基于數值分析的臨近地鐵的深基坑優化設計

李 欣

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

基于數值分析的臨近地鐵的深基坑優化設計

李 欣

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

在臨近地鐵且周邊環境復雜的情況下，某深基坑利用三維數值模擬分析軟件，對深基坑開挖工況進行模擬。通過模擬明確基坑開挖過程中支護體系的受力及位移情況，并根據分析結果進行優化設計，利用地鐵車站已有地下連續墻。經施工監測表明，該方案既滿足安全要求，又節約造價。

數值分析；深基坑；臨近地鐵

0 引言

隨著城市快速發展，城市交通壓力日漸增大，地下軌道交通因占地少，時效快等優點受到追捧，越來越多的城市開始發展地鐵。因地鐵運營較高的安全要求，在地鐵保護范圍內的臨近基坑工程提出了很高的要求，傳統的基坑支護設計計算方法往往滿足不了要求[1-3]，針對這一現狀，采用三維分析軟件Midas/GTS對緊鄰地鐵的基坑進行開挖模擬，利用數值分析結果，為支護結構優化設計提供參考依據，在保證了地鐵安全的前提下，成功利用地鐵車站既有圍護結構，節約了造價，并對今后相關項目積累了經驗。

1 工程簡介

1.1 周邊環境

該基坑位于福州市中心地帶鬧市區，北側、東側緊靠街道，西側為高層商業辦公樓(一層地下室)，南側連接已建25層商業辦公樓。新建建筑為舊百貨大樓的拆除重建，設有3層地下室，基坑開挖至底板墊層底的開挖深度約13.940m～14.440m,如圖1所示。

圖1 基坑所在位置圖

1.2 場地地質條件

該場地地下土層分布及物理力學特性,如表1所示。

表1 各土層分布深度及物理力學指標

對基坑有影響的地下水主要為頂部雜填土中的上層滯水，其補給來源為大氣降水、地表生活用水等，地下水位埋深0.90m～2.80m。

2 基坑支護設計及模擬分析

(1)軟土層深厚，物理力學性質差。該場地淤泥層分布厚度普遍超過10m，局部深度可達基坑底以下16m，淤泥呈流塑狀態，含腐植質，有機質，個別爛木等。

(2)基坑開挖深度大。局部承臺位置開挖深度達到15.1m。

(3)場地周邊情況復雜。場地北側緊鄰主干道，道路下方管線復雜，已知的就有雨、污管道，電纜，通信光纜等，場地南側、西側為大型辦公樓，分別設有3層、1層地下室，場地東側緊靠地鐵車站和地鐵軌道。地鐵線路對變形極其嚴格：結構最大位移不超過20mm，隧道變形曲率半徑大于15 000m，相對彎曲不大于1/2 500，在開挖過程中對支護結構變形要求極高。

圖2 基坑模型圖

2.1 支護方案的選擇

基于以上情況，本基坑支護結構的安全等級定為一級。本基坑設計中存在以下問題：

(1)該場地南側和東側直接與已建地下室相連，西側與已建地下室相隔10m左右，北側緊靠交通主干道，周邊地下室深度相差較大，基坑周邊土壓力差別很大，而地鐵對變形要求較嚴，以往的工程較少遇到類似情況，傳統支護設計軟件很難真實模擬開挖過程中的內力和變形情況。

(2)基坑與地鐵車站之間，原計劃單獨設置1道地下連續墻，但能否對圍護結構進行優化，與地鐵車站共用地下連續墻，一直存在爭議。地鐵車站開挖深度超過15m，正常情況下圍護結構應該能夠滿足我方地下室開挖的需求，但這種做法，省內之前沒有先例，實際是否可行，還是未知數。

為此，在比選圍護結構時，考慮到周邊環境的特殊性及場地內部的局限性，選定地下連續墻作為圍護結構，并采用三軸攪拌樁對地下連續墻進行槽壁加固。

在選定支撐體系時，考慮到基坑形狀不規則，用地空間很小，不利于土方開挖，為了便于施工，采用了桁架對撐體系，并設置行車撐板。

2.2 支護方案的模擬和優化

針對以上支護設計方案，該工程采用了Midas/GTS三維模擬軟件進行整體分析，如圖2所示。

根據模擬結果，基坑位移最大值位于北側，約為26.3mm(坑內方向)，南側地下連續墻位移約為21.5mm(坑內方向)。雖然基坑北側為主干道，行車荷載較大，基坑南側臨近三層地下室，傳遞到地下連續墻上的土壓力比較小，南北兩側土壓力相差較大，但地下連續墻并沒有發生向南側的整體位移，整體傳力路徑沒有異常變化，如圖3所示。西側、南側地下室外墻位移均小于5mm，均處在安全狀態，如圖4所示。

圖3 地下連續墻變形云圖

圖4 南側、西側大廈變形云圖

模擬中還針對與車站相鄰地下連續墻進行了分析，發現在與車站共用地下連續墻的情況下，基坑西側位移22.6mm(坑內方向)，而地鐵地下連續墻因車站自身剛度較大，地下連續墻最大位移僅8.1mm(坑內方向)，滿足設計要求。

2.3 實測結果

根據模擬結果，該基坑最終采用與地鐵車站共用地下連續墻的設計方案。在基坑開挖過程中，針對基坑圍護樁變形，道路及周邊建筑物沉降等進行了全程監測。基坑開挖至承臺底后的監測結果如表2所示。

從監測資料可以看出，基坑的實測數據和模擬數據差異不大，如圖5～圖7所示。實踐證明該基坑支護方案安全可行。

表2 位移統計匯總表

圖5 西側位移曲線圖 圖6 北側位移曲線圖 圖7 南側位移曲線圖

3 結論

(1)該工程地處福州鬧市區，周邊環境極為復雜，采用Midas/GTS進行模擬計算、設計，并經過嚴格的施工監測，數據表明該支護形式實際變形與設計結果基本吻合。

(2)在臨近既有地下室的軟土深基坑中，不僅應該對基坑單獨的剖面進行分析，還應該對基坑的整體位移進行分析。因基坑外側土壓力分布不均，有可能使基坑四周發生位移差異甚至造成基坑失穩，因此在設計中應優先選用剛度大的圍護結構，例如地下連續墻、大直徑灌注樁等。

(3)在深厚軟土地層中，利用已建地鐵車站地下連續墻作為圍護結構在實際工程中可行。地鐵車站建成后已完善墻柱樓板等結構體系，在基坑開挖時可視為剛度很大的整體，可以很好地控制自身變形。

(4)在復雜環境下的深基坑支護設計，采用三維數值分析軟件進行模擬很有必要，傳統軟件僅針對單剖面進行計算，無法判斷整個基坑的變形趨勢。

[1] 高廣運，高盟，楊成斌，等.基坑施工隊運營地鐵隧道的變形影響及控制研究[J].巖土工程學報，2010(3):453-459.

[2] 李康.基坑共用臨近地鐵車站既有地連墻的數值模擬[J].山西建筑，2016,42(28):80-82.

[3] 冉岸綠，李明廣，陳錦劍，等.共用地下連續墻深基坑影響下地鐵車站與隧道節點變形分析[J].隧道建設，2016，36(7):844-850.

Optimal design of deep foundation pit adjacent to subway station based on numerical analysis

LIXin

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)

When environment near the subway is surrounded by a complex structure, three-dimensional numerical simulation software is used for a deep foundation pit, which simulated the condition of deep excavation, clear the stress and displacement of the excavation supporting system and optimize the design according to the analysis results, by using the existing underground continuous wall in subway station. The construction monitoring shows that and this solution meets the safety requirements, but also save the cost.

Numerical analysis;Deep foundation;Near subway station

李欣(1987.1- )，男，工程師。

E-mail:54355250@qq.com

2017-02-17

TU447

A

1004-6135(2017)05-0065-03