相鄰基坑影響下基坑施工對臨近地鐵影響分析

黎秉林 劉叔灼 陳俊生

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641； 2.亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510641)

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相鄰基坑影響下基坑施工對臨近地鐵影響分析

黎秉林1,2劉叔灼1,2陳俊生1,2

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641； 2.亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510641)

采用三維有限元模型，對某臨近地鐵深基坑的開挖過程進行數(shù)值模擬計算，通過提取該相鄰基坑側(cè)地鐵的監(jiān)測資料，校核調(diào)整了整體模型參數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果，提出了相應的加強和保護措施。

基坑，地鐵結(jié)構(gòu)，隧道，數(shù)值模擬

0 引言

由于我國城市地下空間的高密度開發(fā)及城市軌道交通的快速發(fā)展，緊鄰地鐵隧道的深基坑工程將越來越多。深基坑開挖卸載會引起周圍地層移動及初始應力狀態(tài)發(fā)生改變，進而導致緊鄰地鐵隧道的位移場和應力場發(fā)生變化，特別是已運營地鐵線路對于變形控制更為嚴格。正是由于大量鄰近地鐵工程的施工，眾多專家學者以有限元方法為基礎，對新建隧道、地鐵車站對已有地鐵車站的影響進行了大量的研究工作，從變形計算方法、施工中變形控制等角度出發(fā)，研究了緊貼運營地鐵車站基坑施工變形控制和運營地鐵車站保護等相關問題，取得了一系列的成果[1-6]。

本文在前述研究的基礎上，以佛山一深基坑工程為例，采用精細有限元模型，考慮了相鄰已開挖基坑的影響，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件、圍護結(jié)構(gòu)類型、地鐵結(jié)構(gòu)、施工工程對基坑開挖進行數(shù)值模擬，考慮相鄰已施工基坑的影響，通過調(diào)取相鄰基坑側(cè)的地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)對本模型的參數(shù)選取進行校對和調(diào)整，從而更準確地預測本基坑工程的安全性及其對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，為今后相關工程的設計和分析提供了參考。

1 工程概況

擬建項目位于佛山市南海區(qū)寶石東路以北、佛山一環(huán)以東、永勝東路以南，占地面積約為17 500 m2，擬建3層地下室。本基坑平面上呈不規(guī)則形狀，南北最大尺寸約80 m，東西最大約245 m，周長約為600 m。基坑開挖深度為14.3 m。本基坑北側(cè)，即靠近地鐵一側(cè)擬采用三道“800厚地下連續(xù)墻+混凝土支撐”的支護方案，其他區(qū)域采用“旋挖灌注樁(1 200@1 400)+混凝土支撐”的支護方案，止水采用三軸攪拌樁。其平面分布及位置如圖1所示，本基坑某典型剖面見圖2，周邊詳細情況見表1。

表1 本項目基坑周邊情況

2 三維模型的建立

2.1 土層參數(shù)

根據(jù)勘察報告，結(jié)合不同鉆孔的地質(zhì)分布，選取較具代表性的鉆孔，具體土層參數(shù)見表2。

表2 土層參數(shù)及本構(gòu)關系

2.2 分析工況

考慮東側(cè)基坑的開挖過程，開挖至現(xiàn)場施工工況后，施作本項目基坑，各施工步驟如下：1)初始定應力場計算，整個分析模型內(nèi)只包含巖土體；2)地鐵隧道施工計算，不考慮地鐵隧道的多步開挖，一次性開挖并施作完畢；3)東側(cè)基坑開挖，施作至第二道支撐頂部；4)本項目基坑第一次開挖(開挖至第一道支撐標高處)，并施作第一道支撐；5)本項目基坑第二次開挖(開挖至第二道支撐標高處)，并施作第二道支撐；6)本項目基坑第三次開挖(開挖至第三道支撐標高處)，并施作第三道支撐；7)本項目基坑第四次開挖(開挖至坑底)。

2.3 有限元網(wǎng)格

整體有限元網(wǎng)格、本項目及東側(cè)基坑的支護結(jié)構(gòu)和地鐵隧道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖3，圖4所示。整體模型共有563 958個單元，94 233個節(jié)點。

2.4 參數(shù)的校核和調(diào)整

1)根據(jù)巖土工程勘察報告與以往分析的經(jīng)驗，選取確定巖土參數(shù)，進行初步計算；2)根據(jù)初步計算值與地鐵監(jiān)測報告的地鐵隧道位移實測值及東側(cè)基坑的實際施工情況進行對比發(fā)現(xiàn)，實測值與計算值存在一定的偏差，經(jīng)過反分析，對第一步模型中的初選參數(shù)進行調(diào)整，最終把模型中東側(cè)基坑側(cè)的地鐵隧道側(cè)向位移計算結(jié)果調(diào)整至3.88 mm，豎向位移計算結(jié)果調(diào)整至-3.15 mm，其結(jié)果與監(jiān)測值接近；3)采用調(diào)整后的參數(shù)重新計算。

3 基坑開挖的數(shù)值分析

3.1 地鐵結(jié)構(gòu)變形疊加效應分析

考慮東側(cè)基坑開挖的影響，討論本項目基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)變形的疊加效應，將東側(cè)基坑現(xiàn)開挖情況的工況與本項目基坑開挖完畢的工況進行對比，見表3。

表3 東側(cè)基坑側(cè)地鐵隧道位移匯總表 mm

從表3可以看到，本基坑施工對東側(cè)基坑側(cè)地鐵位移影響值極小，最大位移增量為0.03 mm，得出：隧道的位移主要由隧道側(cè)邊的基坑控制，而相鄰基坑的開挖對該隧道側(cè)的位移疊加影響甚小，即兩基坑開挖對緊鄰地鐵隧道的位移疊加效應并不顯著。

3.2 本基坑側(cè)地鐵結(jié)構(gòu)變形分析

由于基坑開挖和土體卸載，地鐵隧道結(jié)構(gòu)朝基坑側(cè)方向產(chǎn)生一定量的位移，位移最大值出現(xiàn)在最接近基坑的區(qū)域，地鐵隧道的最大水平位移為3.98 mm(見圖5，正值表示隧道朝基坑側(cè)移動)，地鐵隧道的最大豎向位移為-3.24 mm(見圖6，正值表示隧道發(fā)生向上位移)，均滿足地鐵規(guī)范對位移限值(20 mm)的要求。

3.3 本基坑側(cè)地鐵結(jié)構(gòu)強度及裂縫寬度驗算分析

表4 地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力匯總表 kN·m

表5 地鐵結(jié)構(gòu)的裂縫寬度匯總表 mm

根據(jù)勘察報告可知，本項目基坑靠近地鐵側(cè)的地下連續(xù)墻多位于砂層中，保證較好的成槽質(zhì)量難度加大，易出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，包括在基坑開挖的降水過程均會導致坑外水位發(fā)生一定程度的下降。通過模擬坑外降水進行穩(wěn)定流計算探討其對臨近地鐵結(jié)構(gòu)強度及裂縫寬度開展情況的影響。分別選取坑外降水1 m及坑外降水2 m這兩種工況與未降水的情況進行對比。具體計算結(jié)果見表4，表5。

從表4，表5可以看到，當坑外降水達到2 m時，地鐵結(jié)構(gòu)的承載力小于設計值，當坑外降水達到1 m時，地鐵結(jié)構(gòu)的裂縫寬度大于混凝土設計規(guī)范中0.2 mm的限值。因此，臨近地鐵的基坑工程必須嚴格控制降水，制定合理有效的防滲防漏措施。

4 結(jié)論及建議

本文以佛山某臨近地鐵區(qū)間隧道的基坑工程為背景，考慮對相鄰已開挖基坑的影響，分析模擬了基坑開挖的全過程，得出以下結(jié)論：1)在對臨近地鐵基坑開挖的影響性分析中，可將其納入整體模型中，并利用該基坑側(cè)地鐵的監(jiān)測資料，對整體模型計算的參數(shù)進行校核和調(diào)整，使本項目基坑開挖的預測和評估具有更高的合理性。2)本項目基坑對東側(cè)已開挖基坑側(cè)地鐵的位移影響值極小，隧道的位移主要由隧道側(cè)邊的基坑控制，位移疊加效應極不顯著，在今后的分析中可弱化這一情況的考量。3)臨近深基坑工程的地鐵結(jié)構(gòu)對坑外降水變化的敏感性極高，當坑外降水達到1 m時，地鐵結(jié)構(gòu)的裂縫寬度就已超出規(guī)范中的限值。因此在基坑開挖過程中，應嚴格控制基坑降水，對區(qū)間隧道的變形進行觀測，制定合理有效的防滲防漏措施，并建議將基坑水位報警值取為水位下降1 m。

[1] 胡海英，張玉成，楊光華，等.基坑開挖對既有地鐵隧道影響的實測及數(shù)值分析[J].巖土工程學報，2014(S2):431-439.

[2] 張治國，張孟喜，王衛(wèi)東.基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法[J].巖土力學，2011(7):2085-2092.

[3] 肖同剛.基坑開挖施工監(jiān)控對臨近地鐵隧道影響分析[J].地下空間與工程學報，2011(5):1013-1017.

[4] 阮艷妹，蔡軍安.臨近工程基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析[J].廣東土木與建筑，2014(5):59-61.

[5] 李宇升，喻衛(wèi)華.深基坑施工對緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響分析[J].地下空間與工程學報，2013(2):352-358.

[6] 伍尚勇，楊小平，劉庭金.雙側(cè)深基坑施工對緊鄰地鐵隧道變形影響的分析[J].巖石力學與工程學報，2012(S1):3452-3458.

On influence of foundation pit construction on surrounding subways under neighboring foundation pits

Li Binglin1,2Liu Shuzhuo1,2Chen Junsheng1,2

(1.CollegeofCivilEngineeringandTraffic,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China; 2.StateKeyLaboratoryforSubtropicalBuildingScience,Guangzhou510641,China)

The paper adopts the three-dimension finite element model, undertakes the numeric simulation and calculation of the excavation process of some surrounding subway deep foundation pits, adjusts the overall model by extracting the supervision documents of the side subway of some neighboring subways, and points out the respective promotion and protection measures according to the calculation results.

foundation pit, subway structure, tunnel, numeric simulation

1009-6825(2016)24-0066-03

2016-06-18

黎秉林(1991- )，男，在讀碩士

TU463

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