多建筑物需要保留，所以減小城市地下空間建筑物之間的相互影響與地下空間的利用程度有著直接的關(guān)系[5-6]。

在城市地下工程的建設(shè)中，由于城市工程的特殊性和地下工程的特點(diǎn)，不可避免地會(huì)破壞土體原來的物理特性和力學(xué)平衡，如在施工過程中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)基坑失穩(wěn)、地表以及周邊建筑物沉降，直接影響地面和相鄰建筑物原有的穩(wěn)定，城市地下工程的安全性問題是地鐵建設(shè)和地下空間利用最核心的技術(shù)問題[7-9]。所以本文中提出的減小城市地下工程之間的相互影響非常必要。

在研究擬建場(chǎng)地地下工程相互影響時(shí)采用有限元軟件ABAQUS模擬的方法，模擬分析了地下工程土體開挖過程中土體以及相鄰構(gòu)筑物的水平豎向位移，通過在地下工程間是否設(shè)置隔離樁進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析是否設(shè)置隔離樁對(duì)土體以及相鄰構(gòu)筑物位移的影響[10-12]。

本文以擬建場(chǎng)地鄰近地鐵3號(hào)線隧道剖面為例，通過是否設(shè)置隔離樁分析對(duì)比基坑開挖至基底過程中土體以及鄰近建筑物的水平豎向位移情況。

2 工程概況

擬建場(chǎng)區(qū)位于昆明斷陷湖積盆地邊緣，屬?zèng)_、洪積、濱湖積盆地地貌。場(chǎng)地位于原昆明市政府舊址之上，屬拆舊建新工程。場(chǎng)地地形平坦、開闊，高差較小，場(chǎng)地總體呈東北高、西北低之勢(shì)，地形坡度小于1%。場(chǎng)地地基土從上自下分為淺部人工填土層（①層），沖洪積地層（②-③層），湖積-濱湖積地層（④-⑩層）。其中，地層分布主要以（濱）湖積地層為主。土層物理力學(xué)性質(zhì)匯總?cè)绫?所示。

場(chǎng)地地處東風(fēng)路、北京路尚義街及尚義巷之間，北側(cè)為東風(fēng)路，與金格中心相鄰，西側(cè)為北京路，與茶花公園相鄰，東側(cè)為尚義巷，并與白塔花園住宅小區(qū)相鄰，南側(cè)為尚義街。由于地鐵建設(shè)，東風(fēng)路暫時(shí)封閉，臨時(shí)道路從場(chǎng)地中穿過，并于2012年10月2日恢復(fù)原東風(fēng)路通行，其中茶花公園圍墻與擬建場(chǎng)地紅線相鄰。如圖1所示。

基坑挖深22.7m。鄰近在停工期間已經(jīng)盾構(gòu)完成的地鐵3號(hào)隧道，基坑與隧道最近僅約14m。擬在坑外設(shè)置隔離樁并預(yù)埋跟蹤注漿孔。隔離樁樁徑800mm，樁間距1200mm，插入至基底以下21m；地下連續(xù)墻外邊線普遍退地塊紅線3 m，隔離樁普遍設(shè)置在紅線和地下室外墻之間，即樁中心距離地下室外墻外邊線1.5m；樁頂設(shè)置連通的壓頂梁，并于原地下連續(xù)墻壓頂梁間設(shè)置橫梁連接，以增強(qiáng)隔離樁的整體性。

本項(xiàng)目為拆舊建新工程，項(xiàng)目占地面積約有5.33hm2，擬建建筑包括1棟62層塔樓，總高338 m，1棟180m高塔樓、1棟152m高塔樓及8層的商業(yè)住宅，總建筑面積約40萬m2。擬建場(chǎng)地為整體開挖地下室，地下室為4層，其中塔樓部分基坑開挖深度預(yù)計(jì)在現(xiàn)地面下32m，其他部分開挖深度預(yù)計(jì)在現(xiàn)地面下28m。

土層物理力學(xué)性質(zhì)匯總表 表1

圖1 平面布置圖

3 相鄰工程的相互影響研究

3.1 基本簡化

通過對(duì)基坑計(jì)算剖面的簡化，建立平面應(yīng)變有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)基坑開挖卸荷過程產(chǎn)生的附加變形進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。主要的簡化如下。

①初始應(yīng)力場(chǎng)的模擬：根據(jù)勘察報(bào)告提供的不同土層剖面，考慮不同的土體分層條件和重度，計(jì)算基坑開挖前土體初始應(yīng)力場(chǎng)分布。同時(shí)模擬了圍護(hù)體施工對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)等的影響。

②連續(xù)介質(zhì)的模擬：有限元數(shù)值計(jì)算中土體采用硬化彈塑性模型。

③基坑開挖過程的模擬：通過有限元軟件的“單元生死”模擬基坑工程地下連續(xù)墻施工、各層土體的分層開挖以及各道支撐的施工過程，根據(jù)基坑工程“順作法”施工工況全過程模擬基坑開挖的全過程。

3.2 計(jì)算模型選擇

計(jì)算模型包括了土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地鐵隧道、車站、隧道端頭井和建筑結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。其中土體材料采用彈塑性模型模擬，計(jì)算單元為三角形15節(jié)點(diǎn)單元；混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用線彈性模型模擬。分析模型的水平向?yàn)閄向，豎直向?yàn)閅向。水平方向按照基坑尺寸關(guān)系建模，并考慮一定的開挖影響范圍，深度則取至足夠深度。對(duì)左邊界施加X向位移約束，底邊界施加X、Y向約束，對(duì)稱邊施加對(duì)稱約束邊界條件。計(jì)算模型相關(guān)參數(shù)如表2所示。

計(jì)算模型參數(shù) 表2

3.3 計(jì)算工況確定

計(jì)算分析工況表 表3

為評(píng)估隔離樁的作用，分別進(jìn)行了原設(shè)計(jì)條件無隔離樁和在停工狀態(tài)下增打隔離樁兩種工況。普遍區(qū)域的計(jì)算工況如表3所示。

3.4 相互影響機(jī)理分析

針對(duì)本工程的特點(diǎn)，基坑圍護(hù)體采用1000mm厚地下連續(xù)墻，同時(shí)在坑內(nèi)豎向設(shè)置四道混凝土支撐。隧道圓心距地表20m，兩隧道外徑距離約9.5m，隧道半徑3.1m，右側(cè)隧道距地下連續(xù)墻約18.3m。

下文以擬建場(chǎng)地鄰近地鐵車3號(hào)線隧道剖面為例，給出設(shè)置隔離樁與否的計(jì)算模型和開挖至基底的變形結(jié)果云圖。

3.4.1 相鄰工程開挖的影響

圖2 不設(shè)隔離樁計(jì)算模型

圖3 不設(shè)離樁開挖至基底土體水平位移云圖

圖4 不設(shè)隔離樁開挖至基底土體豎向位移云圖

分析位移結(jié)果云圖得出：

①不設(shè)置隔離樁時(shí)地下連續(xù)墻最大水平位移45.3 mm，隧道的最大水平位移6.65 mm，見圖3；

②不設(shè)隔離樁時(shí)明通河箱涵的最大豎向位移-15.36 mm，隧道的最大豎向位移-5.68 mm，地表沉降-22.58 mm，見圖4。

3.4.2 支護(hù)加固后的效果

分析位移結(jié)果云圖得出：

①設(shè)置隔離樁時(shí)地連墻最大水平移38.86 mm，右線隧道的最大水平位移5.59 mm，左線隧道的最大水平位移3.62 mm，見圖6；

圖5 設(shè)隔離樁計(jì)算模型

圖6 設(shè)隔離樁開挖至基底土體水平位移云圖

圖7 設(shè)隔離樁開挖至基底土體豎向位移云圖

②設(shè)置隔離樁時(shí)明通河箱涵的最大水平位移-12.16 mm，右線隧道的最大豎向位移-3.98 mm，左線隧道的最大水平位移-7.71 mm，地表沉降-19.76 mm，如圖7所示。

通過對(duì)比分析是否設(shè)置隔離樁兩種工況相鄰構(gòu)筑物的水平豎向位移發(fā)現(xiàn)：

對(duì)比計(jì)算結(jié)果，可以得到設(shè)置隔離樁后，地表沉降有一定程度的減小，地下連續(xù)墻以及周圍構(gòu)筑物的位移明顯減小。

4 討論

有限元計(jì)算所得鄰近建筑物及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形匯總?cè)绫?所示。

由表4計(jì)算結(jié)果可以看出，采用隔離樁加固后，鄰近地鐵隧道、明通河箱涵及地表沉降的最大附加變形均比未設(shè)置隔離樁有所減小。

5 結(jié)論

本文以擬建場(chǎng)地鄰近地鐵車3號(hào)線隧道剖面為研究對(duì)象，對(duì)是否設(shè)置隔離樁進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)是否設(shè)置隔離樁對(duì)鄰近構(gòu)筑物的水平豎向位移進(jìn)行了分析比較，得出如下結(jié)論：

計(jì)算結(jié)果匯總表 表4

①設(shè)置隔離樁可以有效控制地表沉降，有效降低施工過程中的不安全因素；

②通過設(shè)置隔離樁加固后，相鄰構(gòu)筑物的水平豎向位移都有所減小；

③相鄰構(gòu)筑物之間設(shè)置隔離樁可以有效的減小相鄰構(gòu)筑物之間的相互影響。