姚孟洋

0 引言

隨著地下空間的開發(fā)和利用,超大深基坑開挖面臨的周邊環(huán)境會越來越復雜,其中之一就是深基坑開挖卸荷對下臥隧道的影響。在軟土地層中開挖基坑引起的基坑底隆起會同步帶動下方地鐵隧道隆起[1,2],可能會導致地鐵隧道產生附加彎矩、應力和變形,嚴重則將引起地鐵隧道的破壞。因此,研究深基坑開挖對下臥地鐵的影響具有重要意義。本文運用三維有限元分析軟件,對廣州市某復雜地質和周邊環(huán)境下的深基坑施工過程進行模擬,計算基坑開挖對地鐵6號線的影響,評估該支護方法的可行性,為該基坑的設計和開挖施工提供指導。

1 工程概況

1.1 場地概況

本項目位于廣州傳統(tǒng)商業(yè)中心區(qū),越秀區(qū)泰康路以南、北京南路139號以西、海味街以北地段,緊鄰北京路商業(yè)步行街、地鐵6號線和1號線站點。擬建工程為騎樓建筑形式五層商業(yè)樓,在廣州市軌道交通6號線海珠廣場至北京路區(qū)間右線隧道結構上,現(xiàn)階段右線隧道已建成,左線隧道還未施工至此。場地周邊已建或在建的建筑物如圖1所示。

1.2 基坑概況

該項目一期基坑(淺坑)開挖邊線周長約 346m,面積約2230m2,開挖深度約9.4 m。二期基坑(深坑)開挖邊線周長約710.5 m,面積約9836m2,開挖深坑約16.8 m。本項目基坑采用1 m厚地下連續(xù)墻+內支撐支護體系。淺坑第一道、第二道支撐中心標高分別是-1.4 m,-5.5 m;深坑第一道、第二道、第三道支撐中心標高分別是-1.4 m,-5.5 m,-10.1 m(基坑頂面標高為±0.00),基坑冠梁、腰梁、內支撐梁L1,L2,L3截面尺寸分別為1.0m×1.0m,1.0m×1.0m,1.0m×1.0m,1.0m×1.2 m,0.8 m×0.8 m。

2 基坑施工過程三維數(shù)值模擬分析

2.1 地層模型

目前,已有大量的基坑三維有限元計算工程實例[3,4]。本文直接在 Midas/GTS中建模,主要地層包含:雜填土、淤泥、淤泥質粉細砂、中風化含礫粉砂巖。

2.2 材料參數(shù)

本文三維模型中內支撐結構采用梁單元模擬,連續(xù)墻采用板單元模擬,兩者都為線彈性材料,彈性模量E取3×104MPa。土層力學參數(shù)見表1。

表1 土層力學參數(shù)

2.3 分析工況與基本假定

本次分析以地鐵隧道在基坑施工過程中的安全性為主要分析對象,將不同的施工步驟用不同的字母代替,具體如下:A為右線隧道;B為左線隧道;C為一期基坑連續(xù)墻;D為一期基坑內支撐;E為二期基坑支護結構;F為一、二期地下室主體結構及裙樓施工。在綜合考慮地鐵隧道施工進度與基坑(包括地下結構)施工進度的情況下,本次分析工況如表2所示。

表2 分析工況

分析過程中采用以下基本假定:

1)不考慮基坑分部開挖,且不考慮土體流變影響;2)不考慮地下水的影響。

2.4 有限元網(wǎng)格及邊界條件

考慮基坑平面影響范圍約4倍開挖深度[5],坑底以下影響深度約為開挖深度的2.0倍～2.5倍[6],取模型尺寸為500m×400m×60m。隧道及連續(xù)墻采用板單元,支護結構采用梁單元,土體、轉換板采用實體單元。模型側面約束相應法線方向的水平位移;模型底面約束X,Y,Z軸三個方向位移;頂面邊界為自由邊界。

3 數(shù)值模擬結果

該項目場地環(huán)境復雜、基坑施工對地鐵6號線的影響是分析重點,計算結果主要包括基坑支護結構及廣州地鐵6號線(左、右線)隧道水平位移、豎向位移。

1)基坑支護結構及地鐵左右線位移極值計算結果匯總見表3。

表3 基坑支護結構及地鐵左右線位移極值 mm

從表3可知:a.本項目基坑開挖施工過程中,支護結構最大位移為22.73mm,位置在粵海泰康路工程基坑東側(工況1)。b.本項目基坑施工引起的地鐵6號線上抬最大值為6.35mm,位置在淺坑(一期)底部隧道;地鐵水平位移為2.08mm。

2)不同工況下基坑開挖對地鐵右線隧道的影響。a.從基坑與隧道的相對關系可知,右線隧道在一期基坑底部,隧道中心線標高與二期基坑底部標高相近,故右線隧道受基坑施工影響最大,一期、二期基坑施工均對隧道結構的位移有一定影響。一期基坑施工引起隧道上抬最大值為3.79mm,水平側移最大值為0.78mm;二期基坑施工引起隧道上抬最大值為2.56mm,水平側移最大值為1.30mm。b.本項目一期基坑連續(xù)墻長腳部分已經(jīng)入巖,上部結構(裙樓)荷載通過一期基坑底部厚板(2m)向兩邊連續(xù)墻傳遞,兩邊連續(xù)墻再傳遞給基巖,因此,雖然右線隧道頂距離基坑底部最近處僅為7.9 m(基坑東側),但裙樓荷載對右線隧道位移的影響較小,裙樓荷載引起隧道下沉最大值為0.72mm。

3)不同工況下基坑開挖對地鐵左線隧道的影響。

a.左線隧道平面位置在本項目基坑東側(與一期基坑連續(xù)墻凈距為2.5 m),標高位于鄰近一期基坑底以下7.9 m,受一期基坑開挖的影響較小,隧道上抬最大值為1.96mm,水平側移最大值為0.52mm。由于一期基坑連續(xù)墻的作用,二期基坑開挖對左線隧道的影響更小,隧道上抬最大值為1.05mm,水平側移最大值為1.5mm。

b.上部結構(裙樓)荷載通過一期基坑底部厚板(2m)向兩邊連續(xù)墻傳遞,兩邊連續(xù)墻再傳遞給基巖,裙樓荷載對左線隧道位移的影響較小,裙樓荷載引起隧道下沉最大值為0.74mm。

4 結語

1)通過有限元計算結果可知,本項目工況1為最不利工況;工況3為最有利工況。

2)通過在隧道頂部設置轉換板,裙樓荷載對地鐵6號線左右線隧道的影響很小,采用轉換板將裙樓荷載傳遞給連續(xù)墻這種方法可行。

[1]劉國彬,黃院雄,侯學淵.基坑工程下已運行地鐵區(qū)間隧道上抬變形的控制研究與實踐[J].巖石力學與工程學報,2001,20(2):202-207.

[2]陳 郁,張冬梅.基坑開挖對下臥隧道隆起的實測影響分析[J].地下空間,2004(12):748-751.

[3]萬 順,莫海鴻,陳俊生.深基坑開挖對鄰近建筑物影響數(shù)值分析[J].合肥工業(yè)大學學報,2009,32(10):1530-1533.

[4]李家平.基坑開挖卸載對下臥地鐵隧道影響的數(shù)值分析[J].地下空間與工程學報,2009(5):66-67.

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