基坑施工對已建下臥地鐵影響的有限元分析

荊子菁 林德建

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 311122; 2.浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江杭州 310058)

基坑施工對已建下臥地鐵影響的有限元分析

荊子菁1林德建2

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 311122; 2.浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江杭州 310058)

結合杭州地鐵1號線上部某基坑開挖工程的實際情況，采用FLAC三維有限元，模擬了基坑降水及土體開挖施工全過程，得到了基坑施工對地鐵隧道豎向位移的影響，其成果可為類似工程提供借鑒。

基坑，地鐵隧道，土體開挖，豎向位移

0 引言

隨著城市地下空間的利用率逐漸增加，新建基坑周邊環境條件逐漸復雜。如何通過合理的基坑圍護設計、施工來減少新建基坑施工對周邊環境尤其是重要建(構)筑物的影響是巖土工程師的主要任務。

本文以杭州市地鐵1號線上方金沙湖城市開挖幸福北路穿湖隧道施工的實例為背景，采用FLAC3D有限元模擬基坑施工對地鐵1號線隧道變形的影響。根據分析結果得出了通過合理的安排施工的順序及步驟，可減小基坑施工對下臥地鐵的影響［1，2］。

1 工程概況

1.1 工程概述

杭州市下沙金沙湖城市開挖涉及下臥地鐵隧道的工程包括綠軸下沉廣場、科技文化中心地下通道、幸福北路穿湖隧道三個工程。其中幸福北路穿湖隧道工程隧道管片頂至基坑底的凈距:左線7.49 m，右線6.89 m，穿越地鐵1號線部分基坑的開挖深度約8.5 m。

對下臥地鐵保護的設計思路為:基坑坑底至隧道頂部之間土層采用水泥土攪拌樁進行加固，在1號線左右線之間及盾構隧道兩側設置d=0.6 m間距1.0 m的抗拔樁。典型加固剖面見圖1。

圖1 基坑與地鐵隧道剖面關系圖

1.2 工程地質及水文條件

工程范圍內地層自上而下主要為:填土、砂質粉土夾粉砂、砂質粉土層、淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土層、粘土層、中砂及圓礫層等。地鐵隧道位于砂質粉土層中。地下水位埋深約為2.0 m。各土層厚度見表1。

2 模型條件的確定

2.1 本構模型

對巖土體采用Mohr-Coulomb模型進行模擬。

對地鐵隧道管片、抗拔樁等采用線彈性模型進行模擬。

2.2 施工步驟

有限元模擬基坑施工的主要步驟為:1)初始應力平衡及位移清零;2)模擬基坑施工前降水;3)保留應力場，對降水引起的位移場清零;4)模擬基坑土體開挖完成且底板施工完成;5)模擬基坑施工完成后水位回升。

表1 模型參數取值表

3 有限元計算結果

3.1 降水引起地鐵隧道的位移

根據基坑降水引起的地鐵隧道豎向、水平位移云圖可知(如圖2所示)，地鐵隧道豎向位移為8.64 cm。地鐵下部各土層壓縮量及其所占總沉降量的比例見表2;地鐵隧道水平位移最大值為4.96 mm。

3.2 基坑土體開挖引起地鐵隧道的豎向位移

根據基坑土體開挖后引起地鐵隧道的豎向、水平位移云圖可知(如圖3所示)，隧道的豎向位移為25.31 mm(上浮)，水平位移為1.33 mm。

3.3 基坑施工完成水位回升引起地鐵隧道的豎向位移

根據基坑施工完成地下水位回升后引起地鐵隧道的豎向、水平位移云圖可知(如圖4所示)，隧道的豎向位移為28.63 mm(上浮)，隧道的水平位移為0.94 mm。

圖2 基坑降水引起的隧道豎向和水平位移云圖

表2 地鐵隧道各下臥土層的最終固結沉降 cm

圖4 水位回升后地鐵隧道豎向和水平位移云圖

3.4 降水引起地鐵隧道下土體的瞬時沉降的模擬

對降水荷載下粘性土的瞬時沉降進行有限元分析，粘性土層的壓縮模量取為30 MPa，不排水條件下的泊松比取為0.499。得到粘性土層的瞬時沉降為5.2 mm。

4 地鐵隧道下土層的計算分析

4.1 降水引起隧道下土體的豎向位移計算

施工期地鐵隧道的沉降由三部分組成:

1)砂質粉土層的最終固結沉降;

2)淤泥質粉質粘土層、淤泥質粘土層、粘土層等粘性土層的固結沉降;

3)淤泥質粉質粘土層、淤泥質粘土層、粘土層的瞬時沉降。砂質粉土層的固結沉降量:d1=3.7 mm。

降水引起的三層粘性土在基坑施工期間固結沉降量為:d2=d ×Ut=82.7×0.103=8.5 mm。

經計算:本基坑工程中粘性土層在施工期間的固結度約為10.3%。

粘性土層的瞬時沉降量d3=5.2 mm。

降水引起地鐵隧道下土體在施工期內的總沉降量:d1+d2+d3=3.7+8.5+5.2=17.4 mm。

4.2 基坑開挖引起地鐵隧道下土體的位移

在降水引起地鐵隧道豎向沉降的條件下，開挖完成后下臥地鐵的總豎向位移為8 mm(上浮)，水位回升后地鐵隧道總豎向位移為11 mm(上浮)。

5 結語

通過對幸福北路過街地道基坑施工有限元分析可得到如下結論:

1)降水后基坑下方地鐵的豎向位移量為17.4 mm(下沉)，水平位移為4.96 mm;基坑土體開挖后地鐵的豎向位移為8 mm(上浮)，水平位移為1.33 mm;水位回升后地鐵的豎向位移為11 mm (上浮)，水平位移為0.94 mm。基坑施工對下部地鐵的豎向位移影響較大，水平位移影響較小。

2)本次模型模擬的是基坑降水降至設計水位，而實際施工按照土方開挖順序分塊、分期降水。分期降水引起的地鐵沉降量較本模型引起的隧道沉降量小。

3)實際施工中采用分期降水、分塊開挖間隔進行的辦法來減小基坑施工對地鐵產生的影響［3］，基坑施工分塊的規模及不同區塊的施工先后順序對地鐵隧道的位移影響還需要進一步分析論證。

［1］張玉成，楊光華，姚 捷.基坑開挖卸荷對下方既有地鐵隧道影響的數值仿真分析［J］.巖土工程學報，2010，32(S1): 109-114.

［2］王衛東，吳江斌，翁其平.基坑開挖卸載對地鐵區間隧道影響的數值模擬［J］.巖土力學，2004，25(sup):251-255.

［3］李家平.基坑開挖卸載對下臥地鐵隧道影響的數值分析［J］.地下空間與工程學報，2009，12(S5):1345-1348.

Finite element analysis of the effect of foundation pit construction on metro tunnels

Jing Zijing1Lin Dejian2
(1.Huadong Engineering Corporation Limited，POWERCHINA Group，Hangzhou 311122，China; 2.The Architectural Design Research Institute of Zhejiang University Co.，Ltd，Hangzhou 310058，China)

Combining with the actual situation of a foundation pit excavation engineering in the upper part of Hangzhou metro line 1.The model which used the FLAC3D finite element analysis software simulated the whole process included the dewatering and the excavation.The vertical displacement of foundation pit construction on the of metro tunnel is obtained.It is helpful to other similar projects.

foundation pit，metro tunnel，excavation，vertical displacement

TU463

:A

1009-6825(2016)36-0075-02

2016-10-13

荊子菁(1984-)，女，工程師