張 虎，余向前，秦勝菊

（太原王孝雄建筑設(shè)計(jì)院重慶分院，重慶400015）

重慶國(guó)泰廣場(chǎng)項(xiàng)目深基坑邊坡對(duì)輕軌隧道安全性影響研究

張 虎，余向前，秦勝菊

（太原王孝雄建筑設(shè)計(jì)院重慶分院，重慶400015）

深基坑邊坡與已建相鄰重要建(構(gòu))筑物相互影響問(wèn)題一直都是巖土工程中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題和難點(diǎn)問(wèn)題。由于建立在極限平衡原理基礎(chǔ)上的各種巖土體分析方法均沒(méi)有考慮基坑開(kāi)挖引起的巖土體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)等的變化，所以不能反映深基坑邊坡工程的實(shí)際情況。該文結(jié)合重慶某工程實(shí)例，采用國(guó)際通用的大型有限元程序ANSYS、MIDAS/GTS分析深基坑邊坡開(kāi)挖過(guò)程中基坑周圍巖土體的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、內(nèi)力及塑性區(qū)分布等的變化情況，另采用已建相鄰工程進(jìn)行類比分析，來(lái)評(píng)估深基坑邊坡與相鄰重要建(構(gòu))筑物相互影響程度，以及工程的安全性、可行性。

深基坑邊坡；彈塑性有限元分析；樁錨支護(hù)方案；位移；應(yīng)力

1 前言

某公司擬在重慶市渝中區(qū)解放碑修建重慶國(guó)泰廣場(chǎng)項(xiàng)目工程。根據(jù)擬建建筑物平面圖可知，擬建場(chǎng)區(qū)將進(jìn)行基坑開(kāi)挖，開(kāi)挖深度約30.5m，±0.000絕對(duì)標(biāo)高為243.00m，地下室地坪標(biāo)高為212.50m。擬建場(chǎng)區(qū)上部為廣場(chǎng)，下部為地下建筑物，其層數(shù)為5F，建筑面積約為9.5萬(wàn)m2。建筑場(chǎng)地地下室開(kāi)挖后，將在四周形成長(zhǎng)約620m，高約29～30.5m的巖質(zhì)邊坡，其中EF段基坑邊坡與輕軌交通二號(hào)線臨江門車站隧道相鄰，臨江門車站隧道毛洞凈寬23.040m，凈高20.578m。據(jù)渝中區(qū)政府拆遷范圍線可知，擬建建筑物邊線與軌道交通二號(hào)線臨江門車站隧道二次襯砌外緣最小水平距離為6.2m。

綜合考慮以上條件，該項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)外側(cè)與軌道交通二號(hào)線二次襯砌外緣線安全距離的取值及相應(yīng)基坑邊坡支護(hù)方案的選取就成為影響兩者安全的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，有專家建議基坑局部范圍逆作，即先預(yù)留19m巖墻厚度（含紅線與洞室外邊線10m），采用順作法，然后靠隧道側(cè)第一開(kāi)間（10～19m范圍）利用樓層梁板體系支頂，逆作基坑邊坡；也有專家建議基坑全斷面逆作，即指利用樓層梁板體系支頂，逆作基坑邊坡，僅保留原紅線與洞室外緣的巖墻；然而，考慮到重慶地區(qū)實(shí)際情況，多數(shù)專家傾向于樁錨支護(hù)方案(詳見(jiàn)圖1)，即先支擋后開(kāi)挖（重慶市設(shè)計(jì)院現(xiàn)設(shè)計(jì)方案），同時(shí)安全距離擬定為10m。

圖1 樁錨支護(hù)方案示意圖

為了確保已建輕軌隧道及擬建基坑邊坡的安全性，我們圍繞10m的安全距離及樁錨支護(hù)方案，從以下三個(gè)方面進(jìn)行分析與研究：

（1）在10m，12m，14m，17m，20m安全距離及樁錨支護(hù)方案前提下，采用國(guó)際通用的大型有限元程序ANSYS模擬和預(yù)測(cè)在基坑邊坡施工時(shí)及竣工后，該處軌道交通隧道位移、應(yīng)力場(chǎng)、內(nèi)力及塑性區(qū)分布等的變化情況。

（2）在10m安全距離及樁錨支護(hù)方案前提下，采用國(guó)際通用的大型有限元程序MIDAS/GTS模擬和預(yù)測(cè)在基坑邊坡施工時(shí)及竣工后，該處軌道交通隧道位移、應(yīng)力場(chǎng)等的變化情況。

（3）收集已建相鄰基坑邊坡相關(guān)資料，從基坑深度，安全距離，基坑支護(hù)方案及地質(zhì)參數(shù)四個(gè)方面進(jìn)行工程類比分析。

最后，通過(guò)以上三個(gè)方面的分析與研究，來(lái)評(píng)估10m的安全距離及樁錨支護(hù)方案的安全性、可行性。

2 數(shù)值模擬分析與研究

2.1 計(jì)算參數(shù)研究

2.1.1 巖體彈塑性破壞準(zhǔn)則

理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均表明，Druker-Prager準(zhǔn)則(簡(jiǎn)稱D-P準(zhǔn)則)是目前有限元分析中能較好地模擬巖體力學(xué)特性的巖體彈塑性破壞準(zhǔn)則，一方面它克服了庫(kù)侖準(zhǔn)則在角點(diǎn)處導(dǎo)數(shù)不連續(xù)的問(wèn)題，另一方面也很容易與庫(kù)侖準(zhǔn)則結(jié)合起來(lái)確定計(jì)算參數(shù)。因此，該工程計(jì)算中巖體彈塑性破壞準(zhǔn)則采用D-P準(zhǔn)則。

表1 國(guó)泰廣場(chǎng)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值

表2 臨江門暗挖車站隧道修建技術(shù)研究報(bào)告采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)值

2.1.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)研究

計(jì)算分析有關(guān)參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告、臨江門暗挖車站隧道修建技術(shù)研究報(bào)告及相關(guān)規(guī)范取值，詳見(jiàn)表1、表2。

該項(xiàng)目所在場(chǎng)地基巖巖性主要為中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化泥巖，在分析中地基巖體均按實(shí)際情況模擬。對(duì)于有錨固系統(tǒng)的巖體，一般認(rèn)為錨固作用的主要機(jī)理是提高圍巖的整體性，從而改善巖體的受力性能。研究表明，錨固作用使巖體材料的C、Φ值都得到了提高。根據(jù)研究成果和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，數(shù)值計(jì)算中為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，可將錨固效應(yīng)考慮成巖體的內(nèi)聚力C值提高10%～20%來(lái)模擬。本次數(shù)值模擬分析僅考慮軌道交通隧道二次襯砌的作用，不考慮隧道錨桿的錨固效應(yīng)，可視為安全儲(chǔ)備。

圖2 國(guó)泰廣場(chǎng)項(xiàng)目與軌道交通二號(hào)線剖面關(guān)系圖

2.2 彈塑性有限元分析

項(xiàng)目平面位置位于軌道交通二號(hào)線保護(hù)線之內(nèi)，該項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)外側(cè)距軌道交通二號(hào)線二次襯砌外緣線安全距離擬定為10m，同時(shí)擬采用樁錨支護(hù)方案。該工程彈塑性有限元分析簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，詳見(jiàn)圖2。

2.3 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

計(jì)算模型取A-A斷面（詳見(jiàn)圖2）的實(shí)際尺寸，模型頂為隧道所處的埋深，土層按荷載考慮，為了減小邊界效應(yīng)，設(shè)置隧道邊緣至模型邊緣的距離為隧道寬度的2.5倍，隧道底部至模型邊緣的距離設(shè)置為隧道高度的2.5倍，模型的尺寸為58×100m。計(jì)算模型左、右邊界為X方向約束，底部邊界為Y方向約束，頂部邊界為自由面。計(jì)算模型剖面關(guān)系圖詳見(jiàn)圖3。模型采用平面實(shí)體單元PLANE42模擬圍巖，BEAM3 2-D彈性梁?jiǎn)卧M樁，LINK8 2-D桿單元模擬錨索和錨桿。該項(xiàng)目采用國(guó)際通用的大型有限元程序ANSYS、 MIDAS/GTS分別進(jìn)行模擬分析。

2.4 ANSYS計(jì)算結(jié)果分析

車站隧道拱頂、拱腰、拱腳、墻中、墻底和仰拱中心等襯砌關(guān)鍵位置的節(jié)點(diǎn)編號(hào)詳見(jiàn)圖3。

圖3 車站隧道襯砌節(jié)點(diǎn)編號(hào)

圖4 A-A剖面圍巖最大(最小)主應(yīng)力云圖

圖5 A-A剖面全斷面開(kāi)挖隧道襯砌彎矩、剪力及軸力圖

2.4.1 計(jì)算位移

采用樁錨支護(hù)方案，安全距離取為10m，12m，14m，17m，20m分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算分析結(jié)果詳見(jiàn)表3、表4。表3是A-A剖面（圖2）車站隧道襯砌關(guān)鍵點(diǎn)在不同安全距離情況下的附加水平位移增加值和收斂值表，表4為豎向位移變化表。

表3、表4表明：樁錨支護(hù)方案前提下，安全距離取為10m，12m，14m，17m，20m，拱頂、拱腰、拱腳、墻中、墻底及仰拱中心的水平位移（或豎向位移）增加值差別都較小。

2.4.2 計(jì)算應(yīng)力及內(nèi)力

應(yīng)力和內(nèi)力計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖4～圖5。圖4為10m安全距離下，A-A剖面樁錨計(jì)算方案的最大、最小主應(yīng)力云圖；圖5為10m安全距離下，A-A剖面樁錨計(jì)算方案隧道襯砌的彎矩圖、剪力圖及軸力圖。

2.5 MIDAS/GTS計(jì)算結(jié)果分析

國(guó)際上通常采用多軟件分析同一重要工程問(wèn)題，以便進(jìn)行相互驗(yàn)證，于是我們圍繞10m的安全距離及樁錨支護(hù)方案，采用另一大型有限元程序MIDAS/GTS模擬和預(yù)測(cè)在基坑邊坡施工時(shí)及竣工后，該處軌道交通隧道位移及應(yīng)力場(chǎng)等的變化情況。

表3 不同安全距離關(guān)鍵點(diǎn)水平位移增加值（mm）

表4 不同安全距離關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移增加值（mm）

圖6 水平位移變化圖

圖7 豎向位移變化圖

圖8 第一主應(yīng)力變化圖

圖9 第三主應(yīng)力變化圖

圖10 剪應(yīng)力變化圖

2.5.1 水平位移及豎向位移變化

位移計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖6、圖7。各工況定義為：第一步（邊坡開(kāi)挖10m，其中5m為土層按荷載考慮），第二步（邊坡下挖5m），第三步（邊坡下挖5m），第四步（邊坡下挖5m），第五步（邊坡下挖5m），第六步（邊坡下挖5m，到基坑底）。

圖6、圖7表明：隧道拱豎向位移較小，邊坡開(kāi)挖將產(chǎn)生約3mm的外傾水平位移，同時(shí)使隧道內(nèi)側(cè)產(chǎn)生約2.5mm的水平位移。

2.5.2 應(yīng)力（第一、三主應(yīng)力及剪應(yīng)力）分析

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖8~圖10。各工況定義為：邊坡未開(kāi)挖時(shí)及邊坡開(kāi)挖完畢。

圖8~圖10表明：隧道開(kāi)挖后頂部出現(xiàn)少量拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力僅為100kPa，其余均處在壓應(yīng)力區(qū)，最大壓應(yīng)力僅為1600 kPa，邊坡開(kāi)挖對(duì)隧道周邊主應(yīng)力影響不明顯，邊坡開(kāi)挖完畢后坡腳出現(xiàn)剪應(yīng)力集中區(qū)，最大剪應(yīng)力僅為256 kPa。

3 工程類比分析

世貿(mào)中心與臨梯干道支洞人防工程洞室地基工程及世貿(mào)中心與臨江門車站洞室地基工程與國(guó)泰廣場(chǎng)項(xiàng)目臨近。我們將這些工程從基坑深度、安全距離、支護(hù)方案及地質(zhì)參數(shù)四個(gè)方面進(jìn)行類比分析，類比結(jié)果詳見(jiàn)表5。

表5表明：三個(gè)項(xiàng)目地質(zhì)參數(shù)相當(dāng)接近，該項(xiàng)目基坑深度雖略大，但安全距離較大。前兩個(gè)工程已竣工多年，在施工和使用期間，工程都是安全的。

4 結(jié)語(yǔ)

該工程系重慶地區(qū)很有代表性的深基坑邊坡工程，我們結(jié)合ANSYS、MIDAS/GTS模擬的基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑周圍巖土體的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、內(nèi)力及塑性區(qū)分布等的變化情況以及工程類比結(jié)果，并征求了多位巖土專家的意見(jiàn)和建議，最終按本文所推薦方案進(jìn)行施工。

表5 類比分析表

通過(guò)本文的研究可得到以下結(jié)論及建議：（1）采用彈塑性有限元程序來(lái)分析深基坑邊坡工程中坑周巖土體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)等的變化來(lái)評(píng)估深基坑邊坡的安全性是可行的；（2）本文針對(duì)巖土體本身的變形特性進(jìn)行平面應(yīng)變的二維分析，從而得到的應(yīng)力、位移、內(nèi)力及塑性區(qū)的空間分布情況對(duì)類似工程具有很好的指導(dǎo)意義；（3）本文在分析時(shí)，未考慮水對(duì)地基巖體和隧道圍巖強(qiáng)度的弱化作用，故在地面建筑施工和運(yùn)營(yíng)期間必須做好地表水體下滲的防排措施，對(duì)已有鉆孔應(yīng)采取有效的封孔措施，并使地表水體構(gòu)筑物與隧道保持較遠(yuǎn)距離。

目前，該工程已順利實(shí)施且竣工，在施工和使用期間，對(duì)基坑邊坡關(guān)鍵部位進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)值均在合理范圍之內(nèi)。實(shí)踐證明：本文所推薦方案符合實(shí)際，工程安全，可供借鑒。

[1]鄭永仁，龔曉南．巖土塑性力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.

[2]周維垣．高等巖石力學(xué)[M].北京：水利電力出版社,1990.

[3]吳德倫，黃質(zhì)宏，趙明階．巖石力學(xué)[M].重慶大學(xué)出版社,2002.

[4]陶振宇．巖石力學(xué)的理論與實(shí)踐[M].北京：水利出版社,1981.

[5]王煥定，吳德倫．有限元法及實(shí)用程序[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[6]孫鈞，汪炳監(jiān)．地下結(jié)構(gòu)有限元法解析[M].北京：同濟(jì)大學(xué)出版社,1998.

[7]潘別桐，黃潤(rùn)秋．工程地質(zhì)數(shù)值法[M].北京：地質(zhì)出版社,1994.

[8]巖土工程手冊(cè)編寫委員會(huì)．巖土工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1995.

[9]重慶大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院．重慶國(guó)美商業(yè)項(xiàng)目工程和輕軌二號(hào)線臨江門車站隧道建設(shè)可行性安全論證報(bào)告[R]. 2009.10.

責(zé)任編輯：孫 蘇

施工經(jīng)驗(yàn)

混凝土冬季施工的加熱法

1．蒸汽加熱法

蒸汽加熱法，就是將被養(yǎng)護(hù)的混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)置于有塑料薄膜覆蓋的低矮棚架或保溫罩內(nèi)，用小鍋爐、管道通入蒸汽進(jìn)行保濕、保溫養(yǎng)護(hù)，使其在極短時(shí)間內(nèi)(1～3d)達(dá)到預(yù)期要求的強(qiáng)度。

2．電加熱法

電加熱法，就是利用電能加熱養(yǎng)護(hù)。包括電極加熱法、電熱毯加熱法、工頻渦流加熱法、線圈感應(yīng)加熱法和紅外線加熱法等。

(1)電極加熱法，就是用鋼筋作電極，利用電流通過(guò)混凝土?xí)r所產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱養(yǎng)護(hù)混凝土。(2)電熱毯加熱法，就是混凝土澆筑后，在其表面或模板外覆以柔性電熱毯，通電加熱對(duì)其養(yǎng)護(hù)。(3)頻渦流加熱法，就是利用安裝在鋼模外側(cè)的鋼管，內(nèi)穿導(dǎo)線線圈，通以交流電后產(chǎn)生渦流電加熱鋼模板，從而對(duì)混凝土進(jìn)行加熱養(yǎng)護(hù)。(4)線圈電磁感應(yīng)加熱法，就是利用纏繞在構(gòu)件模板外側(cè)的絕緣導(dǎo)線線圈。通以交流電后，在鋼模板和混凝土內(nèi)的鋼筋中產(chǎn)生電磁感應(yīng)，對(duì)混凝土進(jìn)行加熱養(yǎng)護(hù)。(5)紅外線加熱法。紅外線也是一種電磁波，紅外線加熱就是利用新拌制混凝土有較好的吸收紅外線能力，使混凝土不斷獲得熱量實(shí)施養(yǎng)護(hù)。

需要特別強(qiáng)調(diào)指出的是：采用電加熱法時(shí)，務(wù)必對(duì)所用導(dǎo)線的絕緣性能作認(rèn)真、細(xì)致的檢測(cè)；在實(shí)施電加熱法期間，應(yīng)派專人守護(hù)，作業(yè)區(qū)外圍要設(shè)置安全防護(hù)圍欄和"防觸電"醒目標(biāo)志，嚴(yán)防漏電、觸電事故發(fā)生。

3．暖棚法

暖棚法，就是將被養(yǎng)護(hù)的混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)置于搭設(shè)好的棚架中，在棚架內(nèi)設(shè)散熱器、電熱器或火爐等加熱棚內(nèi)空氣，使混凝土處于正溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的方法。采用此法也要特別注意防火、防觸電；當(dāng)采用燃料加熱器(油、煤等爐子)且置于棚內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多CO2，容易使混凝土表面形成碳化硬殼，所以要用爐筒將煙氣排至暖棚外。

（摘自：《建筑工人》。請(qǐng)作者速告地址，即付稿酬。）

Study on Impact of Deep Foundation Pit Slope of Chongqing Guotai Square Project on Light Rail Tunnel Safety

The impact of deep foundation pit slope on adjacent buildings has been a hot and thorn problem in geotechnical engineering.Since various rock-soil analysis methods with ultimate balance theory take no consideration into the change of stress field and displacement field of rock-soil caused by foundation pit excavation,the real situation of deep foundation pit slope project cannot be reflected.Based on a practical case in Chongqing,the changed situation of the stress field,displacement field,inner force and plastic area distribution of the surrounding rock-soil of foundation pit under construction are analyzed with ANSYS and MIDAS/GTS.And compared with adjacent projects,the interactive impact of deep foundation pit slope on adjacent buildings is evaluated.

deep foundation slope;elastic-plastic finite element analysis;pile-anchor support;displacement，stress

U213.1+3

A

1671-9107（2014）02-0042-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.02.042

2013-11-13

張虎（1981-），男，四川宜賓人，工程師，主要從事房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邊坡設(shè)計(jì)工作。

余向前（1976-），男，重慶人，研究生，高級(jí)工程師，主要從事房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。

秦勝菊（1989-），女，重慶人，本科生，助理工程師，主要從事房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。