復雜條件下基坑開挖對鄰近地鐵結構的影響分析

□文/胡 鑫 劉 健

隨著地鐵周邊商業(yè)不斷開發(fā)，鄰近地鐵的基坑逐漸增多，在許多軌道交通較發(fā)達的城市，新建工程鄰近地鐵結構的情況增多[1～2]。基坑開挖在卸載過程中會影響周邊土體應力及位移，因而，不僅要嚴格控制自身的變形[3]，還需要通過各種措施，確保鄰近地鐵結構的安全，在復雜條件下控制基坑變形并最大限度減小對鄰近地鐵結構的影響顯得尤為重要[4～5]。

目前，長沙地區(qū)地鐵發(fā)展較快，鄰近地鐵周邊基坑也不斷增多，本文以長沙地鐵4號線一期工程圭塘站周邊某基坑為背景，充分考慮土體開挖的時空效應，制定了圍護樁+內支撐支護方案，結合實際場地的水文工程地質條件，建立三維數值模型，對施工過程進行動態(tài)模擬，通過現場監(jiān)測對比分析，對周邊結構進行安全性評價，以期對類似基坑工程的設計和施工起到指導和借鑒意義。

1 工程概況

長沙市軌道交通4號線一期工程圭塘站位于勞動東路與萬家麗路交叉路口東側，與長沙地鐵5號線勞動東路站進行通道換乘，設有3 個出入口、2 組風亭，其中1號出入口靠近旭輝國際廣場。由于旭輝國際廣場需與圭塘站進行無縫對接，考慮到兩項目平面位置關系，擬在1號出入口與旭輝國際廣場地下商業(yè)間增設一地下通道。通道標準段外寬為7 m，距離旭輝國際廣場地下室約2 m，最小距離僅1.36 m。見圖1。

圖1 地下通道與圭塘站平面關系

旭輝國際廣場負一層埋深約5 m，負二層埋深約8.7 m，1 號出入口埋深約11.6 m。地下通道工程內設置樓扶梯，將兩者連接起來，提升高度約6.6 m，其中最大埋深約15.7 m。見圖2。

圖2 地下通道縱剖面

車站范圍內地質由上至下依次是人工填土、含礫粉質黏土、強風化砂礫巖及中風化泥質粉砂巖。地下水為第四系松散層上層滯水、孔隙潛水和基巖裂隙水。

地下通道基坑深5.6～15.8 m，寬7 m，采用直徑0.8 m、間距1.1 m鉆孔灌注樁作為圍護結構，圍護樁嵌固深度3.5～4.5 m，豎向設置2 道直徑609 mm、壁厚12 mm的鋼支撐，水平間距3.5 m。

2 計算模型

2.1 模型建立

三維數值計算采用巖土工程有限差分軟件FLAC3D，開挖單元及土體單元、1 號出入口及地下商業(yè)結構均采用實體單元，基坑圍護樁采用pile 單元模擬，冠梁及鋼支撐采用beam 單元模擬。建模范圍內包括1 號出入口及地下商業(yè)結構（頂板、中板、底板、側墻等）、通道基坑及其圍護結構體系（圍護樁、冠梁、鋼支撐），模型寬75 m、縱向長50 m、深25 m、共有107 100 個節(jié)點，99 950 個單元，可以滿足計算精度要求。模型四周法向約束，底部固定約束，頂面自由，見圖3和圖4。

圖3 三維計算模型

圖4 基坑圍護體系模型

2.2 計算參數

1）土層參數見表1。

2）結構參數。1 號出入口頂、底板厚700 mm，側墻厚600 mm，地下商業(yè)結構側墻及底板厚300 mm，中板厚200 mm。見表2。

表1 巖土體參數

表2 計算結構參數

2.3 計算工況及初始應力

為研究連接通道基坑開挖對1號出入口及既有地下商業(yè)結構的影響，擬進行以下工況的研究。

1）初始地應力：考慮地層為原始應力狀態(tài)，1號出入口及既有地下商業(yè)結構未施工。

2）施工1 號出入口及既有地下商業(yè)結構，進行應力平衡計算，作為影響評估的初始狀態(tài)。

3）施通道基坑圍護結構，開挖基坑至基坑底，此工況為最終工序。

對工況一、工況二不做展開分析，僅提取相關應力結果作為后續(xù)影響評價的基礎數據，見圖5和圖6。

圖5 1號出入口結構最大主應力分布

圖6 地下商業(yè)結構最大主應力分布

初始狀態(tài)時1 號出入口結構最大主應力為1 200 kPa，地下商業(yè)結構最大主應力為793 kPa。

2.4 通道基坑開挖的影響分析

通道基坑開挖后，土體位移導致1 號出入口、地下商業(yè)結構產生偏向基坑方向的位移，見表3和表4。

表3 周邊土體、結構位移及支撐軸力計算結果要求

表4 結構應力計算結果

由表3 可知，通道基坑開挖后，鋼支撐軸力最大值為488.5 kN。基坑開挖引起周邊土體產生水平和豎向位移，最大水平位移為4.04 mm，最大豎向位移為6.06 mm，滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》＜30 mm的控制要求。由表4可知，土體開挖引起的結構位移較小，主應力變化幅度最大為8.4%,均在規(guī)范允許范圍內。

基坑圍護結構采用圍護樁+內支撐的形式，較好地控制住了基坑周邊土體位移，從而最大程度減少了對1號出入口及地下商業(yè)結構的影響，保證了結構安全。

3 現場監(jiān)測結果分析

施工過程中對基坑周邊土體位移及支撐軸力等進行了監(jiān)測。基坑施工完后，周邊土體最大水平位移為4 mm，豎向位移為6.8 mm。見圖7和圖8。

圖7 周邊土體水平位移變形結果

支撐軸力最大值為580.6 kN，在基坑開挖至基底時變形較大，通道主體結構完成后趨于穩(wěn)定，監(jiān)測數據與數值模擬結果基本一致且均在規(guī)范要求范圍內，鄰近結構變形值也均滿足相關規(guī)范要求，證明數值計算采用的土體本構模型及參數選取適合本項目地層，支護方案合理可行。

4 結論

1）通過數值模擬分析可知，采取圍護樁+內支撐的支護方案，可將基坑開挖引起的的土體位移、支撐軸力、鄰近地鐵結構的變形及應力變化值均控制在規(guī)范允許范圍內，減小了基坑開挖對鄰近地鐵結構的影響，確保基坑開挖結構安全。

2）從現場施工后情況看，現場監(jiān)測數據與數值模擬結果趨勢基本一致，施工期間的安全基本可控，基坑施工中未造成結構強度破壞，可知在復雜條件下鄰近地鐵結構基坑開挖過程中，采取合適基坑支護方案，加強施工組織控制，能夠確保基坑挖開挖過程中鄰近結構的安全，可為類似工程提供參考。