深基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響研究

劉 勇

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津分院，天津 300073）

隨著城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，人們?cè)絹?lái)越來(lái)重視建筑結(jié)構(gòu)的安全性；深基坑開(kāi)挖對(duì)周圍建筑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的影響[1]。既有地鐵車站周邊存在待建深基坑工程的情況較為常見(jiàn)，而基坑開(kāi)挖可能會(huì)擾動(dòng)周邊圍巖,改變地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),引起地鐵結(jié)構(gòu)變形[2]，嚴(yán)重者甚至造成一定的損壞。本文根據(jù)天津某地鐵周邊深基坑工程情況，運(yùn)用有限元軟件Midas GTS NX模擬其開(kāi)挖工況，對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行分析，從而為既有地鐵結(jié)構(gòu)的保護(hù)提供依據(jù)。

1 工程概況

某項(xiàng)目鄰近地鐵車站出入口，地下二層，基坑深度約為9.05 m，框架結(jié)構(gòu)，灌注樁基礎(chǔ)，地下室側(cè)墻距離地鐵出入口最小水平凈距約16.4 m。基坑支護(hù)采用1道鋼筋混凝土桁架撐+鉆孔灌注樁+止水帷幕形式；鄰近地鐵一側(cè)止水帷幕采用CSM或TRD水泥土地下連續(xù)墻，墻深23.0 m、厚700 mm，其余區(qū)段止水帷幕采用三軸水泥攪拌樁。見(jiàn)圖1。

圖1 待建深基坑工程與地鐵出入口位置關(guān)系

2 本構(gòu)模型選取

本構(gòu)模型的選取直接影響計(jì)算結(jié)果的可靠性。各數(shù)值分析軟件中，均包含多種本構(gòu)模型，地下結(jié)構(gòu)一般為混凝土或鋼材料，采用各向同性彈性模型；土體則有摩爾-庫(kù)倫模型、Drucker-Prager模型、D-P塑性和蠕變的耦合模型以及修正劍橋模型、修正摩爾-庫(kù)倫模型等，不同模型具有不同適用性。修正的摩爾-庫(kù)倫模型能有效地對(duì)基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬，其數(shù)值結(jié)果耦合性較好，能給出較為合理的圍護(hù)支擋結(jié)構(gòu)變形、土體變形、周邊環(huán)境變形情況，可以滿足工程實(shí)例三維有限元數(shù)值模擬要求[3]。因此，本次計(jì)算土體選取修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型[4]，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，模擬基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

采用Midas GTS NX巖土有限元軟件建立整體三維元模型進(jìn)行計(jì)算分析。為消除模型邊界效應(yīng)，基坑以外四面取4倍的開(kāi)挖深度，X軸方向取390 m，Y軸方向取280 m，Z軸方向取45 m。模型計(jì)算采用混合四面體單元，共劃分單元322 172個(gè)，節(jié)點(diǎn)60 111個(gè)。見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 整體模型

圖3 結(jié)構(gòu)模型

3.2 計(jì)算假設(shè)

1）認(rèn)為各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)。

2）將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍護(hù)樁通過(guò)抗彎剛度折減，等效成連續(xù)的板單元。

3）樁基與土層之間為摩擦接觸。

4）采用施工步來(lái)模擬整個(gè)施工過(guò)程，考慮施工過(guò)程中空間位移的變化，不考慮時(shí)間效應(yīng)。

3.3 模型邊界條件

模型頂面為自由面，無(wú)約束；底面約束豎向位移[5]；四個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無(wú)約束。

3.4 計(jì)算參數(shù)

為了更好地反映基坑開(kāi)挖施工過(guò)程對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算中土體采用小應(yīng)變硬化的本構(gòu)模型。土體相關(guān)參數(shù)來(lái)自工程地質(zhì)勘查報(bào)告和工程經(jīng)驗(yàn)。見(jiàn)表1。

表1 土體及結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

地鐵結(jié)構(gòu)、樁基等的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型結(jié)構(gòu)體計(jì)算參數(shù)

3.5 分析步設(shè)置

為方便計(jì)算，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)相關(guān)工序進(jìn)行合并計(jì)算，本次計(jì)算共分6個(gè)步驟。

第一步，形成初始應(yīng)力場(chǎng)，施作既有地鐵結(jié)構(gòu)，位移清零。

第二步，施工地下室樁基及圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

第三步，地下室基坑第一步土體開(kāi)挖并架設(shè)第一道支撐。

第四步，地下室基坑開(kāi)挖至坑底。

第五步，施工地下室結(jié)構(gòu)。

第六步，拆除地下室基坑第一道支撐并回填覆土。

4 計(jì)算結(jié)果

既有地鐵出入口結(jié)構(gòu)整體以沉降為主并向基坑內(nèi)移動(dòng)，水平及豎向位移均在距離深基坑最近處數(shù)值最大，分別為3.01、3.93 mm；隨著與距離基坑加大，豎向及水平位移減小。見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 地下室施工完成后地鐵出入口結(jié)構(gòu)位移

圖5 地塊地下室施工過(guò)程中地鐵出入口最大位移

5 結(jié)論與建議

1）深基坑施工期間對(duì)既有建筑物的變形影響總體可控，但應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注與在建深基坑相鄰處。在設(shè)計(jì)方案中，地塊基坑支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地鐵保護(hù)加強(qiáng)措施，在保證支護(hù)剛度足夠、分步開(kāi)挖距離合理的情況下，對(duì)控制支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形和周邊地表沉降是十分有利。

2）深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑底部及邊緣土體向隆起趨勢(shì)，在土體變形傳遞效應(yīng)的影響下地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的沉降和水平位移；特別是在拆除基坑支撐時(shí)，出入口沉降值明顯增大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拆撐工況，必要時(shí)對(duì)基坑加設(shè)支撐以保證安全。