基于MIDAS的深基坑開挖變形及其對(duì)鄰近地鐵隧道的影響研究

石顯祥

(福建巖土工程勘察研究院有限公司，福建 福州 350108)

0 引言

隨著我國城市化和建筑技術(shù)的飛速發(fā)展，城市地下空間發(fā)揮著越來越重要的作用[1]，近些年深基坑工程[2-4]屢見不鮮。隨著基坑規(guī)模和開挖深度的不斷變大，加之周邊環(huán)境的復(fù)雜多變，施工中對(duì)其變形的要求越來越嚴(yán)格[5-6]。一方面，基坑的施工要保證自身安全穩(wěn)定[7-9]；另一方面，要盡可能減少其對(duì)周邊地鐵隧道和管線等建(構(gòu))筑物的影響[10-11]。因此研究和控制深基坑在施工中的變形具有重要意義。本文結(jié)合臨近地鐵隧道的某寫字樓基坑開挖，利用有限元研究了各施工步驟中其自身的變形及對(duì)臨近隧道的影響，計(jì)算結(jié)果可有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，保證基坑和地鐵結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

擬建工程為某商業(yè)寫字樓，該工程包括地下3層和地上28層，為框剪(筒)結(jié)構(gòu)。該建筑場(chǎng)地南側(cè)為地鐵2號(hào)線，其用地紅線為25 m，新建寫字樓地下室外墻與地鐵2號(hào)線的嚴(yán)格控制線距離為2.3 m。本建筑基坑為臨時(shí)性工程，其開挖深度為12.5 m，安全等級(jí)為一級(jí)。在基坑施工時(shí)，選用兩層水平混凝土支撐和鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)，并在其四周設(shè)置止水帷幕。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探資料可知該地層由上至下分別為雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉土夾粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化砂巖，其深度及力學(xué)參數(shù)見表1。

2 有限元模型的建立

本文基于有限元軟件MIDAS進(jìn)行仿真計(jì)算，研究基坑開挖過程中其自身變形及對(duì)臨側(cè)地鐵的影響。在考慮基坑開挖引起的初始應(yīng)力后，本基坑的施工步驟可以被劃分為分析初始應(yīng)力、施工圍護(hù)墻和格構(gòu)柱、開挖第一層(至0.8 m)、設(shè)置混凝土支撐和冠梁(第一道)、開挖第二層(至8.0 m)、設(shè)置混凝土支撐和冠梁(第二道)、開挖第三層(至12.5 m)、施工地板、結(jié)構(gòu)主體的施工。施工中各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2。

表1 地層構(gòu)成及力學(xué)參數(shù)Table 1 Stratum composition and mechanical parameters

表2 各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 2 Material parameters of each structure

本文建立的有限元模型實(shí)體單元數(shù)為76 600，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為56 082。有限元模型的荷載主要包括房屋荷載、測(cè)量荷載及自重荷載。開挖前后的有限元模型見圖1。

3 深基坑開挖內(nèi)力變形分析

3.1 混凝土支撐軸力分析

開挖完成第三層后，兩道混凝土支撐的軸力云圖見圖2。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

圖2 混凝土支撐軸力云圖Fig.2 Cloud diagram of concrete support axial force

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，第一道和第二道混凝土支撐的最大軸力分別為520 kN和1270 kN，均在安全范圍內(nèi)。兩道混凝土支撐軸力的最大值均出現(xiàn)在開挖結(jié)構(gòu)、底板施工時(shí)。相比于第一道混凝土支撐，第二道混凝土支撐承受的軸力更大，最大值出現(xiàn)在基坑的拐角處。因此，第二道混凝土支撐對(duì)基坑的穩(wěn)定和安全比較重要，在施工和監(jiān)測(cè)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

圖3為開挖第一、二、三層水平位移計(jì)算云圖。由圖3可知，隨著基坑開挖深度的增大，維護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移有如下特點(diǎn)：

1)在開挖基坑前，維護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移基本為0；第一步開挖后，最大水平位移較小僅為2.0 mm。

2)隨著開挖的推進(jìn)，維護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移越來越大，第二步的最大值為7.2 mm，但小于《建筑基坑支護(hù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)中規(guī)定的0.25%h=32 mm(h為基坑開挖程度)，說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定和安全的狀態(tài)。

3)隨著開挖的進(jìn)行，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移出現(xiàn)的位置不斷下移，最終在施工完成后呈現(xiàn)中間大兩頭小的狀態(tài)。

4)基坑開完后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移可能會(huì)隨著應(yīng)力重分布發(fā)生較小的變化，但處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 不同開挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖(圖中數(shù)字為位移值，單位為m)Fig.3 Cloud diagram of horizontal displacement of the envelope structure at different excavation stages(Digit is displacement value in m)

3.3 土層地表沉降分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)的坑底隆起及水平變形均會(huì)使地面發(fā)生沉降變化[12-13]，基坑開挖引起的地表沉降有限元云圖見圖4。圖5為各個(gè)開挖步驟對(duì)應(yīng)的地表沉降值。

圖4 基坑開挖后地表沉降云圖(圖中數(shù)字為位移值，單位為m)Fig.4 Cloud image of ground settlement after foundation ditch excavation(Digit is displacement value in m)

圖5 不同開挖階段地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curves at different excavation stages

綜上，當(dāng)基坑開挖，尚未設(shè)置支撐時(shí)，由于土體被移除，造成側(cè)向土壓力引起周圍土體向坑內(nèi)的位移，沉降最大值出現(xiàn)在坑壁處，地層的沉降曲線呈“三角形”。設(shè)置支撐后，最大沉降出現(xiàn)的位置遠(yuǎn)離基坑，位移最大值為1.45 cm，小于規(guī)范規(guī)定容許值。

4 基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響

4.1 地鐵隧道位移分析

建筑基坑的開挖會(huì)引起2號(hào)地鐵隧道水平方向的位移，不同開挖步驟對(duì)應(yīng)的水平位移云圖見圖6。

由圖6可知，隨著開挖的進(jìn)行，水平位移值不斷變大，第一步、第二步和第三步基坑開挖對(duì)應(yīng)的水平位移值分別為1.7 mm、4.9 mm和7.0 mm，小于10 mm，出現(xiàn)最大水平位移的部位均為靠近基坑開挖側(cè)隧道的中部。

不同開挖步驟對(duì)應(yīng)的豎向位移云圖見圖7。隨著開挖的進(jìn)行，豎向位移值同樣不斷變大，第一步、第二步和第三步基坑開挖對(duì)應(yīng)的水平位移值分別為1.9 mm、4.3 mm和6.2 mm，小于10 mm，滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)最大水平位移的部位均為遠(yuǎn)離基坑開挖側(cè)隧道的拱頂處。

圖6 不同開挖階段地鐵隧道水平方向位移云圖(圖中數(shù)字為位移值，單位為m)Fig.6 Cloud diagram of horizontal displacement of subway tunnels at different excavation stages(Digit is displacement value in m)

圖7 不同開挖階段地鐵隧道豎向位移云圖(圖中數(shù)字為位移值，單位為m)Fig.7 Cloud diagram of vertical displacement of subway tunnels at different excavation stages(Digit is displacement value in m)

4.2 地鐵隧道變形的原因分析

1)地鐵隧道埋深的影響?；娱_挖會(huì)對(duì)不同埋深的隧道產(chǎn)生不同的影響[14]，本文利用有限元計(jì)算了埋置深度分別為8 m、10 m、12 m和14 m地鐵隧道水平和豎向位移，結(jié)果見圖8。由圖8可知，隨著埋置深度的增大，隧道水平和豎向位移均不斷減小。但當(dāng)埋置深入大于一定的范圍后，其對(duì)位移的影響逐漸減小。因此合理控制地鐵隧道埋深制度可以有效控制變形。

2)地鐵隧道距基坑距離的影響。為了研究基坑對(duì)不同距離隧道的影響，本文利用有限元計(jì)算了基坑與隧道間距分別為8 m、10 m、12 m和14 m對(duì)應(yīng)的地鐵隧道水平和豎向位移，結(jié)果見圖9。由圖9可知，與埋置深度類似，基坑與隧道距離越近，其水平和豎向位移變形越大。但距離超過一定距離范圍后，地鐵位移減小的效果不明顯。

5 結(jié)論

1)當(dāng)完成深基坑開挖后，第二道混凝土支撐軸力遠(yuǎn)大于第一道，合理設(shè)計(jì)第二道支撐的尺寸和位置及施工時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)較為關(guān)鍵。

圖8 不同埋置深度對(duì)應(yīng)的地鐵隧道位移Fig.8 Metro tunnel displacements corresponding to different embedding depths

圖9 不同距離對(duì)應(yīng)的地鐵隧道位移Fig.9 Metro tunnel displacements corresponding to different distances

2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形隨著開挖深度的增加而增大，且水平位移最大值逐漸向下移動(dòng)，基坑開挖完成后位移和應(yīng)力趨于穩(wěn)定，最終為中間大兩頭小的狀態(tài)。

3)在基坑開挖尚未設(shè)置支撐時(shí)，沉降最大值出現(xiàn)在坑壁處，地表土層的沉降曲線為“三角形”；設(shè)置支撐后，最大沉降值出現(xiàn)的位置遠(yuǎn)離基坑。

4)深基坑的開挖對(duì)臨近地鐵產(chǎn)生了斜向坑底的位移?；娱_挖引起的豎向位移和水平位移的最大值分別為7.2 mm和6.2 mm，處于安全范圍內(nèi)。

5)地鐵隧道的埋深和其與基坑間距離均會(huì)對(duì)地鐵隧道的變形產(chǎn)生影響。具體為隨著埋深和距離的增加，地鐵變形越來越小，但過大的埋深和距離對(duì)控制地鐵隧道變形并不明顯，因此合理控制埋深和距離可以經(jīng)濟(jì)有效地控制地鐵的隧道變形。