基坑開挖對(duì)臨近地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)影響安全性評(píng)估

呂秋玲, 明 亮, 汪東林

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，土地資源不斷被開發(fā)利用，受城市規(guī)劃以及環(huán)境的限制，城市軌道交通毗鄰的深基坑越來越多，基坑的開挖過程必將對(duì)周邊地層的平衡狀態(tài)產(chǎn)生影響，進(jìn)而引起周邊土體內(nèi)應(yīng)力重分布，導(dǎo)致軌道交通結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生附加應(yīng)力及附加變形，則會(huì)對(duì)軌道交通的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)可能破壞地鐵隧道結(jié)構(gòu)甚至引發(fā)安全事故，因此，對(duì)基坑開挖對(duì)臨近軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形影響程度進(jìn)行評(píng)價(jià)是非常有必要的[1]。

基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道產(chǎn)生影響的因素有很多，且機(jī)制比較復(fù)雜，很多國內(nèi)外學(xué)者做過深入的研究。魏綱等[2]提出了一個(gè)半解析半經(jīng)驗(yàn)的方法，該方法充分考慮了在基坑開挖時(shí)，基坑底部加固的遮攔效應(yīng)以及坑底與基坑側(cè)壁的卸荷應(yīng)力，并且推導(dǎo)出了可以計(jì)算由于基坑開挖而產(chǎn)生隧道位移的計(jì)算公式。Marts等[3]為了研究采用明挖法施工的基坑，其開挖過程對(duì)下臥隧道結(jié)構(gòu)的影響，通過建立二維有限元模型，預(yù)測(cè)開挖后隧道結(jié)構(gòu)的明挖效果，然后與現(xiàn)場的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，結(jié)果大致吻合，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)間比較好的一致性。Sharma等[4]為研究基坑施工過程中對(duì)臨近的2個(gè)地鐵隧道的影響，以某實(shí)際的深大基坑為工程背景，建立三維有限元模型，模擬計(jì)算了基坑施工過程中周圍兩個(gè)地鐵隧道的變形情況，分析計(jì)算結(jié)果得到隧道的襯砌剛度會(huì)影響其自身的變形，襯砌剛度越小，則位移變形越大；反之，剛度越大則位移變形越小。

本文結(jié)合臨近合肥軌道交通1號(hào)線某深基坑工程施工，采用MIDAS GTS NX有限元軟件，建立三維有限元模型，對(duì)基坑開挖影響下該處軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力及產(chǎn)生的變形進(jìn)行安全評(píng)估，為其他類似基坑工程提供了一定的參考借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程背景

工程位于合肥市濱湖新區(qū)廬州大道與福州路交口的西北角,坑深度9.7～13.35 m?；?xùn)|西向長約92 m，南北向?qū)捈s76 m，支護(hù)周長約320 m。基坑西側(cè)毗鄰廬州大道和已運(yùn)營的軌道交通1號(hào)線紫廬站-濱湖會(huì)展中心站區(qū)間；南側(cè)為已建變電站，目前變電站結(jié)構(gòu)已完成，覆土已回填；東側(cè)為車庫地下室；北側(cè)圍墻外為福州路。本基坑南側(cè)侵入軌道交通嚴(yán)格控制區(qū)，西側(cè)侵入軌道交通影響控制區(qū)。基坑西側(cè)放坡坡頂距離已運(yùn)營1號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)為8.68～18.08 m，南側(cè)利用變電站原有圍護(hù)樁，其地下室外墻與變電站外墻凈距為3.33～6.08 m。基坑西側(cè)、北側(cè)采用Φ900@1800鉆孔樁排樁和2～4層錨桿支護(hù)形式，圍護(hù)樁樁長約18.8 m，插入基坑底8.0 m；基坑?xùn)|側(cè)采用土釘墻支護(hù)；基坑南側(cè)利用既有變電站支護(hù)樁支護(hù)，采用Φ1000@1600鉆孔樁，變電站底板埋深約20.0 m，圍護(hù)樁長18.7 m，插入基坑底8.0 m。地下水采用集水明排處理。本基坑與既有軌道交通結(jié)構(gòu)的平面位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)地勘報(bào)告所述,擬建場地地貌形態(tài)均屬江淮丘陵地貌單元。擬建場地地基巖土構(gòu)成層序自上而下為：①層雜填土、②1層黏土、②層黏土、③層粉質(zhì)黏土(黏土)夾粉土(殘積風(fēng)化)、④層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑤層中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

該場地有上層滯水以及承壓水的存在，其中上層滯水賦存于①層雜填土中，其水量與水位受大氣降水影響嚴(yán)重，且分布不連續(xù)。而承壓水則埋藏于③層粉質(zhì)黏土(黏土)夾粉土(殘積風(fēng)化)中，同時(shí)在④、⑤層砂質(zhì)泥巖中埋藏有少量裂隙水?？辈炱陂g在局部地段測(cè)得上層滯水地下水靜止水位埋深1.10～4.70 m，靜止水位標(biāo)高15.45～21.79 m。

圖1 基坑與軌道交通結(jié)構(gòu)的平面位置關(guān)系圖

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算范圍與邊界條件

該基坑長約92 m，寬約76 m，基坑開挖深度為9.70～13.35 m，大量工程經(jīng)驗(yàn)顯示，大型基坑在施工過程中， 其影響深度范圍為開挖深度的2～4倍，影響寬度范圍為開挖深度的3～5倍。因此，計(jì)算模型取長×寬×高尺寸為180 m×180 m×40 m。

在確定模型的邊界條件時(shí)，由于該模型的計(jì)算區(qū)域已經(jīng)足夠大，故可以認(rèn)為模型底面不發(fā)生豎向位移，而其側(cè)面也不存在水平位移。則可以確定該模型側(cè)面為水平約束，底面為各項(xiàng)約束，而上表面為自由面。

2.2 模型參數(shù)選取

為研究基坑開挖對(duì)臨近地鐵1號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響 ，采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立三維模型進(jìn)行分析。

2.2.1 地層參數(shù)的選取

結(jié)合勘察報(bào)告并整合相似土層，得出土層的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)表

2.2.2 圍護(hù)樁單元的模擬

本基坑圍護(hù)樁主要采用鉆孔灌注樁，其直徑為900 mm，間距為1 800 mm，計(jì)算模擬時(shí)按剛度等效為厚598 mm的板。區(qū)間隧道、變電所結(jié)構(gòu)采用不同厚度的板單元模擬，并用植入式桁架單元來模擬錨桿結(jié)構(gòu)。梁、板等結(jié)構(gòu)的材料按線彈性考慮，其主要參數(shù)為泊松比υ及彈性模量E。各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料取值見表2。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料參數(shù)取值

2.3 計(jì)算工況

在整個(gè)建模過程中，為了重點(diǎn)突出基坑開挖過程對(duì)臨近軌道區(qū)間的變形影響，不詳細(xì)模擬分析區(qū)間隧道的施工過程，也不考慮基坑地連墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工過程對(duì)區(qū)間隧道的影響。在軌道交通結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后對(duì)模型進(jìn)行位移清零，這樣以便更好地分析基坑開挖對(duì)臨近軌道區(qū)間的影響。根據(jù)施工順序，計(jì)算工況如下：

工況1：初始地應(yīng)力平衡。

工況2：施作軌道交通結(jié)構(gòu)(區(qū)間隧道)。

工況3：完成第一級(jí)土層開挖(地表至冠梁底標(biāo)高)，施作圍護(hù)樁。

工況4：開挖至第一道錨索標(biāo)高，施作錨索。

工況5：開挖至第二道錨索標(biāo)高，施作錨索。

工況6：開挖至第三道錨索標(biāo)高，施作錨索。

工況7：開挖至第四道錨索標(biāo)高，施作錨索。

工況8：開挖至基坑底。

工況9：施作樁基及地下室結(jié)構(gòu)，施加上部建筑荷載。

2.4 三維有限元計(jì)算與分析

結(jié)合該基坑工程的實(shí)際施工工況，采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立三維數(shù)值模型，其尺寸長×寬×高為180 m×180 m×40 m，如圖2所示。

圖2 整體三維有限元模型

2.4.1 隧道區(qū)間水平位移分析經(jīng)軟件分析計(jì)算，基坑開挖過程中各個(gè)工況下隧道區(qū)間的水平位移如圖3所示。

從圖3中我們不難看出，在基坑開挖的整個(gè)過程當(dāng)中，隧道區(qū)間產(chǎn)生了水平位移，且方向偏向基坑一側(cè)，隨著開挖深度不斷加大，其水平位移變形也逐漸增大；當(dāng)開挖至基坑底部時(shí)，近基坑側(cè)隧道區(qū)間中間腰部的位置出現(xiàn)了最大變形，最大水平位移約為2.05mm，隧道區(qū)間整體的變形呈現(xiàn)中間大兩邊小的形式。

圖3 基坑開挖過程中隧道區(qū)間沿X方向的水平位移(單位：m)

2.4.2 隧道區(qū)間豎向位移分析

利用MIDAS/GTS模擬計(jì)算出基坑開挖各工況下隧道所產(chǎn)生的豎向位移如圖4所示。

圖4 基坑開挖過程中隧道區(qū)間豎向位移(單位：m)

由圖可知，在整個(gè)基坑開挖過程中，遠(yuǎn)基坑側(cè)隧道在豎直方向上略微下沉，而且其沉降量伴隨著基坑開挖不斷加深也在不斷增大，當(dāng)開挖至基坑底部時(shí)，出現(xiàn)最大沉降位移，位置出現(xiàn)在遠(yuǎn)基坑側(cè)隧道中間腰部位置，沉降量約為0.38 mm，其總體沉降趨勢(shì)為中間大兩邊??；近基坑隧道則在豎直方向上略微隆起，而且其隆起量也隨著基坑開挖不斷加深也在不斷增大，當(dāng)開挖至基坑底部時(shí)，近基坑側(cè)隧道中間腰部位置出現(xiàn)了最大隆起位移，隆起量約為0.85 mm，其總體隆起趨勢(shì)也是中間大兩邊小。

基坑施工各工況對(duì)鄰近區(qū)間結(jié)構(gòu)的位移影響匯總?cè)绫?所示。

表3 各工況基坑施工對(duì)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的位移影響

由數(shù)值模擬結(jié)果知，基坑開挖對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)的最大附加水平位移約2.05 mm，最大附加豎向位移為0.85 mm。以上各工況累計(jì)位移值均低于控制值5 mm，故基坑施工對(duì)區(qū)間結(jié)構(gòu)的位移影響在可控范圍內(nèi)。

3 結(jié)構(gòu)承載力及抗裂驗(yàn)算分析

工況8下區(qū)間結(jié)構(gòu)軸力及彎矩圖如圖5所示。

圖5 工況8下隧道區(qū)間軸力圖

圖6 工況8下隧道區(qū)間彎矩圖

結(jié)構(gòu)承載力及裂縫寬度按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。結(jié)構(gòu)混凝土等級(jí)C35，抗拉鋼筋種類HRB400。各工況下，區(qū)間結(jié)構(gòu)不同部位的最大彎矩、承載力及抗裂驗(yàn)算見表4。

表4 區(qū)間結(jié)構(gòu)承載力及抗裂驗(yàn)算

綜上所述，基坑開挖誘發(fā)軌道區(qū)間發(fā)生一定程度的位移，預(yù)測(cè)軌道區(qū)間的最大水平位移為2.05 mm，最大豎向位移為0.85 mm；隧道區(qū)間的受力水平處于較低的狀態(tài)，且其受力的變化量比較小，故認(rèn)為該深基坑的施工過程不危及軌道區(qū)間的結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)束語

(1) 該隧道區(qū)間受基坑開挖影響，其產(chǎn)生的最大水平位移為2.05mm，最大豎向位移為0.85mm。

(2) 在整個(gè)基坑開挖過程中，臨近軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)受開挖的影響，其受力狀態(tài)發(fā)生一定的變化，但比較各個(gè)工況下的軸力及彎矩，其變化量可以忽略不計(jì)，所以該軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)受基坑開挖的影響，其受力處于較低的水平，結(jié)構(gòu)受力的變化量都比較小，幾乎可以忽略不計(jì)。

(3) 通過結(jié)構(gòu)承載力及裂縫寬度驗(yàn)算，得出各個(gè)工況，隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)各部位的承載力以及裂縫寬度均可滿足規(guī)范要求，基坑開挖對(duì)臨近隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)使用安全的不利影響是可控的，故可以認(rèn)為該基坑開挖過程不危及軌道區(qū)間的結(jié)構(gòu)安全。