基坑開挖對臨近地鐵區間結構影響安全性評估

呂秋玲, 明 亮, 汪東林

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著城市建設的不斷發展，土地資源不斷被開發利用，受城市規劃以及環境的限制，城市軌道交通毗鄰的深基坑越來越多，基坑的開挖過程必將對周邊地層的平衡狀態產生影響，進而引起周邊土體內應力重分布，導致軌道交通結構等產生附加應力及附加變形，則會對軌道交通的正常運行產生影響，嚴重時可能破壞地鐵隧道結構甚至引發安全事故，因此，對基坑開挖對臨近軌道區間結構的變形影響程度進行評價是非常有必要的[1]。

基坑開挖對臨近地鐵隧道產生影響的因素有很多，且機制比較復雜，很多國內外學者做過深入的研究。魏綱等[2]提出了一個半解析半經驗的方法，該方法充分考慮了在基坑開挖時，基坑底部加固的遮攔效應以及坑底與基坑側壁的卸荷應力，并且推導出了可以計算由于基坑開挖而產生隧道位移的計算公式。Marts等[3]為了研究采用明挖法施工的基坑，其開挖過程對下臥隧道結構的影響，通過建立二維有限元模型，預測開挖后隧道結構的明挖效果，然后與現場的監測數據對比分析，結果大致吻合，驗證了預測與實測間比較好的一致性。Sharma等[4]為研究基坑施工過程中對臨近的2個地鐵隧道的影響，以某實際的深大基坑為工程背景，建立三維有限元模型，模擬計算了基坑施工過程中周圍兩個地鐵隧道的變形情況，分析計算結果得到隧道的襯砌剛度會影響其自身的變形，襯砌剛度越小，則位移變形越大；反之，剛度越大則位移變形越小。

本文結合臨近合肥軌道交通1號線某深基坑工程施工，采用MIDAS GTS NX有限元軟件，建立三維有限元模型，對基坑開挖影響下該處軌道區間結構受到的應力及產生的變形進行安全評估，為其他類似基坑工程提供了一定的參考借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程背景

工程位于合肥市濱湖新區廬州大道與福州路交口的西北角,坑深度9.7～13.35 m?；訓|西向長約92 m，南北向寬約76 m，支護周長約320 m?；游鱾扰弿]州大道和已運營的軌道交通1號線紫廬站-濱湖會展中心站區間；南側為已建變電站，目前變電站結構已完成，覆土已回填；東側為車庫地下室；北側圍墻外為福州路。本基坑南側侵入軌道交通嚴格控制區，西側侵入軌道交通影響控制區?；游鱾确牌缕马斁嚯x已運營1號線區間結構為8.68～18.08 m，南側利用變電站原有圍護樁，其地下室外墻與變電站外墻凈距為3.33～6.08 m?；游鱾?、北側采用Φ900@1800鉆孔樁排樁和2～4層錨桿支護形式，圍護樁樁長約18.8 m，插入基坑底8.0 m；基坑東側采用土釘墻支護；基坑南側利用既有變電站支護樁支護，采用Φ1000@1600鉆孔樁，變電站底板埋深約20.0 m，圍護樁長18.7 m，插入基坑底8.0 m。地下水采用集水明排處理。本基坑與既有軌道交通結構的平面位置關系如圖1所示。

1.2 工程地質

根據地勘報告所述,擬建場地地貌形態均屬江淮丘陵地貌單元。擬建場地地基巖土構成層序自上而下為：①層雜填土、②1層黏土、②層黏土、③層粉質黏土(黏土)夾粉土(殘積風化)、④層強風化泥質砂巖、⑤層中風化泥質砂巖。

該場地有上層滯水以及承壓水的存在，其中上層滯水賦存于①層雜填土中，其水量與水位受大氣降水影響嚴重，且分布不連續。而承壓水則埋藏于③層粉質黏土(黏土)夾粉土(殘積風化)中，同時在④、⑤層砂質泥巖中埋藏有少量裂隙水?？辈炱陂g在局部地段測得上層滯水地下水靜止水位埋深1.10～4.70 m，靜止水位標高15.45～21.79 m。

圖1 基坑與軌道交通結構的平面位置關系圖

2 數值模擬

2.1 計算范圍與邊界條件

該基坑長約92 m，寬約76 m，基坑開挖深度為9.70～13.35 m，大量工程經驗顯示，大型基坑在施工過程中， 其影響深度范圍為開挖深度的2～4倍，影響寬度范圍為開挖深度的3～5倍。因此，計算模型取長×寬×高尺寸為180 m×180 m×40 m。

在確定模型的邊界條件時，由于該模型的計算區域已經足夠大，故可以認為模型底面不發生豎向位移，而其側面也不存在水平位移。則可以確定該模型側面為水平約束，底面為各項約束，而上表面為自由面。

2.2 模型參數選取

為研究基坑開挖對臨近地鐵1號線區間結構的影響 ，采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立三維模型進行分析。

2.2.1 地層參數的選取

結合勘察報告并整合相似土層，得出土層的物理力學參數，見表1。

表1 土層物理力學參數指標表

2.2.2 圍護樁單元的模擬

本基坑圍護樁主要采用鉆孔灌注樁，其直徑為900 mm，間距為1 800 mm，計算模擬時按剛度等效為厚598 mm的板。區間隧道、變電所結構采用不同厚度的板單元模擬，并用植入式桁架單元來模擬錨桿結構。梁、板等結構的材料按線彈性考慮，其主要參數為泊松比υ及彈性模量E。各結構構件的材料取值見表2。

表2 結構構件材料參數取值

2.3 計算工況

在整個建模過程中，為了重點突出基坑開挖過程對臨近軌道區間的變形影響，不詳細模擬分析區間隧道的施工過程，也不考慮基坑地連墻等圍護結構的施工過程對區間隧道的影響。在軌道交通結構施工結束后對模型進行位移清零，這樣以便更好地分析基坑開挖對臨近軌道區間的影響。根據施工順序，計算工況如下：

工況1：初始地應力平衡。

工況2：施作軌道交通結構(區間隧道)。

工況3：完成第一級土層開挖(地表至冠梁底標高)，施作圍護樁。

工況4：開挖至第一道錨索標高，施作錨索。

工況5：開挖至第二道錨索標高，施作錨索。

工況6：開挖至第三道錨索標高，施作錨索。

工況7：開挖至第四道錨索標高，施作錨索。

工況8：開挖至基坑底。

工況9：施作樁基及地下室結構，施加上部建筑荷載。

2.4 三維有限元計算與分析

結合該基坑工程的實際施工工況，采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立三維數值模型，其尺寸長×寬×高為180 m×180 m×40 m，如圖2所示。

圖2 整體三維有限元模型

2.4.1 隧道區間水平位移分析經軟件分析計算，基坑開挖過程中各個工況下隧道區間的水平位移如圖3所示。

從圖3中我們不難看出，在基坑開挖的整個過程當中，隧道區間產生了水平位移，且方向偏向基坑一側，隨著開挖深度不斷加大，其水平位移變形也逐漸增大；當開挖至基坑底部時，近基坑側隧道區間中間腰部的位置出現了最大變形，最大水平位移約為2.05mm，隧道區間整體的變形呈現中間大兩邊小的形式。

圖3 基坑開挖過程中隧道區間沿X方向的水平位移(單位：m)

2.4.2 隧道區間豎向位移分析

利用MIDAS/GTS模擬計算出基坑開挖各工況下隧道所產生的豎向位移如圖4所示。

圖4 基坑開挖過程中隧道區間豎向位移(單位：m)

由圖可知，在整個基坑開挖過程中，遠基坑側隧道在豎直方向上略微下沉，而且其沉降量伴隨著基坑開挖不斷加深也在不斷增大，當開挖至基坑底部時，出現最大沉降位移，位置出現在遠基坑側隧道中間腰部位置，沉降量約為0.38 mm，其總體沉降趨勢為中間大兩邊小；近基坑隧道則在豎直方向上略微隆起，而且其隆起量也隨著基坑開挖不斷加深也在不斷增大，當開挖至基坑底部時，近基坑側隧道中間腰部位置出現了最大隆起位移，隆起量約為0.85 mm，其總體隆起趨勢也是中間大兩邊小。

基坑施工各工況對鄰近區間結構的位移影響匯總如表3所示。

表3 各工況基坑施工對區間隧道結構的位移影響

由數值模擬結果知，基坑開挖對車站主體結構的最大附加水平位移約2.05 mm，最大附加豎向位移為0.85 mm。以上各工況累計位移值均低于控制值5 mm，故基坑施工對區間結構的位移影響在可控范圍內。

3 結構承載力及抗裂驗算分析

工況8下區間結構軸力及彎矩圖如圖5所示。

圖5 工況8下隧道區間軸力圖

圖6 工況8下隧道區間彎矩圖

結構承載力及裂縫寬度按照《混凝土結構設計規范》計算。結構混凝土等級C35，抗拉鋼筋種類HRB400。各工況下，區間結構不同部位的最大彎矩、承載力及抗裂驗算見表4。

表4 區間結構承載力及抗裂驗算

綜上所述，基坑開挖誘發軌道區間發生一定程度的位移，預測軌道區間的最大水平位移為2.05 mm，最大豎向位移為0.85 mm；隧道區間的受力水平處于較低的狀態，且其受力的變化量比較小，故認為該深基坑的施工過程不危及軌道區間的結構安全。

3 結束語

(1) 該隧道區間受基坑開挖影響，其產生的最大水平位移為2.05mm，最大豎向位移為0.85mm。

(2) 在整個基坑開挖過程中，臨近軌道區間結構受開挖的影響，其受力狀態發生一定的變化，但比較各個工況下的軸力及彎矩，其變化量可以忽略不計，所以該軌道區間結構受基坑開挖的影響，其受力處于較低的水平，結構受力的變化量都比較小，幾乎可以忽略不計。

(3) 通過結構承載力及裂縫寬度驗算，得出各個工況，隧道區間結構各部位的承載力以及裂縫寬度均可滿足規范要求，基坑開挖對臨近隧道區間結構使用安全的不利影響是可控的，故可以認為該基坑開挖過程不危及軌道區間的結構安全。