重慶國泰廣場項目深基坑邊坡對輕軌隧道安全性影響研究

張 虎，余向前，秦勝菊

（太原王孝雄建筑設計院重慶分院，重慶400015）

重慶國泰廣場項目深基坑邊坡對輕軌隧道安全性影響研究

張 虎，余向前，秦勝菊

（太原王孝雄建筑設計院重慶分院，重慶400015）

深基坑邊坡與已建相鄰重要建(構)筑物相互影響問題一直都是巖土工程中的一個熱點問題和難點問題。由于建立在極限平衡原理基礎上的各種巖土體分析方法均沒有考慮基坑開挖引起的巖土體應力場和位移場等的變化，所以不能反映深基坑邊坡工程的實際情況。該文結合重慶某工程實例，采用國際通用的大型有限元程序ANSYS、MIDAS/GTS分析深基坑邊坡開挖過程中基坑周圍巖土體的應力場、位移場、內力及塑性區分布等的變化情況，另采用已建相鄰工程進行類比分析，來評估深基坑邊坡與相鄰重要建(構)筑物相互影響程度，以及工程的安全性、可行性。

深基坑邊坡；彈塑性有限元分析；樁錨支護方案；位移；應力

1 前言

某公司擬在重慶市渝中區解放碑修建重慶國泰廣場項目工程。根據擬建建筑物平面圖可知，擬建場區將進行基坑開挖，開挖深度約30.5m，±0.000絕對標高為243.00m，地下室地坪標高為212.50m。擬建場區上部為廣場，下部為地下建筑物，其層數為5F，建筑面積約為9.5萬m2。建筑場地地下室開挖后，將在四周形成長約620m，高約29～30.5m的巖質邊坡，其中EF段基坑邊坡與輕軌交通二號線臨江門車站隧道相鄰，臨江門車站隧道毛洞凈寬23.040m，凈高20.578m。據渝中區政府拆遷范圍線可知，擬建建筑物邊線與軌道交通二號線臨江門車站隧道二次襯砌外緣最小水平距離為6.2m。

綜合考慮以上條件，該項目建筑結構外側與軌道交通二號線二次襯砌外緣線安全距離的取值及相應基坑邊坡支護方案的選取就成為影響兩者安全的關鍵問題。針對此問題，有專家建議基坑局部范圍逆作，即先預留19m巖墻厚度（含紅線與洞室外邊線10m），采用順作法，然后靠隧道側第一開間（10～19m范圍）利用樓層梁板體系支頂，逆作基坑邊坡；也有專家建議基坑全斷面逆作，即指利用樓層梁板體系支頂，逆作基坑邊坡，僅保留原紅線與洞室外緣的巖墻；然而，考慮到重慶地區實際情況，多數專家傾向于樁錨支護方案(詳見圖1)，即先支擋后開挖（重慶市設計院現設計方案），同時安全距離擬定為10m。

圖1 樁錨支護方案示意圖

為了確保已建輕軌隧道及擬建基坑邊坡的安全性，我們圍繞10m的安全距離及樁錨支護方案，從以下三個方面進行分析與研究：

（1）在10m，12m，14m，17m，20m安全距離及樁錨支護方案前提下，采用國際通用的大型有限元程序ANSYS模擬和預測在基坑邊坡施工時及竣工后，該處軌道交通隧道位移、應力場、內力及塑性區分布等的變化情況。

（2）在10m安全距離及樁錨支護方案前提下，采用國際通用的大型有限元程序MIDAS/GTS模擬和預測在基坑邊坡施工時及竣工后，該處軌道交通隧道位移、應力場等的變化情況。

（3）收集已建相鄰基坑邊坡相關資料，從基坑深度，安全距離，基坑支護方案及地質參數四個方面進行工程類比分析。

最后，通過以上三個方面的分析與研究，來評估10m的安全距離及樁錨支護方案的安全性、可行性。

2 數值模擬分析與研究

2.1 計算參數研究

2.1.1 巖體彈塑性破壞準則

理論分析與實踐經驗均表明，Druker-Prager準則(簡稱D-P準則)是目前有限元分析中能較好地模擬巖體力學特性的巖體彈塑性破壞準則，一方面它克服了庫侖準則在角點處導數不連續的問題，另一方面也很容易與庫侖準則結合起來確定計算參數。因此，該工程計算中巖體彈塑性破壞準則采用D-P準則。

表1 國泰廣場項目巖土工程勘察報告巖土體物理力學參數建議值

表2 臨江門暗挖車站隧道修建技術研究報告采用的巖土體物理力學參數值

2.1.2 巖土體物理力學參數研究

計算分析有關參數根據地勘報告、臨江門暗挖車站隧道修建技術研究報告及相關規范取值，詳見表1、表2。

該項目所在場地基巖巖性主要為中風化砂巖和中風化泥巖，在分析中地基巖體均按實際情況模擬。對于有錨固系統的巖體，一般認為錨固作用的主要機理是提高圍巖的整體性，從而改善巖體的受力性能。研究表明，錨固作用使巖體材料的C、Φ值都得到了提高。根據研究成果和實際工程經驗，數值計算中為了簡化起見，可將錨固效應考慮成巖體的內聚力C值提高10%～20%來模擬。本次數值模擬分析僅考慮軌道交通隧道二次襯砌的作用，不考慮隧道錨桿的錨固效應，可視為安全儲備。

圖2 國泰廣場項目與軌道交通二號線剖面關系圖

2.2 彈塑性有限元分析

項目平面位置位于軌道交通二號線保護線之內，該項目建筑結構外側距軌道交通二號線二次襯砌外緣線安全距離擬定為10m，同時擬采用樁錨支護方案。該工程彈塑性有限元分析簡化為平面問題進行計算，詳見圖2。

2.3 計算模型簡介

計算模型取A-A斷面（詳見圖2）的實際尺寸，模型頂為隧道所處的埋深，土層按荷載考慮，為了減小邊界效應，設置隧道邊緣至模型邊緣的距離為隧道寬度的2.5倍，隧道底部至模型邊緣的距離設置為隧道高度的2.5倍，模型的尺寸為58×100m。計算模型左、右邊界為X方向約束，底部邊界為Y方向約束，頂部邊界為自由面。計算模型剖面關系圖詳見圖3。模型采用平面實體單元PLANE42模擬圍巖，BEAM3 2-D彈性梁單元模擬樁，LINK8 2-D桿單元模擬錨索和錨桿。該項目采用國際通用的大型有限元程序ANSYS、 MIDAS/GTS分別進行模擬分析。

2.4 ANSYS計算結果分析

車站隧道拱頂、拱腰、拱腳、墻中、墻底和仰拱中心等襯砌關鍵位置的節點編號詳見圖3。

圖3 車站隧道襯砌節點編號

圖4 A-A剖面圍巖最大(最小)主應力云圖

圖5 A-A剖面全斷面開挖隧道襯砌彎矩、剪力及軸力圖

2.4.1 計算位移

采用樁錨支護方案，安全距離取為10m，12m，14m，17m，20m分別進行數值模擬計算，計算分析結果詳見表3、表4。表3是A-A剖面（圖2）車站隧道襯砌關鍵點在不同安全距離情況下的附加水平位移增加值和收斂值表，表4為豎向位移變化表。

表3、表4表明：樁錨支護方案前提下，安全距離取為10m，12m，14m，17m，20m，拱頂、拱腰、拱腳、墻中、墻底及仰拱中心的水平位移（或豎向位移）增加值差別都較小。

2.4.2 計算應力及內力

應力和內力計算結果詳見圖4～圖5。圖4為10m安全距離下，A-A剖面樁錨計算方案的最大、最小主應力云圖；圖5為10m安全距離下，A-A剖面樁錨計算方案隧道襯砌的彎矩圖、剪力圖及軸力圖。

2.5 MIDAS/GTS計算結果分析

國際上通常采用多軟件分析同一重要工程問題，以便進行相互驗證，于是我們圍繞10m的安全距離及樁錨支護方案，采用另一大型有限元程序MIDAS/GTS模擬和預測在基坑邊坡施工時及竣工后，該處軌道交通隧道位移及應力場等的變化情況。

表3 不同安全距離關鍵點水平位移增加值（mm）

表4 不同安全距離關鍵點豎向位移增加值（mm）

圖6 水平位移變化圖

圖7 豎向位移變化圖

圖8 第一主應力變化圖

圖9 第三主應力變化圖

圖10 剪應力變化圖

2.5.1 水平位移及豎向位移變化

位移計算結果詳見圖6、圖7。各工況定義為：第一步（邊坡開挖10m，其中5m為土層按荷載考慮），第二步（邊坡下挖5m），第三步（邊坡下挖5m），第四步（邊坡下挖5m），第五步（邊坡下挖5m），第六步（邊坡下挖5m，到基坑底）。

圖6、圖7表明：隧道拱豎向位移較小，邊坡開挖將產生約3mm的外傾水平位移，同時使隧道內側產生約2.5mm的水平位移。

2.5.2 應力（第一、三主應力及剪應力）分析

應力計算結果詳見圖8~圖10。各工況定義為：邊坡未開挖時及邊坡開挖完畢。

圖8~圖10表明：隧道開挖后頂部出現少量拉應力區，最大拉應力僅為100kPa，其余均處在壓應力區，最大壓應力僅為1600 kPa，邊坡開挖對隧道周邊主應力影響不明顯，邊坡開挖完畢后坡腳出現剪應力集中區，最大剪應力僅為256 kPa。

3 工程類比分析

世貿中心與臨梯干道支洞人防工程洞室地基工程及世貿中心與臨江門車站洞室地基工程與國泰廣場項目臨近。我們將這些工程從基坑深度、安全距離、支護方案及地質參數四個方面進行類比分析，類比結果詳見表5。

表5表明：三個項目地質參數相當接近，該項目基坑深度雖略大，但安全距離較大。前兩個工程已竣工多年，在施工和使用期間，工程都是安全的。

4 結語

該工程系重慶地區很有代表性的深基坑邊坡工程，我們結合ANSYS、MIDAS/GTS模擬的基坑開挖過程中基坑周圍巖土體的應力場、位移場、內力及塑性區分布等的變化情況以及工程類比結果，并征求了多位巖土專家的意見和建議，最終按本文所推薦方案進行施工。

表5 類比分析表

通過本文的研究可得到以下結論及建議：（1）采用彈塑性有限元程序來分析深基坑邊坡工程中坑周巖土體應力場和位移場等的變化來評估深基坑邊坡的安全性是可行的；（2）本文針對巖土體本身的變形特性進行平面應變的二維分析，從而得到的應力、位移、內力及塑性區的空間分布情況對類似工程具有很好的指導意義；（3）本文在分析時，未考慮水對地基巖體和隧道圍巖強度的弱化作用，故在地面建筑施工和運營期間必須做好地表水體下滲的防排措施，對已有鉆孔應采取有效的封孔措施，并使地表水體構筑物與隧道保持較遠距離。

目前，該工程已順利實施且竣工，在施工和使用期間，對基坑邊坡關鍵部位進行了監測，監測值均在合理范圍之內。實踐證明：本文所推薦方案符合實際，工程安全，可供借鑒。

[1]鄭永仁，龔曉南．巖土塑性力學基礎[M].北京：中國建筑工業出版社,1998.

[2]周維垣．高等巖石力學[M].北京：水利電力出版社,1990.

[3]吳德倫，黃質宏，趙明階．巖石力學[M].重慶大學出版社,2002.

[4]陶振宇．巖石力學的理論與實踐[M].北京：水利出版社,1981.

[5]王煥定，吳德倫．有限元法及實用程序[M].北京：中國建筑工業出版社,1997.

[6]孫鈞，汪炳監．地下結構有限元法解析[M].北京：同濟大學出版社,1998.

[7]潘別桐，黃潤秋．工程地質數值法[M].北京：地質出版社,1994.

[8]巖土工程手冊編寫委員會．巖土工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,1995.

[9]重慶大學建筑設計研究院．重慶國美商業項目工程和輕軌二號線臨江門車站隧道建設可行性安全論證報告[R]. 2009.10.

責任編輯：孫 蘇

施工經驗

混凝土冬季施工的加熱法

1．蒸汽加熱法

蒸汽加熱法，就是將被養護的混凝土構件或結構置于有塑料薄膜覆蓋的低矮棚架或保溫罩內，用小鍋爐、管道通入蒸汽進行保濕、保溫養護，使其在極短時間內(1～3d)達到預期要求的強度。

2．電加熱法

電加熱法，就是利用電能加熱養護。包括電極加熱法、電熱毯加熱法、工頻渦流加熱法、線圈感應加熱法和紅外線加熱法等。

(1)電極加熱法，就是用鋼筋作電極，利用電流通過混凝土時所產生的熱量來加熱養護混凝土。(2)電熱毯加熱法，就是混凝土澆筑后，在其表面或模板外覆以柔性電熱毯，通電加熱對其養護。(3)頻渦流加熱法，就是利用安裝在鋼模外側的鋼管，內穿導線線圈，通以交流電后產生渦流電加熱鋼模板，從而對混凝土進行加熱養護。(4)線圈電磁感應加熱法，就是利用纏繞在構件模板外側的絕緣導線線圈。通以交流電后，在鋼模板和混凝土內的鋼筋中產生電磁感應，對混凝土進行加熱養護。(5)紅外線加熱法。紅外線也是一種電磁波，紅外線加熱就是利用新拌制混凝土有較好的吸收紅外線能力，使混凝土不斷獲得熱量實施養護。

需要特別強調指出的是：采用電加熱法時，務必對所用導線的絕緣性能作認真、細致的檢測；在實施電加熱法期間，應派專人守護，作業區外圍要設置安全防護圍欄和"防觸電"醒目標志，嚴防漏電、觸電事故發生。

3．暖棚法

暖棚法，就是將被養護的混凝土構件或結構置于搭設好的棚架中，在棚架內設散熱器、電熱器或火爐等加熱棚內空氣，使混凝土處于正溫環境下養護的方法。采用此法也要特別注意防火、防觸電；當采用燃料加熱器(油、煤等爐子)且置于棚內時，會產生較多CO2，容易使混凝土表面形成碳化硬殼，所以要用爐筒將煙氣排至暖棚外。

（摘自：《建筑工人》。請作者速告地址，即付稿酬。）

Study on Impact of Deep Foundation Pit Slope of Chongqing Guotai Square Project on Light Rail Tunnel Safety

The impact of deep foundation pit slope on adjacent buildings has been a hot and thorn problem in geotechnical engineering.Since various rock-soil analysis methods with ultimate balance theory take no consideration into the change of stress field and displacement field of rock-soil caused by foundation pit excavation,the real situation of deep foundation pit slope project cannot be reflected.Based on a practical case in Chongqing,the changed situation of the stress field,displacement field,inner force and plastic area distribution of the surrounding rock-soil of foundation pit under construction are analyzed with ANSYS and MIDAS/GTS.And compared with adjacent projects,the interactive impact of deep foundation pit slope on adjacent buildings is evaluated.

deep foundation slope;elastic-plastic finite element analysis;pile-anchor support;displacement，stress

U213.1+3

A

1671-9107（2014）02-0042-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.02.042

2013-11-13

張虎（1981-），男，四川宜賓人，工程師，主要從事房屋建筑結構設計、邊坡設計工作。

余向前（1976-），男，重慶人，研究生，高級工程師，主要從事房屋建筑結構設計等工作。

秦勝菊（1989-），女，重慶人，本科生，助理工程師，主要從事房屋建筑結構設計等工作。