地鐵風井基坑施工對鄰近河堤結構位移影響的數值分析

高宗祥

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250014)

0 引 言

隨著城市地鐵的大規模建設，受城市地下空間限制，新建地鐵隧道鄰近既有構筑物(地鐵隧道、橋梁、建筑等)難以避免，地鐵施工導致鄰近既有構筑物結構安全問題愈發普遍。針對該類問題，張治國等[1]較早運用整體有限元法對地鐵隧道在基坑施工過程中所產生的影響進行彈塑性分析，分析結果與工程實測吻合良好；高廣運等[2]、唐仁等[3]分別采用數值模擬方法建立了三維模型，以此分析了基坑施工對鄰近地鐵隧道的影響；宮志群等[4]通過三維有限元分析手段研究了地鐵車站施工對鄰近建筑物的疊加影響。前述工程分析實例表明，數值分析方法是目前開展鄰近施工領域常用的分析方法之一。為此本文建立了基坑-土體-河堤結構三維有限元模型，分析地鐵風井基坑施工對鄰近河堤結構位移的影響，在現行規范下評估河堤結構安全。

1 工程概況

廣州地鐵十八號線盾構隧道琶洲西區站—冼村站區間中間風井中心里程為ZDK57+379.597，位于珠江前航道以北，北鄰臨江大道新中軸隧道，南鄰獵德-廣州大橋河堤。風井基坑寬度37.4 m，長42.8 m，標準段基坑深約41.21～41.47 m，地面平整后的高程約為8.60 m。基坑圍護結構采用地下連續墻+六道內支撐，連續墻嵌固深度不應小于2.5 m，總長超過20 m的支撐于中間設置臨時中立柱，并于立柱下設置立柱樁。連續墻為C35水下混凝土，抗滲等級P8，墻厚為1 000 mm；內支撐采用C35混凝土，其中第一道支撐、第二～六道支撐截面尺寸分為700 mm×900 mm和800 mm×900 mm，混凝土連梁截面尺寸為400 mm×600 mm，冠梁和腰梁截面尺寸分別為1 000 mm×1 000 mm和1 000 mm×1 200 mm，臨時中立柱采用Q235b。

鄰近的1級河堤獵德-廣州大橋河堤為直立式堤岸，采用拋石基床作為預制沉箱基礎，基礎采用大開挖斷面，臨江側主要為淤泥質土開挖，開挖邊坡坡比采用1∶2.0，內側臨時開挖邊坡坡比采用1∶2.0。開挖完成后拋填大塊石。拋石基床上吊裝C30鋼筋混凝土U型預制混凝土沉箱，并在沉箱上設2.1 m混凝土現澆胸墻作為護岸，堤頂設人行道及綠化帶。

中間風井基坑與鄰近1級河堤結構最近的直線距離約19.8 m，侵入河堤保護范圍；豎向上，河堤基床底埋深為7.2 m，風井基坑底部埋深約為41.3 m，河堤底部距風井基坑底部約為34 m，兩者相對位置關系如圖1所示。根據經驗中間風井施工影響區域為基坑深度的3～5倍，按3倍計算約為124 m，表明河堤結構處于基坑施工的影響范圍內。需要從河堤位移變化的角度分析基坑施工對河堤造成的影響。

圖1 風井基坑與鄰近1級河提相對位置關系圖

2 場地工程地質條件

根據巖土勘察報告該處場地地貌屬于珠江三角洲沖積平原，本場地地形較平坦，相對高差較小，地面高程一般為7.6～9.5 m，以水道、道路為主。

通過分析，選取中間風井與鄰近河堤處最不利鉆孔處的地質作為建模資料，該處地質從地面往下依次為2.6 m的雜填土<1-2>，3.9 m的淤泥質土<2-1B>，3.7 m的粉質粘土<4N-2>，7.2 m的強風化泥質粉砂巖<7-3>，4.2 m的中風化泥質粉砂巖<8-3>，6.1 m的微風化泥質粉砂巖<9-3>，4.5 m的中風化泥質粉砂巖<8-3>，以下是微風化泥質粉砂巖<9-3>，對應的地層參數信息見表1。河堤位于雜填土和淤泥質土中，中間風井基坑坑底位于微風化泥質粉砂巖中，地質條件較好，對鄰近河堤的安全與穩定有利。

表1 土體參數信息表

3 三維有限元模型

為有效模擬基坑施工過程綜合考慮地質等條件，對三維數值模型的計算條件進行了合理假定，主要包括：(1)根據最不利鉆孔的地層參數，假定各土層均為連續、均勻水平層狀分布的各向同性體；(2)土體簡化為理想的彈塑性體，均采用Mohr-Coulomb模型；(3)將混凝土材料構件簡化為理想的線彈性材料，其中河堤預制混凝土沉箱和胸墻采用實體單元模擬，地連墻采用板單元模擬，內支撐、冠梁、腰梁采用梁單元模擬。

根據河提和中間風井的結構、材料參數以及構筑物間的空間立體關系，以及前述合理的假定條件，采用midas GTSNX建立了三維有限元分析模型如圖2所示。為避免邊界效應的影響，計算區域為240 m(基坑長邊方向)×235 m(基坑短邊方向)×70 m(深)。模型邊界采用位移邊界條件，約束模型底部z方向、模型前后面y方向、模型左右面x方向。

圖2 三維有限元模型整體圖

為考慮基坑施工過程對臨近河堤的影響，對基坑主要施工過程進行了動態模擬，共分為10個工況，分別為：工況1初始應力場分析，位移清零；工況2河堤施工，新中軸隧道施工，位移清零；工況3建中間風井地連墻、中立柱、立柱樁；工況4中間風井基坑開挖第一層土體至第一道支撐底0.5 m；工況5架設中間風井冠梁、第一道支撐，基坑開挖第二層土體至第二道支撐底0.5 m；工況6～10重復上一步，直至基坑開挖第六層土體至基底。

4 主要結果分析

通過三維有限元模型計算并對結果提取，統計得到各施工工況下臨近河堤結構位移匯總見表2。圖3給出了位移最大工況下的河堤結構位移分布云圖，分析表2可知。

表2 各施工工況河堤結構位移結果匯總表

圖3 各位移最大工況下的河堤結構位移分布云圖

(1)河堤水平X位移隨著基坑開挖的進行先增大后略有減小，當風井第五道支撐施工時河堤水平X位移達到絕對最大值0.74 mm；(2)河堤水平Y位移總體變化趨勢與X位移一致，即隨著基坑開挖的進行其值先增大后略有減小，風井第五道、第六道支撐施工工況下河堤水平Y位移最大為-0.40 mm；(3)河堤豎向位移隨著基坑開挖的進行逐漸變小，當風井第一道支撐施工時河堤豎向位移達到最大值為-0.24 mm；(4)在河堤三向位移中水平X位移最大、Y位移次之、豎向位移最小，由此導致總位移的最大值與水平位移達到最大值的工況同步，最大位移值為0.80 mm；(5)河堤豎向最大沉降值為0.24 mm，小于《城市軌道交通工程監測技術規程》[5]中城市主干道路基沉降控制值10 mm的要求。

5 結 論

針對前述所開展的三維數值仿真計算結果及分析，可得到結論如下：

(1)地鐵中間風井基坑施工誘發的河堤最大總位移為0.80 mm，最大水平位移為0.74 mm，最大沉降為0.24 mm，其中最大沉降值小于規范所規定的城市主干道路基沉降控制值10 mm的限值要求，由此可認為中間風井開挖不會危及既有河堤結構的安全；

(2)中間風井基坑開挖對河堤影響區域主要為與中間風井距離最近點前后10 m范圍內，建議在項目后續實施中有針對性的開展監測工作，加強該區域的日常監測。