張文奇

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510000)

0 引言

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，地鐵出行所占客流比例逐年增長(zhǎng)，作為現(xiàn)代城市交通的主要干線，地鐵工程投資巨大，一旦出現(xiàn)事故，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生命安全危害，因此地鐵的安全性十分重要，地鐵保護(hù)要求也極其嚴(yán)格。但由于城市建設(shè)發(fā)展的需要，在運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站及區(qū)間隧道附近進(jìn)行巖土工程活動(dòng)已不可避免，其中就包括基坑開(kāi)挖。新建工程的巖土工程活動(dòng)，由于引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)再次重分布，從而導(dǎo)致一系列的力學(xué)行為變化，對(duì)鄰近已運(yùn)營(yíng)的地鐵車(chē)站及區(qū)間的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，引起地鐵車(chē)站及區(qū)間的結(jié)構(gòu)變形，由于內(nèi)力分布、變形特性和影響因素的復(fù)雜性，需采用有限元軟件進(jìn)行三維空間分析，以輔助設(shè)計(jì)與施工。

本文結(jié)合深圳地區(qū)一個(gè)毗鄰已運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站及區(qū)間的基坑實(shí)際工程，采用ABAQUS有限元分析軟件，模擬基坑開(kāi)挖的過(guò)程，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，分析和評(píng)估基坑開(kāi)挖過(guò)程中地鐵的安全狀態(tài)。

1 工程概況

本文所研究的工程為深圳某地下3層停車(chē)庫(kù)，停車(chē)庫(kù)南側(cè)臨近已投入運(yùn)營(yíng)的地鐵區(qū)間，西南側(cè)臨近已投入運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站，停車(chē)庫(kù)主體采用框架結(jié)構(gòu)，底板厚800 mm，中板厚150 mm，頂板厚250 mm，側(cè)墻－1層400 mm厚、－2層500 mm厚、－3層600 mm厚，基坑深約14.8 m，停車(chē)庫(kù)西側(cè)通過(guò)一地下1層接駁通道與地鐵車(chē)站連接，接駁通道基坑深約9.5 m。

如圖1所示，基坑長(zhǎng)度為189.15 m，距地鐵車(chē)站風(fēng)亭最近距離約6.61 m，距盾構(gòu)區(qū)間最近距離約6.40 m。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總平面圖

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)

本場(chǎng)地原始地貌單元為殘丘坡地及低洼的沖溝地帶，殘丘坡地位于場(chǎng)地西側(cè)，地形從西到東由坡地逐漸降低到?jīng)_溝地帶，現(xiàn)狀地面已平整，鋪有水泥地面。鉆孔孔口地面標(biāo)高介于5.59 m～7.79 m，高差變幅為2.20 m。

根據(jù)地質(zhì)鉆探揭露情況，場(chǎng)地內(nèi)自上而下的地層有:①素填土、②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③-1含有機(jī)質(zhì)粉砂、③-2含有機(jī)質(zhì)粗砂、④粉質(zhì)粘土、⑤含礫粘土、⑥礫質(zhì)粉質(zhì)粘土、⑦全風(fēng)化粗粒花崗巖、⑧強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r、⑨中風(fēng)化粗?；◢弾r、⑩微風(fēng)化粗粒花崗巖。

基坑底所在土層為⑥礫質(zhì)粉質(zhì)粘土。

2.2 水文地質(zhì)

場(chǎng)地內(nèi)地下水根據(jù)其賦存介質(zhì)和埋藏條件可分為兩類(lèi):

1)存在于第四系全新統(tǒng)沖洪積層含有機(jī)質(zhì)粉砂層、含有機(jī)質(zhì)粗砂層中的孔隙水，其含水量較豐富、透水性較好，是本場(chǎng)地主要含水層;

2)存在于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖中的裂隙承壓水，其含水量及透水性主要受基巖風(fēng)化裂隙發(fā)育程度控制，埋藏較深，具微承壓性，整體為弱含水性、弱透水性地層。其余地層為弱含水、弱透水地層，可視為相對(duì)隔水層。人工填土雨季時(shí)賦存少量的上層滯水。

2.3 地質(zhì)條件分析

1)基坑中上部存在厚度較大的粉砂、中砂層，基坑止水帷幕漏水有可能導(dǎo)致基坑周邊地下水位下降、流砂等不利影響，設(shè)計(jì)施工過(guò)程中需予以重視。2)基坑坑底為弱透水層，對(duì)基坑外側(cè)地下水位控制較有利。

3 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 基坑支護(hù)方案

地下停車(chē)庫(kù)所在場(chǎng)地平坦，地面設(shè)計(jì)標(biāo)高為7.00 m，基坑深度約14.8 m。

地下停車(chē)庫(kù)所在地層中存在中砂、粗砂、礫砂層，基坑圍護(hù)方案必選如下:

1)人工挖孔樁存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)地鐵影響較大;

2)鉆孔咬合樁施工工藝復(fù)雜且?guī)r層中施工進(jìn)度慢，同時(shí)深基坑咬合樁下部易開(kāi)杈，對(duì)施工要求較高;

3)鉆孔灌注樁需進(jìn)行樁間旋噴止水，如旋噴止水質(zhì)量不好極易造成涌水涌砂，危及基坑及地鐵的安全;

4)地下連續(xù)墻整體性較好，連接部位可通過(guò)工字鋼連接，止水效果好。

故地下停車(chē)庫(kù)基坑采用地下連續(xù)墻方案，同時(shí)，為保證南側(cè)地下連續(xù)墻成槽及基坑開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)地鐵影響較小，連續(xù)墻外側(cè)施工攪拌樁止水帷幕。

考慮到地下停車(chē)庫(kù)基坑周邊建筑環(huán)境復(fù)雜，且地鐵車(chē)站與區(qū)間附近禁止進(jìn)行錨索施工，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平受力體系主要采用內(nèi)支撐方案。

綜上，地下停車(chē)庫(kù)主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，支撐體系第一、二道支撐均采用鋼筋混凝土支撐，第三道支撐采用鋼支撐(局部采用混凝土支撐)，支撐設(shè)中立柱，距離車(chē)站風(fēng)亭及盾構(gòu)區(qū)間較遠(yuǎn)處部分局部采用樁錨方案。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)平面圖如圖2所示，基坑支護(hù)與地鐵的剖面圖如圖3所示。

圖2 基坑支護(hù)平面圖

圖3 基坑支護(hù)剖面圖

3.2 工程重點(diǎn)及難點(diǎn)

1)基坑開(kāi)挖使周邊土體產(chǎn)生水平位移，地鐵結(jié)構(gòu)在周邊土體的影響下隨之發(fā)生水平位移。2)采用傳統(tǒng)的理論計(jì)算無(wú)法得到定量的結(jié)果，需借助有限元數(shù)值計(jì)算，分析地鐵位移是否滿(mǎn)足地鐵保護(hù)的要求。

4 數(shù)值分析

4.1 計(jì)算假定

為了在一定精度范圍內(nèi)簡(jiǎn)化計(jì)算，現(xiàn)進(jìn)行如下計(jì)算假定:

1)巖土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型;

2)結(jié)構(gòu)體均采用線彈性材料，單元類(lèi)型為梁?jiǎn)卧蜌卧?

3)不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖和降水對(duì)土體性質(zhì)的影響，基坑開(kāi)挖期間土體按不排水條件考慮，不考慮滲流和固結(jié)的影響;

4)咬合樁按照等效剛度法簡(jiǎn)化為連續(xù)墻。等效連續(xù)墻的厚度h為

5)忽略土體與圍護(hù)樁體之間的相對(duì)位移，假定土體和支護(hù)樁無(wú)相對(duì)滑移，結(jié)構(gòu)與土節(jié)點(diǎn)位移耦合;

6)彈塑性材料流動(dòng)法則為相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則;

7)假定北側(cè)現(xiàn)有停車(chē)場(chǎng)剛度足夠大，在新建基坑支撐軸力作用下產(chǎn)生的變形可忽略不計(jì)。

4.2 計(jì)算模型

使用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行分析，巖土體采用六面體實(shí)體單元模擬，連續(xù)墻、車(chē)站墻體、車(chē)站樓板采用殼單元模擬，圈梁(圍檁)、支撐和車(chē)站柱采用梁模擬。

計(jì)算模型的全貌及部分結(jié)構(gòu)的局部網(wǎng)格模型圖如圖4～圖6所示。

圖4 模型全貌

4.3 分析步驟

通過(guò)6個(gè)荷載步模擬整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程，各個(gè)荷載步如下:

1)初始荷載步:施加初始應(yīng)力場(chǎng);

2)開(kāi)挖工況一:基坑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，開(kāi)挖第一部分土體至第一道支撐標(biāo)高處;

3)開(kāi)挖工況二:開(kāi)挖第二部分土體(挖至第二道支撐高程)，施加第一道支護(hù)體系;

4)開(kāi)挖工況三:開(kāi)挖第三部分土體(挖至第三道支撐高程)，施加第二道支護(hù)體系;

5)開(kāi)挖工況四:開(kāi)挖第四部分土體(開(kāi)挖至基底)，施加第三道支護(hù)體系;

6)開(kāi)挖工況五:開(kāi)挖通道部分土體(挖至坑底)。

圖5 支護(hù)系統(tǒng)

圖6 地鐵車(chē)站及區(qū)間

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

4.4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

取主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)南側(cè)相對(duì)最不利位置的水平位移進(jìn)行分析，各個(gè)開(kāi)挖步驟下水平位移沿深度變化曲線如圖7所示。

從圖7中可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)整體水平位移曲線呈撓曲線分布，整體呈現(xiàn)中間大，兩端小的趨勢(shì)。隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，水平位移逐漸增大，最大水平位移約12.6 mm，通道土體開(kāi)挖對(duì)該位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響不大，開(kāi)挖-4和開(kāi)挖-5步的曲線基本重合。

圖7 各工況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)水平位移

4.4.2 地鐵車(chē)站及區(qū)間結(jié)構(gòu)位移

由計(jì)算結(jié)果可知，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地鐵結(jié)構(gòu)位移最大處主要集中于南側(cè)臨近開(kāi)挖基坑的盾構(gòu)區(qū)間隧道處，且豎向位移大于水平位移。

區(qū)間隧道沿隧道縱向的水平位移變化曲線如圖8所示。從圖8中可知，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，水平位移逐漸增大，開(kāi)挖完成后隧道的最大水平位移約4.6 mm，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)陽(yáng)角位置附近隧道的水平位移稍小。

圖8 盾構(gòu)區(qū)間水平位移

5 結(jié)論與建議

本文以深圳地區(qū)某臨近地鐵車(chē)站及區(qū)間的基坑工程為背景，采用ABAQUS有限元分析軟件，分析模擬了基坑開(kāi)挖的全過(guò)程，得出如下結(jié)論:

1)在基坑施工的過(guò)程中，地鐵車(chē)站及區(qū)間產(chǎn)生的位移均在安全范圍內(nèi)。

2)在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響主要是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形，開(kāi)挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為12.6mm;地鐵區(qū)間隧道的最大水平位移為4.6 mm，豎向位移僅為1.4 mm。

3)聯(lián)絡(luò)通道的施工對(duì)區(qū)間隧道的影響不大，但是對(duì)車(chē)站的影響較大。施工完成后車(chē)站中部的豎向位移增大至1.2mm，水平向位移增至1.7 mm。但車(chē)站的水平和豎向變形均小于區(qū)間隧道的變形。

4)區(qū)間隧道對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形較為敏感，建議在開(kāi)挖過(guò)程中加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)，采取可靠的措施防止圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大，如采用剛度較大的鋼筋混凝土支撐，以及對(duì)區(qū)間隧道與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的土體進(jìn)行一定程度的加固。

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