印長俊，陽文勝，馬鵬遠(yuǎn)

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

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地鐵基坑開挖對(duì)臨近地下通道的影響規(guī)律研究

印長俊1，陽文勝1，馬鵬遠(yuǎn)2

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

以長沙市地鐵3號(hào)線某明挖車站為依托，采用土工有限元軟件Plaxis8.2模擬基坑開挖對(duì)地下通道的影響，分析基坑與地下通間隔距離參數(shù)變化情況下，地下通道的變形規(guī)律.計(jì)算結(jié)果表明，基坑開挖明顯改變了鄰近地下通道的變形場.隨著間隔距離減小，地下通道的最大水平位移變化較為明顯，最大豎向位移變化不大.

地鐵基坑；地下通道；數(shù)值分析

0 引 言

目前，隨著全國地鐵工程的發(fā)展，其與鄰近既有地下通道之間的影響日益增加.地鐵工程周圍環(huán)境一般較為復(fù)雜，而地鐵基坑的開挖不可避免的會(huì)造成周圍地層中地下水以及初始應(yīng)力場的改變，從而引起鄰近地下通道的附加位移和受力，嚴(yán)重的甚至?xí)鸬叵峦ǖ赖拈_裂破壞影響地下通道的正常使用.故研究基坑開挖對(duì)地下通道的影響很有必要.

國內(nèi)外巖土工程界就深基坑工程對(duì)鄰近管線及建筑物的影響問題展開了研究.如Poulos等[2]運(yùn)用有限元和邊界耦合方法研究黏土層中由于基坑開挖引起土體側(cè)向位移對(duì)鄰近樁基的影響，分析了各種影響因素并編制了設(shè)計(jì)表格，其在缺乏詳細(xì)的現(xiàn)場工程資料時(shí)有很好的參考價(jià)值.陳福全等[5]利用運(yùn)用有限元方法研究了基坑開挖時(shí)各種影響因素對(duì)鄰近樁基水平位移和彎矩的影響.提出了鄰近樁基距開挖面的距離較小時(shí)，對(duì)樁基影響很大.

本文依托長沙地鐵3號(hào)線某地鐵車站，采用彈性有限元方法，建立模擬基坑開挖過程的數(shù)值模型，研究地鐵車站基坑開挖鄰近地下通道的影響，并討論地下基坑與地下通間隔距對(duì)控制地下通道附加位移的作用.

1 工程概況

長沙地鐵3號(hào)線某地鐵車站外包總長202m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬20.7m.該站采用明挖法，基坑埋深約為16.26～18.40m.基坑分兩級(jí)開挖：上部按坡率1∶1放坡開挖,開挖高度約7.5～8.0m,采用土釘墻護(hù)坡，土釘水平間距1.5m，豎向間距1.2m，坡面設(shè)100mm厚網(wǎng)噴混凝土；下部采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐圍護(hù)型式開挖，開挖深度約7.5～9.4m，灌注樁?800@1000,采用兩道內(nèi)支撐，第一道為鋼筋混凝土撐水平間距9m，第二道為?609，t=16鋼管支撐水平間距3m.地鐵基坑開挖面距地下通道3.2m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下通道結(jié)構(gòu)型式如圖1所示.

圖1 橫剖面圖

根據(jù)地勘資料揭露顯示，自上而下分布土層主要有：素填土、粉質(zhì)粘土、泥質(zhì)粉砂巖，各層土物理力學(xué)指標(biāo)詳見表1.基坑深18.26m，位于泥質(zhì)粉砂巖，地下水水位為地面以下4.3m.

表1 地層物理力學(xué)指標(biāo)

注：帶*的為試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

2 數(shù)值分析

2.1 原理及方法

為了分析地鐵基坑開挖對(duì)地下通道的影響，采用連續(xù)介質(zhì)有限元法對(duì)基坑開挖過程進(jìn)行模擬分析，該方法考慮土與結(jié)構(gòu)的共同作用，可以將基坑圍護(hù)以及周圍土體作為一個(gè)整體進(jìn)行建模計(jì)算.此外，本文使用Plaxis8.2土工有限元軟件，采用摩爾庫倫模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系，該模型是一種可以考慮土體剛度隨深度變化的一階模型，可以較好地描述土的破壞應(yīng)力狀態(tài).

2.2 基本假定

忽略縱向邊界條件的影響，采用二維有限元分析.將灌注樁等效為板樁，按下式計(jì)算等效后的板樁彈模.

(1)

式中，Ep—灌注樁的彈性模量；Es—土的彈性模量；d—樁直徑；u—相鄰樁的中心距離.將樁體等效為板樁，忽略樁間的繞流，使得在基坑開挖過程中，土層的水平位移產(chǎn)生的水平作用均作用在樁身上，這有可能使土層水平位移比實(shí)際略小，而樁身水平位移比實(shí)際略大，但被動(dòng)土拱效益分析結(jié)果表明[4]，當(dāng)樁中心間距小于3倍樁徑時(shí)，由于開挖引起的土層側(cè)向位移，在被動(dòng)樁附近產(chǎn)生的側(cè)壓力90%以上由樁承擔(dān)，既該灌注樁可以等效為板樁.

忽略樁身尺寸效益，樁體采用板單元離散，為提高土體精度，土體采用高精度的15節(jié)點(diǎn)三角形單元離散.與此想匹配，土釘采用5節(jié)點(diǎn)的具有軸向剛度而無彎曲剛度的土工格柵單元離散.同時(shí)利用Plaxis8.2的界面模擬土釘與土，樁與土體之間的相互作用，相互作用的糙率，通過截面合適的界面的強(qiáng)度折減因子Rinter的值來模擬，將樁墻的摩擦力和黏聚力與土體的強(qiáng)度相互聯(lián)系起來[1],分析時(shí)不考慮灌注樁施工對(duì)土體的影響.邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)固定邊界，約束左右水平約束和底邊界固定約束.圖2為二維有限元模型.

圖2 有限元模型

2.3 計(jì)算荷載步

地鐵基坑在開挖之前場地存在初始應(yīng)力場，該初始應(yīng)力場考慮地下通道施工對(duì)土體自重的影響.故需要在土體自重應(yīng)力場的基礎(chǔ)上考慮地下通道的作用，基坑開挖可以作為后續(xù)施工步驟，且二者之間無變形的相互影響，所以在上述應(yīng)力場的基礎(chǔ)上，初始化所有的位移與應(yīng)變?yōu)榱銉H保存其變化的應(yīng)力場作為基坑開挖模擬的初始條件如圖3、圖4所示.具體計(jì)算工況如下：

工況1：土體初始應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算.

工況2：放坡開挖一級(jí)基坑施做土釘墻(-5.90m).

工況3：施做圍護(hù)樁與內(nèi)撐.

工況4：開挖二級(jí)基坑挖到基坑底部(-18.26m).

圖3 初始剪應(yīng)力場

圖4 初始正應(yīng)力場

2.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)實(shí)際施工情況，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.從圖5、圖6可知地鐵基坑在開挖過程中會(huì)引起土體側(cè)向移動(dòng)導(dǎo)致地下通道產(chǎn)生附加位移，基坑開挖引起地下通道變形表現(xiàn)為整體下沉和向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng).不同的支護(hù)型式對(duì)土的影響不同，剛度小的土釘墻對(duì)土的約束較小，產(chǎn)生的土體側(cè)向移動(dòng)較大，引起地下通道的附加位移也較大，而剛度大的樁加內(nèi)支撐的支護(hù)型式，產(chǎn)生的土體位移較小，同時(shí)引起地下通道的地下附加位移較小.圖7為地下通道隨開挖深度位移曲線圖，可以看出隨著基坑開挖深度的增加，地下通道附加位移變大，其中附加的地下通道豎向位移受開挖深度影響較水平位移更為明顯.

圖5 工況2土體水平位移

圖6 工況4土體水平位移

圖7 地下通道位移曲線

3 地下通道距開挖面的距離對(duì)地下通道的影響

為了控制地下通道的變形，保證地下通道距開挖面的距離十分必要，不僅能較好的控制地下通道的附加位移，更能獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益.

分析在實(shí)際工程荷載作用下，計(jì)算不同間距工況下，地下通道的附加位移情況.具體計(jì)算工況如表2所示.

表2 計(jì)算工況

在上述模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用控制變量法分析不同間距對(duì)鄰近地下通道結(jié)構(gòu)變形的影響.選取地下通道側(cè)墻和底板附加變形進(jìn)行分析.不同間隔距離下地下通道側(cè)墻水平位移與底板豎向位移曲線如圖8、圖9所示.

從圖8、圖9可知，地下通道的變形場受到地鐵基坑開挖的影響，二者間隔距基坑越近，地下通道變形越明顯.距開挖面為7m時(shí)，引起地下通道最大豎向位移為6.67mm，最大水平位移為2.9mm；距開挖面為5m時(shí)，分別為7.29mm、5.15mm，距開挖面為3m時(shí)，分別為8.1mm、7.36mm；距開挖面為1m時(shí)，分別為8.74mm、9.55mm.隨著距間隔距離的減小，引起地下通道水平位移變化明顯，從7m到1m時(shí)，增幅3.3倍；而引起地下通道最大豎向位移變化不大，可見，間隔距離對(duì)控制地下通道變形效果明顯.

圖8 通道側(cè)墻水平位移曲線

圖9 通道底板豎向位移曲線

4 結(jié) 論

采用土工有限元軟件Plaxis8.2分析土釘墻與內(nèi)支撐聯(lián)合支護(hù)基坑開挖對(duì)鄰近地下通道的影響，并考慮地下通道距開挖面距離，對(duì)地下通道附加位移的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1)鄰近地下通道的變形場明顯受到基坑開挖的影響，具體規(guī)律體現(xiàn)為：隨著基坑開挖深度增加，鄰近地下通道變形越明顯，其中豎向位移增加速率略大于水平位移.

(2)當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)型式發(fā)生改變時(shí)，地下通道附加位移發(fā)生明顯變化，剛度小的支護(hù)型式產(chǎn)生的附加位移較大.

(3)隨著地下通道與基坑開挖面距離的增大，引起地下通道水平位移變化明顯，而地下通道最大豎向位移變化不大.

(4)保證地下通道與基坑的間距能夠有效的控制地下通道的變形以及地下通道的正常使用.

[1] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.Plaxis巖土工程軟件使用指南[M].人民交通出版社,2010.

[2] POULOS H G,CHEN L T.Pile Response Due to Unsupported Excavation-induced Lateral Soilmovement[J].Canadian Geotechical Journal,1996,33(6)：670-677.

[3] 郭典塔,周翠英.基坑開挖對(duì)接近地鐵車站的影響規(guī)律研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2015,22(1):156-162.

[4] 陳福全,楊 敏.地面堆載作用下鄰近樁基性狀的數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,27(11):1286-1290.

[5] 陳福泉,汪金衛(wèi),劉毓氚.基坑開挖時(shí)鄰近樁基形狀的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2008,29(7):1971-1976.

Research on Effect Rule of Subway Foundation Pit Excavation Operation in Adjacent Underpass

YIN Chang-jun1,YANG Wen-sheng1，MA Peng-yuan2

(1.College of Civil Engineering andmechanics,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd,Beijing 100055,China)

Based on the study of Changshametro Line 3of one open-cut station,the geotechnical finite element numerical analysis software Plaxis 8.2is used to simulate the influence of construction of foundation pit on adjacent underpass,and to analyse the deformation law of adjacent underpass under different net distance between excavation and underpas.The research result shows that the construction of foundation apparently changes the deformation field of adjacent underpass.And with the net distance distancing,themaximum horizontal displacement change ismore obvious,and themaximum vertical displacement change is less.Keywords:metro excavation; underpass; numerical analysis

2015-09-04基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(10C1286)；湖南省科技廳一般項(xiàng)目(2010CK3035).作者簡介：印長俊(1977-)，男，博士，副教授,研究方向：復(fù)合地基的基本理論.

TU91

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1671-119X(2016)01-0087-04