地鐵風(fēng)井基坑施工對鄰近河堤結(jié)構(gòu)位移影響的數(shù)值分析

高宗祥

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

0 引 言

隨著城市地鐵的大規(guī)模建設(shè)，受城市地下空間限制，新建地鐵隧道鄰近既有構(gòu)筑物(地鐵隧道、橋梁、建筑等)難以避免，地鐵施工導(dǎo)致鄰近既有構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全問題愈發(fā)普遍。針對該類問題，張治國等[1]較早運(yùn)用整體有限元法對地鐵隧道在基坑施工過程中所產(chǎn)生的影響進(jìn)行彈塑性分析，分析結(jié)果與工程實(shí)測吻合良好；高廣運(yùn)等[2]、唐仁等[3]分別采用數(shù)值模擬方法建立了三維模型，以此分析了基坑施工對鄰近地鐵隧道的影響；宮志群等[4]通過三維有限元分析手段研究了地鐵車站施工對鄰近建筑物的疊加影響。前述工程分析實(shí)例表明，數(shù)值分析方法是目前開展鄰近施工領(lǐng)域常用的分析方法之一。為此本文建立了基坑-土體-河堤結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析地鐵風(fēng)井基坑施工對鄰近河堤結(jié)構(gòu)位移的影響，在現(xiàn)行規(guī)范下評估河堤結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

廣州地鐵十八號線盾構(gòu)隧道琶洲西區(qū)站—冼村站區(qū)間中間風(fēng)井中心里程為ZDK57+379.597，位于珠江前航道以北，北鄰臨江大道新中軸隧道，南鄰獵德-廣州大橋河堤。風(fēng)井基坑寬度37.4 m，長42.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約41.21～41.47 m，地面平整后的高程約為8.60 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+六道內(nèi)支撐，連續(xù)墻嵌固深度不應(yīng)小于2.5 m，總長超過20 m的支撐于中間設(shè)置臨時中立柱，并于立柱下設(shè)置立柱樁。連續(xù)墻為C35水下混凝土，抗?jié)B等級P8，墻厚為1 000 mm；內(nèi)支撐采用C35混凝土，其中第一道支撐、第二～六道支撐截面尺寸分為700 mm×900 mm和800 mm×900 mm，混凝土連梁截面尺寸為400 mm×600 mm，冠梁和腰梁截面尺寸分別為1 000 mm×1 000 mm和1 000 mm×1 200 mm，臨時中立柱采用Q235b。

鄰近的1級河堤獵德-廣州大橋河堤為直立式堤岸，采用拋石基床作為預(yù)制沉箱基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用大開挖斷面，臨江側(cè)主要為淤泥質(zhì)土開挖，開挖邊坡坡比采用1∶2.0，內(nèi)側(cè)臨時開挖邊坡坡比采用1∶2.0。開挖完成后拋填大塊石。拋石基床上吊裝C30鋼筋混凝土U型預(yù)制混凝土沉箱，并在沉箱上設(shè)2.1 m混凝土現(xiàn)澆胸墻作為護(hù)岸，堤頂設(shè)人行道及綠化帶。

中間風(fēng)井基坑與鄰近1級河堤結(jié)構(gòu)最近的直線距離約19.8 m，侵入河堤保護(hù)范圍；豎向上，河堤基床底埋深為7.2 m，風(fēng)井基坑底部埋深約為41.3 m，河堤底部距風(fēng)井基坑底部約為34 m，兩者相對位置關(guān)系如圖1所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)中間風(fēng)井施工影響區(qū)域?yàn)榛由疃鹊?～5倍，按3倍計算約為124 m，表明河堤結(jié)構(gòu)處于基坑施工的影響范圍內(nèi)。需要從河堤位移變化的角度分析基坑施工對河堤造成的影響。

圖1 風(fēng)井基坑與鄰近1級河提相對位置關(guān)系圖

2 場地工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土勘察報告該處場地地貌屬于珠江三角洲沖積平原，本場地地形較平坦，相對高差較小，地面高程一般為7.6～9.5 m，以水道、道路為主。

通過分析，選取中間風(fēng)井與鄰近河堤處最不利鉆孔處的地質(zhì)作為建模資料，該處地質(zhì)從地面往下依次為2.6 m的雜填土<1-2>，3.9 m的淤泥質(zhì)土<2-1B>，3.7 m的粉質(zhì)粘土<4N-2>，7.2 m的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<7-3>，4.2 m的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<8-3>，6.1 m的微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<9-3>，4.5 m的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<8-3>，以下是微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<9-3>，對應(yīng)的地層參數(shù)信息見表1。河堤位于雜填土和淤泥質(zhì)土中，中間風(fēng)井基坑坑底位于微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，地質(zhì)條件較好，對鄰近河堤的安全與穩(wěn)定有利。

表1 土體參數(shù)信息表

3 三維有限元模型

為有效模擬基坑施工過程綜合考慮地質(zhì)等條件，對三維數(shù)值模型的計算條件進(jìn)行了合理假定，主要包括：(1)根據(jù)最不利鉆孔的地層參數(shù)，假定各土層均為連續(xù)、均勻水平層狀分布的各向同性體；(2)土體簡化為理想的彈塑性體，均采用Mohr-Coulomb模型；(3)將混凝土材料構(gòu)件簡化為理想的線彈性材料，其中河堤預(yù)制混凝土沉箱和胸墻采用實(shí)體單元模擬，地連墻采用板單元模擬，內(nèi)支撐、冠梁、腰梁采用梁單元模擬。

根據(jù)河提和中間風(fēng)井的結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)以及構(gòu)筑物間的空間立體關(guān)系，以及前述合理的假定條件，采用midas GTSNX建立了三維有限元分析模型如圖2所示。為避免邊界效應(yīng)的影響，計算區(qū)域?yàn)?40 m(基坑長邊方向)×235 m(基坑短邊方向)×70 m(深)。模型邊界采用位移邊界條件，約束模型底部z方向、模型前后面y方向、模型左右面x方向。

圖2 三維有限元模型整體圖

為考慮基坑施工過程對臨近河堤的影響，對基坑主要施工過程進(jìn)行了動態(tài)模擬，共分為10個工況，分別為：工況1初始應(yīng)力場分析，位移清零；工況2河堤施工，新中軸隧道施工，位移清零；工況3建中間風(fēng)井地連墻、中立柱、立柱樁；工況4中間風(fēng)井基坑開挖第一層土體至第一道支撐底0.5 m；工況5架設(shè)中間風(fēng)井冠梁、第一道支撐，基坑開挖第二層土體至第二道支撐底0.5 m；工況6～10重復(fù)上一步，直至基坑開挖第六層土體至基底。

4 主要結(jié)果分析

通過三維有限元模型計算并對結(jié)果提取，統(tǒng)計得到各施工工況下臨近河堤結(jié)構(gòu)位移匯總見表2。圖3給出了位移最大工況下的河堤結(jié)構(gòu)位移分布云圖，分析表2可知。

表2 各施工工況河堤結(jié)構(gòu)位移結(jié)果匯總表

圖3 各位移最大工況下的河堤結(jié)構(gòu)位移分布云圖

(1)河堤水平X位移隨著基坑開挖的進(jìn)行先增大后略有減小，當(dāng)風(fēng)井第五道支撐施工時河堤水平X位移達(dá)到絕對最大值0.74 mm；(2)河堤水平Y(jié)位移總體變化趨勢與X位移一致，即隨著基坑開挖的進(jìn)行其值先增大后略有減小，風(fēng)井第五道、第六道支撐施工工況下河堤水平Y(jié)位移最大為-0.40 mm；(3)河堤豎向位移隨著基坑開挖的進(jìn)行逐漸變小，當(dāng)風(fēng)井第一道支撐施工時河堤豎向位移達(dá)到最大值為-0.24 mm；(4)在河堤三向位移中水平X位移最大、Y位移次之、豎向位移最小，由此導(dǎo)致總位移的最大值與水平位移達(dá)到最大值的工況同步，最大位移值為0.80 mm；(5)河堤豎向最大沉降值為0.24 mm，小于《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》[5]中城市主干道路基沉降控制值10 mm的要求。

5 結(jié) 論

針對前述所開展的三維數(shù)值仿真計算結(jié)果及分析，可得到結(jié)論如下：

(1)地鐵中間風(fēng)井基坑施工誘發(fā)的河堤最大總位移為0.80 mm，最大水平位移為0.74 mm，最大沉降為0.24 mm，其中最大沉降值小于規(guī)范所規(guī)定的城市主干道路基沉降控制值10 mm的限值要求，由此可認(rèn)為中間風(fēng)井開挖不會危及既有河堤結(jié)構(gòu)的安全；

(2)中間風(fēng)井基坑開挖對河堤影響區(qū)域主要為與中間風(fēng)井距離最近點(diǎn)前后10 m范圍內(nèi)，建議在項(xiàng)目后續(xù)實(shí)施中有針對性的開展監(jiān)測工作，加強(qiáng)該區(qū)域的日常監(jiān)測。