鄰近基坑開挖對既有地鐵車站影響分析

劉中欣，王東欣，張慶軍,謝良甫，邱烈望

（1.中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，廣州 510400；2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，烏魯木齊 830046）

1 引言

隨著城市軌道交通的高速發(fā)展，地鐵成為穿越城市的主要交通工具。而地鐵沿線的城市建設(shè)發(fā)展，威脅到地鐵結(jié)構(gòu)的正常使用。因此，分析城市建設(shè)對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響將成為重要的研究方向。任亞亮[1]對鄰近深基坑開挖存在的交叉工況問題，采用數(shù)值模擬的方法，得出受影響車站基坑圍立柱樁差異變。徐騰飛[2]采用數(shù)值模擬分析，對各近接工程控制因素所帶來的風(fēng)險進(jìn)行量化，分別對各因素所產(chǎn)生的風(fēng)險進(jìn)行評估。賈夫子等[3]對基坑開挖期間鄰近地鐵車站和隧道變形進(jìn)行分析，總結(jié)了基坑開挖期間鄰近地鐵車站、隧道變形的發(fā)展規(guī)律，以量化的形式定義表征隧道不均勻變形程度的不均勻變形參數(shù)。曾遠(yuǎn)等[4]通過數(shù)值模擬分析，研究得出基坑開挖時新舊兩車站間距、源頭變形、土體彈性模量對運(yùn)營車站變形的影響，得出車站結(jié)構(gòu)變形估算公式。胡恒等[5]采用FLAC模擬基坑開挖過程中造成的地應(yīng)力釋放、地鐵結(jié)構(gòu)的埋深大于或小于鄰近開挖深度兩種情況下以及相應(yīng)的不同嵌固深度下，分析基坑開挖造成的地鐵位移及應(yīng)力場，得出地鐵結(jié)構(gòu)與基坑開挖深度之間的關(guān)系。陳濤等[6]采用PLAXIS 3D模擬鄰近地鐵結(jié)構(gòu)基坑施工過程，計(jì)算分析了基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)和隧道管片的位移影響。張培森[7]采用數(shù)值分析方法對深基坑開挖工程中是否施加支撐預(yù)應(yīng)力對既有地鐵變形進(jìn)行分析，得出地表下沉與開挖深度之間的關(guān)系，以及有無支撐預(yù)應(yīng)力情況下，下沉位移與開挖深度之間的關(guān)系。陳飛飛、邢崴崴[8,9]采用有限元軟件，分析了基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。楊曉磊[10]分別從理論分析和數(shù)值模擬兩方面對基坑開挖中卸荷作用引起的地鐵結(jié)構(gòu)整體上浮、最不利位置、車站結(jié)構(gòu)側(cè)移趨勢、車站主體結(jié)構(gòu)變形量趨勢等方面進(jìn)行了分析總結(jié)。

本文采用FLAC 3D有限元軟件模擬對基坑采用不同放坡開挖支護(hù)對既有車站的位移及穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析。

2 工程概況

擬建項(xiàng)目位于烏魯木齊市地鐵4號線北廣場以西。基坑深度為12.2～27.1m，基坑安全等級為一級。場地土層分布自上而下分別為雜填土、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖，土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 模型建立

本文采用有限元軟件FLAC 3D進(jìn)行建模分析，一級放坡開挖方式模型尺寸在X方向取值為63 m，Y方向取值為20 m，在Z方向取值為34.8 m。二級放坡開挖方式模型尺寸在X方向取值為50.2 m，Y方向取值為148 m，Z方向取值為34.8 m。監(jiān)測點(diǎn)沿地鐵車站主體結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)墻體布置。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1、圖2所示。

圖1 一級放坡開挖監(jiān)測點(diǎn)布置

圖2 二級放坡開挖監(jiān)測點(diǎn)布置

4 模擬結(jié)果分析

4.1 位移分析

基坑采用一級放坡支護(hù)開挖段位移結(jié)果分析：

由圖3、圖4可知，在基坑開挖完成后，在Y坐標(biāo)為8 m處豎向位移變化值最小，Z坐標(biāo)為7 m時不同監(jiān)測點(diǎn)豎向位移具有最大值，在近地表豎向位移值較小。水平位移在不同監(jiān)測點(diǎn)位移變化值較小，而在近地表范圍不同監(jiān)測點(diǎn)水平位移較大。

圖3 靠近基坑側(cè)車站不同監(jiān)測點(diǎn)豎向位移

圖4 靠近基坑側(cè)車站不同監(jiān)測點(diǎn)水平位移

基坑采用二級放坡支護(hù)段位移結(jié)果分析：

由圖5可知，Y坐標(biāo)在28～42 m以及112～126 m范圍內(nèi)不同監(jiān)測點(diǎn)豎向位移具有較大變化，且在基坑邊坡的中部區(qū)域、車站底部區(qū)域位移變化較小。由圖6可知，Z坐標(biāo)在7.9～17.9 m的范圍內(nèi)不同監(jiān)測點(diǎn)水平位移變化較為顯著，且在近地表15.9～17.9 m范圍內(nèi)位移值變化較大，集中在基坑放坡開挖面的中部區(qū)域，變化值較大時則會對地鐵車站主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

圖5 距基坑較近側(cè)不同監(jiān)測點(diǎn)豎向位移

圖6 距基坑較近側(cè)不同監(jiān)測點(diǎn)水平位移

5 結(jié)論

本文采用有限元軟件FLAC 3D建立模型，分析基坑采用不同開挖方式時地鐵結(jié)構(gòu)的影響，主要得出以下結(jié)論：

1）基坑采用一級放坡開挖時，基坑側(cè)豎向位移在基坑開挖面中部區(qū)域變化較小，位移變化主要集中在端部區(qū)域。而在地鐵車站結(jié)構(gòu)底部水平位移呈增加趨勢，易使結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生破壞。

2）基坑采用二級放坡開挖時，在基坑開挖面的中部區(qū)域不同監(jiān)測點(diǎn)豎向位移和水平位移值變化較大，主要集中在地鐵結(jié)構(gòu)中上部區(qū)域，基坑開挖過程中應(yīng)監(jiān)測車站中部區(qū)域位移變化。