基坑施工對臨近地鐵出入口的影響分析

閆 磊，王敦顯，李乾坤，王黛絲

（徐州市城市軌道交通有限責任公司，江蘇 徐州 221009）

0 引言

隨著城市發(fā)展建設和軌道交通建設的推進，越來越多的城市開發(fā)建設項目緊鄰軌道交通結(jié)構(gòu)布置，給軌道交通結(jié)構(gòu)的安全造成了嚴重的威脅。如何分析周邊建設活動對軌道交通結(jié)構(gòu)的影響，保證軌道交通結(jié)構(gòu)及設備設施的安全，成為學者關(guān)注的重點。

結(jié)合工程實例，國內(nèi)學者進行了大量的研究。劉國彬等［1］以上海廣場基坑工程下的隧道保護為例，利用殘余應力原理和應力路徑方法建立基坑隆起變形計算模型，預測隧道上抬變形，并提出基坑工程中的時空效應原理是減小上抬變形的最有效、最經(jīng)濟的措施；程斌等［2］以上海地鐵二號線車站基坑工程為例，分析了基坑工程與周邊建筑物的相互影響關(guān)系，總結(jié)了常用的治理措施，并提出了設計和施工過程中的一些注意事項；唐仁等［3］以鄰近廣州地鐵一號線的鴻暉大廈深基坑工程為例，建立三維數(shù)值模型分析基坑施工對地鐵隧道的影響，并分析了實測數(shù)據(jù)大于理論數(shù)據(jù)的原因；戚科駿等［4］結(jié)合上海地區(qū)臨近地鐵隧道的基坑工程，運用有限單元方法分析了基坑不同施工方案及不同施工過程對地鐵隧道產(chǎn)生的影響，為施工方案的比選提供了有效的技術(shù)支持；高廣運、吉茂杰、朱正峰、戚長軍、李廣軍、樓曉明、劉純潔等［5-11］也進行了相關(guān)的研究。

上述文獻主要考慮基坑等建構(gòu)筑物施工對車站主體結(jié)構(gòu)或者區(qū)間隧道的影響，對出入口的研究分析較少。本文在前人研究基礎上，以臨近地鐵出入口人防車庫基坑施工為例，建立有限元數(shù)值模型，分析基坑施工對出入口結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

1.1 工程簡介

人防地下車庫工程南側(cè)緊鄰既有地鐵車站 3 號出入口，距離約 5.59 m，地下車庫平面布置如圖 1 所示，基坑開挖深度約 4.650 m。

圖1 地下車庫基坑開挖及支護方案示意圖

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，主樓及北側(cè)地下車庫部分已經(jīng)施工完成，利用主體結(jié)構(gòu)作為支撐點，基坑可采用 SP-Ⅲ拉森鋼板樁 +H 型鋼支撐的支護方案。基坑距離 3 號出入口最小距離為 5.09 m，支護結(jié)構(gòu)采用 SP-Ⅲ拉森鋼板樁 +1 道 H 型鋼支撐，鋼支撐及鋼圍檁均采用HW300×300 型鋼；其余部位采用放坡+鋼板樁支護形式。

出入口結(jié)構(gòu)頂板覆土約 0～7.60 m，標準段底板底埋深約 14.10 m。出入口平面布置如圖 1 所示，結(jié)構(gòu)高度 6.45～14.50 m，頂板厚度為 700 mm，底板厚度為 800 mm，側(cè)墻厚度為 600 mm。地下車庫與車站出入口相對位置關(guān)系如圖 2 所示。

圖2 出入口附近基坑支護剖面圖（單位：mm）

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

建筑場地的覆蓋層厚度 14.50～16.50 m，上部土層主要有①雜填土層；②粉土；③粉質(zhì)黏土；④粉質(zhì)黏土；⑤含砂姜黏土；⑥黏土；下覆基巖為⑦全風化砂巖層。

場地揭露的含水層主要為潛水，潛水賦存于①雜填土及②粉土中，埋深平均值 1.00 m，主要補給來源為大氣降水的下滲補給，排泄方式為自然蒸發(fā)為主。水位隨季節(jié)性變化，年變幅 1.0～1.5 m。

2 有限元數(shù)值模擬

本項目基坑距離車站出入口非常接近，涉及基坑局部放坡、近距離垂直開挖和軟弱土層等因素影響，采用有限元數(shù)值分析模擬，分析基坑開挖對出入口結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)地勘揭露，施工期間地下水位較低，且在基坑開挖之前采用坑內(nèi)降水，保證水位低于開挖面以下 1 m，故模擬計算不考慮地下水的影響。

根據(jù)場地巖土勘察報告，各土層物理力學參數(shù)取值如表 1 所示。

表1 土層物理力學參數(shù)表

新建地下車庫施工包括鋼板樁施工、放坡開挖、基坑降水和基坑垂直支護，基坑開挖模型均采用如下計算步驟模擬：地層自重、既有出入口結(jié)構(gòu)、已建成商辦樓及北側(cè)地下結(jié)構(gòu)達到重應力平衡狀態(tài)→基坑支護樁施工→內(nèi)支撐施工→基坑開挖（100 % 應力釋放）→開挖完成。

模型假定圍巖各層都是各向同性連續(xù)介質(zhì)，土體采用修正 Mohr-Coulomb 模型，并采用 Mohr-Coulomb破壞準則。周邊既有的超載按均布荷載作用于模型頂面。模型四周邊界及下表面采用單向鉸支約束，上表面采用自由約束。

有限元模型為減小邊界效應影響，確定基坑開挖范圍尺寸約為 250 m×220 m×11 m（長×寬×高），二期南側(cè)施工范圍為 157.74 m×9.10 m×4.65 m（長×寬×高）。

人防地下車庫基坑緊鄰既有地鐵車站 3 號出入口，距離約 5.59 m，基坑開挖深度約 4.650 m。出入口結(jié)構(gòu)頂板覆土約 0～7.60 m，由深至淺逐漸出露地面。建立模型如圖 3 所示，模型中地庫與出入口位置關(guān)系如圖 4 所示。

圖3 地下車庫基坑工程三維數(shù)值模型

圖4 出入口與地下車庫工程位置關(guān)系

3 基坑施工對出入口結(jié)構(gòu)影響分析

3.1 出入口變形影響分析

根據(jù)工程實際情況，建立有限元模型進行計算分析。出入口豎向、水平變形及傾斜計算結(jié)果如圖5～8 所示。

圖5 出入口沉降變形分布（最大沉降 0.7 mm）

圖6 出入口 Y 向水平變形分布（最大側(cè)移 0.94 mm）

圖7 出入口 X 向水平變形分布（最大側(cè)移 0.26 mm）

圖8 出入口傾斜變形分布（最大傾斜 1.1 mm）

基坑采用 SP-Ⅲ 拉森鋼板樁 +1 道 H 型鋼支撐。根據(jù)計算結(jié)果，基坑開挖至坑底時，對出入口結(jié)構(gòu)影響最大。基坑開挖后，3號出入口結(jié)構(gòu)最大沉降為 0.7 mm，位于出入口結(jié)構(gòu)出地面位置臨近基坑側(cè)；水平位移最大位移約 1 mm，同樣位于出入口結(jié)構(gòu)出地面位置臨近基坑側(cè)；3 號出入口最大傾斜位移 1.1 mm，傾斜度 0.43 ‰，也位于相同位置。

分析可知，由于本工程范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件較好，基坑開挖深度也較淺，故基坑施工導致出入口結(jié)構(gòu)變形較小，基坑開挖引起的出入口豎向沉降小于 10 mm，平面位移小于 10 mm，傾斜變形小于 2 ‰，均滿足規(guī)范要求。

出入口變形最大位置集中在出地面臨近基坑側(cè)，究其原因，由于出地面位置周圍土體對結(jié)構(gòu)的嵌固效應最小，當周圍土體發(fā)生變形或位移時，結(jié)構(gòu)隨土體及時作出響應。此外分析模擬過程沒有考慮前期出入口結(jié)構(gòu)出地面位置放坡施工對土體的擾動，故實際變形應較計算結(jié)果大。因此后期基坑施工過程中，出入口位置為重點關(guān)注對象，應布置監(jiān)測點加強監(jiān)測。

3.2 出入口受力影響分析

計算有限元模型，內(nèi)力計算結(jié)果如圖 9 所示。

圖9 出入口彎矩分布（最大彎矩 185.09 kN·m）

根據(jù)計算結(jié)果可知，內(nèi)力最大位置位于出入口結(jié)構(gòu)底板起坡位置，基坑開挖后，支座最大彎矩約為 185 kN·m，跨中最大彎矩約為 160 kN·m。經(jīng)計算可知，地下車庫基坑開挖引起的 3 號出入口結(jié)構(gòu)裂縫變形為0.038mm，滿足 0.2 mm 的裂縫安全控制要求。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測對比

地下車庫施工完成后，監(jiān)測結(jié)果表明，出入口結(jié)構(gòu)豎向最大沉降約 1.5 mm，最大水平位移約 2 mm（向基坑開挖側(cè)）。監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相比，約為數(shù)值計算結(jié)果的 2 倍，但依然在允許變形控制范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

分析原因，其一可能是數(shù)值模擬過程中未考慮前期出入口開挖對周邊土體的擾動，對影響范圍內(nèi)的土體的工程力學參數(shù)進行折減；其二，出入口施工過程中，出地面位置局部放坡開挖，施工完成后再回填素土，壓實度較原狀土低，進而導致變形過大。這是后期類似工程分析和研究過程中需要注意的。

4 結(jié)論

通過有限元模擬分析地下車庫基坑施工對出入口結(jié)構(gòu)的影響，得到以下結(jié)論。

1）本項目基坑開挖引起的出入口結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力均滿足規(guī)范要求，工程圍護結(jié)構(gòu)形式設置合理，滿足地鐵安全保護要求，可以作為指導施工的依據(jù)。

2）臨近出入口基坑開挖引起的出入口結(jié)構(gòu)變形主要集中于出入口出地面位置臨近基坑側(cè)。此位置對土體變形反應比較靈敏，是后期施工和監(jiān)測的主要關(guān)注對象，為后期相似項目提供了參考。

3）出入口結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大位置位于結(jié)構(gòu)底板起坡位置，本項目由于基坑挖深較小，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小。后期類似項目需根據(jù)工程實際情況進行處理。

4）本文在模擬計算過程中未考慮前期出入口基坑施工過程對周圍土體的影響。基坑施工影響范圍內(nèi)的土體的工程力學參數(shù)應進行一定程度的折減，折減系數(shù)應結(jié)合工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場實際情況確定。Q