有限元模擬樁錨支護對鄰近地鐵的影響

應本林 易領兵 秦玥

摘要：以鄭州某近鄰地鐵線路的深基坑工程為背景，采用Midas/GTS有限元軟件模擬深基坑開挖過程中深基坑支護結構及其周邊土體和地鐵結構的變性規律，分析了深基坑及地下結構施工對鄰近地鐵的影響，并與實際監測數據對比分析，論證了樁錨支護結構的實用可行性。

關鍵詞：深基坑；樁錨支護；地鐵施工；數值模擬

1工程概況

該工程位于鄭州市金水區，所研究的深基坑開挖施工臨近地鐵線路。新田花園廣場項目基坑位于鄭州地鐵2號線鄭州廣播臺站～新龍路站區間線路右線西側，基坑紅線距離地鐵2號線區間最近距離為35m，基坑圍護結構距右線中心線平面距離約33～50m。基坑開挖深度約21m，上部6m采用放坡開挖，錨桿支護，下部采用鉆孔灌注樁與24-29m錨索支護，采用旋噴樁作為止水帷幕。

結合基坑周邊工程地質條件、基坑開挖深度和臨近地鐵線路施工等影響因素，所研究的深基坑采用上部噴錨支護，下部樁錨支護的結構形式，安全等級為一級，其中灌注樁樁徑1200mm，樁長29m，間距1.5m。地鐵隧道直徑為6m，分東、西兩條線路，其中隧道東線距離擬開挖深基坑最近處只有不到35m。

2工程地質條件

本場地地貌屬黃河泛濫沖積平原，整體起伏較小，地勢較平坦，最大落差為2.0米。本段地層土為第四系沉積物主要以粉土、粉質粘土為主。

3數值模擬分析

3.1有限元模型建立

考慮深基坑與鄰近地鐵隧道的平面和剖面位置關系，全面分析基坑周邊工程地質條件及深基坑支護結構設計參數及各階段施工工況，采用Midas/GTS有限元軟件建立三維模型進行動態施工模擬[1-3]。

計算模型周圍土體和既有結構采用實體單元，采用板單元模擬襯砌、基坑支護結構及地下四層結構。不同的土層和結構采用不同的材料屬性常數，模擬邊界條件的選取時除了頂面取為自由邊界，其他面均采取法向約束。

3.2有限元施工過程模擬

整個數值模擬過程按照如下工況步驟進行（各工況高程參考點為地面，即地面高程為±0）[8]：

模擬工序十四完成后鄰近地鐵隧道結構主體的變形圖、彎矩圖如圖1～3所示。

圖1基坑開挖及地下四層結構施工完畢2號線結構彎矩云圖

由圖1可知基坑開挖及地下四層結構施工完畢后，既有隧道管片最大彎矩為163.4 kN·m，彎矩增幅為5.8%，內力增幅很小，且小于設計值。

圖2 地下室一層結構施工完成時區間隧道側向變形分量云圖

由圖2可知既有隧道管片側向偏移量為1.01mm，在限值范圍以內。

既有隧道管片豎向沉降為0.51mm，在限值范圍之內。

3.3結果分析

（1）依據上述模型的計算結果，新建基坑及四層地下結構施工完成后，既有2號線地鐵結構變形主要以側向變形為主，豎向變形值很小。

（2）基坑開挖及地下四層結構施工完畢后，隧道管片側向偏移量為1.01mm，豎向沉降0.51mm，所以，在正常施工的情況下，基坑開挖及地下四層結構施工不會對東側臨近的2號線隧道結構的安全和正常使用產生不良影響。

4結語

深基坑周邊土體的水平位移和豎向位移以及周邊地表的沉降，引起鄰近地鐵隧道的變形和附加彎矩的產生，這種影響是隨基坑開挖的深度逐步增大的，但都在允許范圍之內。采用樁錨支護結構有效的降低了這種影響，使臨近地鐵隧道的主體結構處于安全狀態。

參考文獻：

[1] 李芬祥.深基坑樁錨支護的數值模擬分析[D].安徽工業大學碩士學位論文，2013，5

[2] 王路.基坑開挖對鄰近既有隧道的影響分析[D].北京交通大學碩士學位論文，2009，6

[3] 孔令榮，崔永高，隋海波.基坑開挖時鄰近地鐵變形的影響分析[J].工程勘察，

2010，6：15～20

作者簡介：應本林（1989-），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事結構工程與巖土工程方面的研究

通訊作者：易領兵（1988-），男，河南信陽人，主要從事地鐵及地下結構等行業