基坑開挖對既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響分析

黃河 ，方偉 ，朱圣元 （機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043）

0 前言

隨著我國城市各種地塊開發(fā)的廣泛建設(shè)，各種城市建筑結(jié)構(gòu)縱橫交錯，基坑開挖不可避免地會對鄰近既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，基坑變形過大，會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移變形，影響地鐵的正常運行。因此，近年來采用數(shù)值模擬等方法分析基坑工程對鄰近既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響問題已成為業(yè)內(nèi)的一個重要課題[1-5]。本文采用數(shù)值模擬方法，考慮土體的非線性因素，采用放坡開挖形式，施加土釘墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，模擬基坑支護(hù)體系與土體間的相互作用，研究了基坑開挖施工對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響，分析了區(qū)間結(jié)構(gòu)受力與變形，評價了基坑開挖對既有區(qū)間結(jié)構(gòu)的安全影響。

1 工程概況

1.1 項目概況

商業(yè)住宅項目位于合肥市龍川路與唐模路東南角。擬建上部結(jié)構(gòu)為高層住宅樓，下部為小區(qū)地下車庫，基礎(chǔ)采用整體式筏板基礎(chǔ)，其中主樓筏板基礎(chǔ)厚為1m，地庫筏板厚0.3m。該項目基坑工程支護(hù)周長約570m，基坑深度4.9～5.5m。

基坑北側(cè)毗鄰龍川路和軌道交通4號線大花區(qū)間，基坑周邊道路除龍川路以外均未投入使用，現(xiàn)狀為待開發(fā)用地。基坑北側(cè)侵入軌道交通影響控制區(qū)，坡頂距離4號線區(qū)間結(jié)構(gòu)最小距離約17.14m，本基坑與軌道交通結(jié)構(gòu)的平面位置關(guān)系詳見圖1。

圖1 基坑與軌道交通結(jié)構(gòu)的平面位置關(guān)系圖

本基坑設(shè)計采用放坡開挖+土釘墻的支護(hù)型式，基坑開挖深度4.65～5.35m，放坡坡率1:0.8～1:1.0。鄰近軌道交通側(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖2 鄰近軌道交通側(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)a-a剖面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程場區(qū)現(xiàn)狀地形稍有起伏。實測勘探孔孔口高程在17.79～25.85m之間，最大高差8.06m。場地土自上而下分布有：①層素填土，層厚度0.4～7m；②層粘土，層厚度2.5～4.8m；③層粉質(zhì)粘土，層厚度3.6～10.3m；④層粘土，4.4～20m；⑤全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，層厚度1.2～5.1m；⑥層強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，層最大厚度9.8m，土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

2 數(shù)值模型計算分析

2.1 計算邊界及網(wǎng)格劃分

為了較準(zhǔn)確的反映基坑施工對地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)附加變形影響，計算分析采用了二維及三維有限元分析方法，考慮土體的非線性因素，模擬基坑支護(hù)體系與土體間的相互作用。分析中，土體采用實體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型取用硬化模型（即HS模型）。

模型在縱向和橫向應(yīng)取基坑開挖深度的2～3倍。計算時的邊界條件為：x軸方向采用x向約束，y軸方向采用y向約束，底部采用豎向約束，上表面為自由面。分別對計算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 數(shù)值計算過程

根據(jù)施工次序、二維模型計算工況。

工況1：初始地應(yīng)力平衡，施作區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，位移清零；

工況2：開挖第一級土層；

工況3：施作第一道土釘，開挖至第二級土層；

工況4：施作第二道土釘，開挖至第三級土層；；

工況5：施作第三道土釘，開挖至基坑底；

工況6：施加地下室結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)荷載；

土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)表 表1

圖3 二維建模示意圖

根據(jù)施工次序，三維計算中應(yīng)包括如下計算工況。

工況1：初始地應(yīng)力平衡；

工況2：施作軌道交通結(jié)構(gòu)（含變電站結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道）；

工況3：完成第一級土層開挖（地表至冠梁底標(biāo)高），施作圍護(hù)樁；

工況4：開挖至第一道土釘標(biāo)高，施作土釘；

工況5：開挖至第二道土釘標(biāo)高，施作土釘；

工況6：開挖至第三道土釘標(biāo)高，施作土釘；

工況7：開挖至基坑底；

工況8：施加上部建筑荷載。

圖4 三維建模示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 二維模型計算結(jié)果

考慮初始階段，隧道已發(fā)生既有變形，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及監(jiān)測結(jié)果，基坑施工各工況下鄰近區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的位移匯總?cè)绫?。

由數(shù)值模擬結(jié)果知，基坑開挖及上部結(jié)構(gòu)施工對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的最大附加水平位移約0.64mm；受基坑開挖卸載的影響，鄰近基坑側(cè)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)局部略有隆起，最大隆起量約-1.57mm。鑒于以上各工況累計變形位移值均低于控制值10mm，故按既定支護(hù)設(shè)計方案，基坑開挖對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響在可控范圍內(nèi)。

3.2 三維模型計算結(jié)果

①基坑施工各工況對鄰近區(qū)間結(jié)構(gòu)的位移影響匯總?cè)绫?。

由數(shù)值模擬結(jié)果知，基坑開挖對區(qū)間結(jié)構(gòu)的最大附加水平位移約1.6mm，最大附加豎向位移為-0.26mm（下沉），以上各工況累計位移值均低于控制值10mm，故按既定支護(hù)設(shè)計方案，基坑開挖及回筑階段對區(qū)間結(jié)構(gòu)影響較小。

各工況基坑施工對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的位移影響（累計值） 表2

各工況基坑施工對區(qū)間結(jié)構(gòu)的位移影響 表3

區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)承載力及抗裂驗算 表4

②結(jié)構(gòu)承載力及抗裂驗算分析

結(jié)構(gòu)承載力及裂縫寬度按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算。結(jié)構(gòu)混凝土等級C35，抗拉鋼筋種類HRB400。各工況下，區(qū)間結(jié)構(gòu)不同部位的最大彎矩、承載力及抗裂驗算見表4。

三維計算結(jié)果表明：各工況下，區(qū)間結(jié)構(gòu)各部位的承載力及裂縫控制要求均可滿足要求，故基坑開挖對區(qū)間結(jié)構(gòu)使用安全的不利影響可控。

4 結(jié)論及建議

通過對本項目基坑穩(wěn)定性及基坑開挖對周邊環(huán)境的附加變形影響預(yù)測分析得出，地庫基坑施工項目既定支護(hù)方案能滿足地鐵4號線大花區(qū)間隧道的控制要求，設(shè)計方案合理，可確保基坑安全，具體結(jié)論如下：

①根據(jù)基坑變形及穩(wěn)定驗算結(jié)果，本項目基坑的各項穩(wěn)定性均滿足要求，基坑圍護(hù)最大水平位移及坑外地表最大沉降均滿足基坑變形控制要求；

②通過二維及三維空間有限元析，可以發(fā)現(xiàn)本項目基坑開挖對區(qū)間隧道會產(chǎn)生一定影響，但影響范圍及程度較小，采用放坡開挖及土釘墻支護(hù)形式，區(qū)間隧道產(chǎn)生的變形均能控制在正常變形范圍內(nèi)；

③根據(jù)結(jié)構(gòu)抗裂驗算結(jié)果，本項目施工期間對區(qū)間隧道內(nèi)力影響較小，各工況下區(qū)間隧道裂縫控制均滿足規(guī)范要求。