任 玲

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

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深基坑施工對鄰近地鐵附屬風(fēng)井的影響及數(shù)值分析

任 玲

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

如今地鐵建設(shè)如火如荼，和周邊建構(gòu)筑物關(guān)系復(fù)雜多變。本文結(jié)合廣東現(xiàn)代廣告創(chuàng)意中心基坑施工的實例，通過數(shù)值模擬分析了深基坑施工對鄰近已運營的廣州地鐵二八號線附屬風(fēng)井的影響，并采取有效措施保證地鐵隧道及車站附屬結(jié)構(gòu)的安全，為后續(xù)類似工程提供參考。

深基坑； 地鐵； 數(shù)值分析

1 工程概況

1.1 廣美創(chuàng)意中心工程概述

廣美創(chuàng)意中心項目位于廣東省廣州市海珠區(qū)，建筑用地面積3 074.2 m2，總建筑面積為57 538.2 m2，其中地下建筑面積10 383.9 m2。該工程為一棟甲級寫字樓辦公建筑，地面以上21層，地面以上建筑物總高度為93.3 m；地面以下3層，主要為停車庫及設(shè)備用房，其中地下負(fù)3層為核六級人防地下室。

該地下室基坑設(shè)計深度14.20～15.45 m，支護周長357 m，安全等級為一級，根據(jù)周邊環(huán)境情況和地質(zhì)條件的不同，基坑被分成6個支護設(shè)計區(qū)，分別為：1區(qū)，2區(qū)，3區(qū)，4區(qū)，5區(qū)，6區(qū)。基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計采用800厚地下連續(xù)墻，強度等級為C30，抗?jié)B等級為P8，并采用全蓋挖逆作法施工。其地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)兼作永久結(jié)構(gòu)的一部分，正常使用年限與主體結(jié)構(gòu)相同。地連墻頂設(shè)置冠梁，冠梁截面為800×800。利用首層、負(fù)一層和負(fù)二層結(jié)構(gòu)梁板做為內(nèi)支撐，其中首層結(jié)構(gòu)的主梁截面為350×700，次梁截面為250×600，板厚為180 mm。在地下室底板、梁和樓板等需要連接的部位設(shè)置預(yù)埋件，預(yù)埋件采用預(yù)埋錨筋和鋼板。

1.2 基坑與廣州地鐵二八號線的關(guān)系

廣美創(chuàng)意中心地下室基坑南側(cè)與地鐵二號線Ⅲa號通道相通合建；西南側(cè)緊鄰昌崗站2號風(fēng)井，基坑邊距風(fēng)井結(jié)構(gòu)邊線最小間距約2.2 m；東南側(cè)緊鄰昌崗站3號風(fēng)井，基坑邊距風(fēng)井結(jié)構(gòu)邊線最小間距約2.1 m； 西側(cè)為廣州地鐵二號線昌崗站～江南西站區(qū)間隧道，其基坑邊距隧道邊最小間距約31.9 m；東南側(cè)為廣州地鐵八號線曉港站～昌崗站區(qū)間隧道，其基坑邊距隧道邊最小間距約16.2 m；東北側(cè)為地鐵二、八號線聯(lián)絡(luò)線基坑邊距隧道邊最小間距約14.5 m(圖1)。

廣州地鐵二八號線隧道已于2009年7月19日全線貫通，其中廣州地鐵二號線昌崗站～江南西站區(qū)間及廣州地鐵八號線曉港站～昌崗站區(qū)間均采用淺埋暗挖法及噴錨構(gòu)筑法施工，昌崗站～江南西站區(qū)間隧道拱頂覆土厚度約15.6～19.6 m，曉港站～昌崗站區(qū)間隧道拱頂覆土厚度約14.2～17.8 m，隧道均主要在強、中、微風(fēng)化帶中穿越。

圖1 廣美創(chuàng)意中心基坑與廣州地鐵平面關(guān)系

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算方法

對于幾何形狀和圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)、地質(zhì)條件都比較復(fù)雜的地下工程，一般需要采用數(shù)值計算方法，尤其是需要考慮圍巖的各種非線性特征和施工過程對地層穩(wěn)定性影響時，采用基于巖土力學(xué)方法的有限元分析是有效的。

本次計算采用的FLAC和FLAC3D為基于顯式拉格朗日有限差分法算法的軟件，其原理清晰、適應(yīng)性強，在巖土和水利工程的數(shù)值模擬中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2.2 計算模型

由于廣美創(chuàng)意中心基坑規(guī)模龐大，但其開挖順序及步驟重復(fù)連續(xù)，而本計算重點是基坑深度方向上的開挖對車站附屬的影響，故在平面上選取了局部開挖基坑以對計算進行優(yōu)化，減少模型體量，節(jié)省計算時間(圖2)。

基坑開挖及支護過程采用地層-結(jié)構(gòu)模型模擬，連續(xù)墻、冠梁、支撐及主體結(jié)構(gòu)、土體采用實體單元(zone)進行模擬。模型邊界約束其垂直于面的位移。連續(xù)墻嵌入段單元節(jié)點與基坑底部土體單元節(jié)點耦合連接，實現(xiàn)被動土壓力對連續(xù)墻的作用。

(a) 三維有限元模型及網(wǎng)格劃分示意

(c) 廣美創(chuàng)意中心基坑及2號風(fēng)井剖析

(d) 廣美創(chuàng)意中心基坑及3號風(fēng)井剖析圖2 計算模型

2.3 三維模型計算結(jié)果

由于本模型構(gòu)件過多，為了更為清晰地顯示計算結(jié)果，以下均選取受基坑開挖影響最大的墻體作為分析對象。

(1)廣美基坑施工前2號、3號風(fēng)井位移及應(yīng)力云圖見圖3。

(a) X方向位移云圖(單位：m)

(b)Y方向位移云圖(單位：m)

(c)Z方向位移云圖(單位：m)

(d)X向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

(e)Y向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

(f)Z向應(yīng)力云圖(單位：Pa)圖3 2號、3號風(fēng)井位移及應(yīng)力云圖

(a) X向位移云圖(單位：m)

(b)Y向位移云圖(單位：m)

(c)Z向位移云圖(單位：m)

(d)X向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

(e)Y向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

(2)廣美基坑2號、3號風(fēng)井位移及應(yīng)力云圖見圖4。

(f)Z向應(yīng)力云圖(單位：Pa)圖4 2號、3號風(fēng)井位移及應(yīng)力云圖

2.4 結(jié)果分析

通過計算，2號、3號風(fēng)井內(nèi)力及位移變化見表1。

表1 2號、3號風(fēng)井內(nèi)力及位移變化

從圖3～圖4和表1中可以看出，由于廣美創(chuàng)意中心基坑施工，會引起基坑周邊土體應(yīng)力重分布，從而對2號風(fēng)井和3號風(fēng)井的位移及應(yīng)力均有一定程度的影響。由于2號風(fēng)井基坑深度較之3號風(fēng)井較淺，與廣美基坑間距也不及3號風(fēng)井，故2號風(fēng)井的位移及應(yīng)力變化均沒有3號風(fēng)井變化大。

在基坑開挖后，靠近施工基坑側(cè)的應(yīng)力略有減小，遠(yuǎn)離基坑側(cè)的應(yīng)力略有增加，均變化不大，可能是由于開挖土體導(dǎo)致靠近施工基坑側(cè)的“卸載”作用；當(dāng)廣美創(chuàng)意中心地面結(jié)構(gòu)完工后，其地面荷載主要由廣美地下結(jié)構(gòu)及地層承擔(dān)，從而對2號、3號風(fēng)井結(jié)構(gòu)的影響甚微。

由于地表最大沉降和基礎(chǔ)底部最大沉降均≤30 mm滿足規(guī)定允許值(一般城市地表沉降基準(zhǔn):+10～-30 mm)；從設(shè)計安全系數(shù)(重要性一級系數(shù)為1.1)的角度來分析，內(nèi)力增加幅度均≤10 %，也能夠滿足結(jié)構(gòu)受力要求。且風(fēng)井結(jié)構(gòu)最終的應(yīng)力值均小于C35混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值(ft=1.57 MPa)及軸心抗壓強度設(shè)計值(fc=16.7 MPa)。根據(jù)GB 50010-2010(2015年版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對混凝土強度設(shè)計值的規(guī)定，判斷主體結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

從上述的三維模型計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)由于區(qū)間隧道埋深較深，均位于巖層，且距離基坑較遠(yuǎn)，處于基坑開挖影響范圍之外，故對區(qū)間隧道影響不大。

(2)通過三維建模計算，由于基坑開挖導(dǎo)致車站附屬結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移變化均滿設(shè)計安全要求，故在基坑施工安全以及各項監(jiān)測數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求的前提下，可以保證地鐵隧道及附屬結(jié)構(gòu)的安全。

3.2 建議

為保證地鐵隧道及車站附屬結(jié)構(gòu)的安全，并減少基坑開挖對其的影響，建議處理措施如下：

(1)廣美基坑開挖時地面沉降及支護結(jié)構(gòu)變形需滿足有關(guān)規(guī)范要求，并從嚴(yán)控制，保證基坑實施過程中不發(fā)生整體穩(wěn)定性破壞、突涌及滲透破壞。

(2)廣美基坑開挖、支護、回筑及監(jiān)測等各階段工作都應(yīng)嚴(yán)格按照基坑有關(guān)要求執(zhí)行。基坑開挖過程中，除應(yīng)對基坑加強監(jiān)測外，對在基坑兩倍深度范圍內(nèi)的地鐵二八號線隧道及附屬結(jié)構(gòu)應(yīng)進行監(jiān)測。

(3)基坑開挖過程中，若監(jiān)測位移較大，建議從地面或基坑內(nèi)對隧道和基坑圍護結(jié)構(gòu)之間土體進行注漿加固。

(4)建議在基坑外并盡可能靠近地鐵隧道和車站附屬結(jié)構(gòu)的區(qū)域設(shè)置土體深層水平位移監(jiān)測孔。當(dāng)基坑支護結(jié)構(gòu)或周邊土體的位移出現(xiàn)異常情況或達到報警值時，應(yīng)立即采取相應(yīng)措施，以保證地鐵結(jié)構(gòu)安全。

(5)應(yīng)加強對靠近地鐵側(cè)水平位移及沉降變形的監(jiān)測，并嚴(yán)格監(jiān)測地下水位，當(dāng)監(jiān)測項目數(shù)據(jù)變化超過報警值時應(yīng)及時通知設(shè)計、監(jiān)理等有關(guān)部門以便分析原因，必要時采取有效措施進行處理。

(6)當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道及附屬結(jié)構(gòu)變形及位移接近或達到警戒值(須滿足地鐵運營方的要求)時，應(yīng)立即停止基坑施工，并通知相關(guān)單位進行處理。

(7)在地鐵保護范圍內(nèi)，不得采用沖孔和爆破等可引起震動的施工手段。尤其是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的拆除，禁止采用爆破拆除，必須采用機械切割或者人工破除，避免爆破震動對地鐵結(jié)構(gòu)或區(qū)間隧道造成影響。

[1] GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 彭文斌. FLAC 3D實用教程. 機械工業(yè)出版社，2008.

2017年3月開始實施的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn))

建筑隔墻用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求(JG/T169-2016)

橋梁纜索用高密度聚乙烯護套料(CJ/T297-2016)

隔絕式氣體定壓裝置(CJ/T501-2016)

無線遠(yuǎn)傳膜式燃?xì)獗?CJ/T503-2016)

卡壓式銅管件(CJ/T502-2016)

數(shù)顯式粘結(jié)強度檢測儀(JG/T507-2016)

任玲(1985～)，女，碩士，工程師，從事隧道與地下工程工作。

TU431

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[定稿日期]2017-03-03