深大基坑施工對(duì)緊鄰軌道高架區(qū)間的影響分析

范衛(wèi)琴 ，張紅章，謝昭宇, ，胡先耀 ，彭 向

（1. 武昌理工學(xué)院，武漢 430074；2. 湖北道澤勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430074；3. 武漢豐達(dá)地質(zhì)工程有限公司，武漢 430074； 4. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074）

深大基坑工程在開挖及施工過程中，會(huì)引起臨近軌道交通高架區(qū)間的變形[1-3]，為保證城市輕軌高架運(yùn)行的安全性，《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》對(duì)深大基坑施工過程中對(duì)輕軌高架的影響提出了嚴(yán)格的變形控制指標(biāo)[4]。深基坑施工前采用數(shù)值模擬等有效手段分析和研究深基坑施工過程中對(duì)軌道交通高架區(qū)間的影響，能夠有效進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控，評(píng)估支護(hù)及施工方案的合理性，避免工程事故的發(fā)生[5-7]。MIDAS/GTS NX 有限元差分軟件可以模擬深基坑施工全過程對(duì)臨近軌道交通高架區(qū)間的影響，為工程技術(shù)人員事前分析和評(píng)價(jià)輕軌高架的安全性能提供理論依據(jù)，同時(shí)可為選擇合理的基坑支護(hù)形式和施工方案提供技術(shù)支持[8-10]。

以武漢某緊鄰軌道交通高架區(qū)間、開挖深度約10 m 的深基坑為例，采用MIDAS/GTS NX 有限元差分軟件對(duì)該基坑開挖及地下水滲流下高架區(qū)間結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于武漢市硚口區(qū)，京漢大道和利濟(jì)路交叉路口，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊線距離輕軌線路橋面結(jié)構(gòu)外邊線34.70 m，距離軌道交通安全保護(hù)線最近為4.70 m。軌道交通橋梁基礎(chǔ)采用直徑為0.8 m 的鉆孔樁，樁長(zhǎng)40.5 m，上部設(shè)置1.5 m 厚承臺(tái)，樁基穿越的土層主要為黏土層、中砂層，樁底進(jìn)入中砂層。擬建項(xiàng)目靠近1 號(hào)線崇～利高架區(qū)間側(cè)地下室基坑深9.80 m，采用“鉆孔灌注樁＋一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐＋側(cè)向帷幕”的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，鉆孔灌注樁采用Φ1 100 @1 400 mm，有效樁長(zhǎng)19.30 m。平冠梁標(biāo)高設(shè)一道混凝土內(nèi)支撐，主撐截面尺寸0.8 m×0.8 m，輔撐截面尺寸0.6 m×0.8 m。樁外側(cè)止水帷幕采用700 mm 厚TRD 或CSM 水泥土墻，有效長(zhǎng)度為54.0 m，且進(jìn)入6-1 強(qiáng)風(fēng)化泥巖層≥1.0 m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面圖如圖1所示。

2 模型及材料屬性

2.1 計(jì)算模型

采用巖土專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 進(jìn)行計(jì)算，施工階段分析采用的是累加模型，即上一個(gè)施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會(huì)影響后續(xù)階段的分析結(jié)果。

土體材料本構(gòu)模型取用修正莫爾－庫(kù)倫模型(Modified Mohr-Coulomb)，支護(hù)材料按線彈性考慮。由于本基坑為長(zhǎng)方形，鄰近高架區(qū)間長(zhǎng)度較橫斷面尺寸長(zhǎng)，可以用平面模型來模擬，在MIDAS 平面有限元模型中，采用平面應(yīng)變單元模擬地層，采用梁?jiǎn)卧M圍護(hù)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)及高架區(qū)間樁基，采用界面單元和樁端單元模擬樁-土之間的接觸。計(jì)算模型范圍以基坑外輪廓為基準(zhǔn)，外擴(kuò)一定距離后而建立[11-14]。根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)，本例取5 倍基坑深度。有限元模型的邊界條件為：模型底部約束豎向位移，模型左右兩側(cè)約束水平向位移。

2.2 計(jì)算參數(shù)及工況

2.2.1 土層材料屬性

擬建項(xiàng)目位于長(zhǎng)江北岸，距離長(zhǎng)江約2.5 km，距離漢江1.6 km，相當(dāng)于長(zhǎng)江I 級(jí)階地，地層由新近填土，全新統(tǒng)黏性土、砂性土及砂卵石層、基巖構(gòu)成。場(chǎng)地所分布的地層除表層分布有人工回填的新近素填土(Qml) 外，下部地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積成因的黏性土層、砂土層(Q4al)，砂土層呈現(xiàn)粒徑由細(xì)到粗的沉積韻律，下伏志留系（S2f）泥巖。工程場(chǎng)地按地層成因、巖性及力學(xué)性質(zhì)劃分為6 大層11個(gè)亞層，圖1 中各土層基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土層材料屬性表

2.2.2 結(jié)構(gòu)材料屬性

選取靠近軌道高架區(qū)間一側(cè)的斷面進(jìn)行有限元計(jì)算分析，軌道交通高架區(qū)間結(jié)構(gòu)和本項(xiàng)目地下室結(jié)構(gòu)、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)材料及計(jì)算中所需單數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)特性（平面二維計(jì)算）表

2.2.3 計(jì)算工況

根據(jù)基坑擬定的施工方案，分析共分為6 個(gè)工況，具體如下：

工況1：初始地應(yīng)力形成；工況2：高架橋樁基及結(jié)構(gòu)完成；工況3：施工支護(hù)樁、立柱樁及止水帷幕；工況4：開挖一并施工第一道內(nèi)支撐；工況5：基坑開挖至坑底；工況6：地下室結(jié)構(gòu)施工至內(nèi)支撐底部，拆除內(nèi)支撐，并在地下室負(fù)一層樓板處進(jìn)行換撐。

3 基坑開挖對(duì)高架結(jié)構(gòu)的影響分析

通過數(shù)值計(jì)算，得出各工況下整體模型及高架橋樁基的橫向、豎向位移。最不利工況下，整體模型基坑施工的橫向位移云圖詳見圖2，整體模型的豎向位移云圖詳見圖3，高架橋樁基的橫向位移云圖詳見圖4，高架橋樁基的豎向位移云圖詳見圖5。

圖2 工況6 時(shí)整體模型橫向位移云圖

圖3 工況6 時(shí)整體模型豎向位移云圖

圖4 工況6 時(shí)高架橋樁基橫向位移云圖

圖5 工況6 時(shí)高架橋樁基豎向位移云圖

由圖2、圖3 整體模型位移云圖可知，隨著基坑土方的開挖及地下室的施工，逐步對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，影響范圍和位移值逐步增大。水平位移影響范圍及同一位置處水平位移均隨基坑開挖深度增加而增大，位移最大位置發(fā)生在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平向位移值最大由4.321 mm 逐漸增大至14.55 mm，豎向位移最大由8.34 mm 逐漸增大至13.3 mm。

由圖4、圖5 輕軌高架橋位移云圖可知，基坑開挖對(duì)輕軌高架變形產(chǎn)生影響，輕軌高架橋樁基承臺(tái)處的位移值隨基坑開挖逐漸增大，最大水平變形為3.64 mm（向基坑方向），最大豎向變形為1.17 mm（沉降）。

4 基坑降水對(duì)臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

4.1 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地下水類型主要為填土層中的上層滯水及砂層中的承壓水。上層滯水主要賦存于場(chǎng)地上部人工填土中，水位不連續(xù)，無統(tǒng)一自由水面，主要接受大氣降水，生活用水及給排水管涵的滲透入滲補(bǔ)給，水量有限，靜止地下水位埋深為1.30～2.50 m。

場(chǎng)地承壓水主要賦存于（4-1）～（5）層中，含水層頂板為（2-1）、（2-2）、（3-1）、（3-2）層，底板為下部基巖。承壓含水層與長(zhǎng)江水力聯(lián)系緊密。承壓水測(cè)壓水位標(biāo)高為18.33～20.74 m。根據(jù)沿線收集的現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)資料，結(jié)合武漢地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，模型分析時(shí)承壓水測(cè)壓水位標(biāo)高按21.0 m 計(jì)算。場(chǎng)地承壓含水層滲透系數(shù)14.21 m/d，影響半徑R 為231.1 m，工程采用中深井降水處理，基坑共設(shè)置35 口深井降水井、5 口觀測(cè)井。降水井管井井徑為500 mm，管徑為250 mm，井深35 m。基坑開挖時(shí)將降水至水位標(biāo)高9.80 m，水位降至坑底以下0.5 m。

基坑靠近地鐵止水帷幕采用700 mm（TRD或CSM）厚落底式等厚水泥土攪拌墻樁，長(zhǎng)度為54.0 m，且進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖不小于1.0 m。

4.2 計(jì)算工況

計(jì)算模型分析具體分為4 個(gè)工況：（1）工況1，施加初始水頭，計(jì)算初始滲流場(chǎng)；（2）工況2，施加重力場(chǎng)，計(jì)算地基初始應(yīng)力；（3）工況3，地鐵結(jié)構(gòu)施工完成，位移場(chǎng)清零，保留應(yīng)力場(chǎng)；（4）工況4，計(jì)算降水及地鐵結(jié)構(gòu)位移。

4.3 降水對(duì)周邊環(huán)境的影響分析

最不利工況下，整體模型基坑施工的橫向位移云圖詳見圖6，整體模型的豎向位移云圖詳見圖7，高架橋樁基的橫向位移云圖詳見圖8，高架橋樁基的豎向位移云圖詳見圖9。

圖6 降水后整體模型橫向位移云圖

圖7 降水后整體模型豎向位移云圖

圖8 降水后地鐵結(jié)構(gòu)橫向位移云圖

圖9 降水后地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

由計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)完成基坑降水后，地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的最大水平變形為5.4 mm（向基坑方向），最大豎向變形為1.1 mm（沉降）。

疊加基坑開挖和降水引起的位移量，得地鐵高架區(qū)間結(jié)構(gòu)向基坑相反發(fā)生的最大水平位移為9.09 mm，最大沉降2.27 mm。因此，其結(jié)果能夠滿足相關(guān)規(guī)定（水平、豎向位移值不大于10 mm）要求。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖10、圖11 為基坑實(shí)際施工過程中對(duì)橋梁樁基墩臺(tái)處的水平位移及豎向沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，樁基承臺(tái)處水平位移最大值為4.1 mm，沉降最大值為1.5 mm，基坑施工完工后，樁基承臺(tái)位移趨于穩(wěn)定。從實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)值比數(shù)值分析結(jié)果稍小，監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)定要求。水平位移偏差率為55%，豎向位移偏差率為34%，但變化趨勢(shì)基本一致。偏差率較大主要原因?yàn)楸卷?xiàng)目在枯水季節(jié)施工，且數(shù)值分析考慮最不利工況，實(shí)際降水對(duì)基坑的影響比數(shù)值分析結(jié)果要小一些。

圖10 高架橋承臺(tái)頂水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖11 高架橋承臺(tái)頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論及建議

擬建項(xiàng)目地下室基坑開挖深度為9.8 m，基坑支護(hù)采用“鉆孔灌注樁＋一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐＋側(cè)向帷幕”型式，支護(hù)結(jié)構(gòu)距離既有軌道交通高架區(qū)間最近為34.7 m。采用MIDAS/GTS NX 對(duì)基坑開挖及降水進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。主要結(jié)論如下：

（1）基坑施工時(shí)，地鐵結(jié)構(gòu)最大水平位移為9.09 mm，最大沉降2.274 mm。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大水平位移為4.1 mm，沉降量為1.5 mm。數(shù)值分析及監(jiān)測(cè)結(jié)果均為超出預(yù)警值，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠。

（2）本例計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差較大，水平位移偏差率為55%，豎向位移偏差率為34%。主要原因是：為增加結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，數(shù)值計(jì)算時(shí)將地下水初始水頭高度取值偏大，實(shí)際施工條件較計(jì)算假定更有利，實(shí)際基坑降水引起的結(jié)構(gòu)位移比數(shù)值分析影響要小一些。

（3）本例中高架區(qū)間結(jié)構(gòu)位移接近預(yù)警值，為減小基坑開挖對(duì)高架結(jié)構(gòu)樁基的影響，基坑應(yīng)采用全落底式帷幕，止水帷幕進(jìn)入中風(fēng)化巖不小于1.0 m，隔斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，從而減小基坑降水對(duì)高架結(jié)構(gòu)樁基的影響。

（4）基坑施工前，通過合理的數(shù)值分析，能有效模擬深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工對(duì)輕軌高架變形的影響，分析其水平位移和豎向位移影響范圍的變化趨勢(shì)，以此評(píng)估設(shè)計(jì)及施工方案的合理性，達(dá)到事前預(yù)控的目的。