通過數(shù)值模擬確定鄰近深基坑開挖對既有地鐵車站的影響研究

趙鎮(zhèn)林

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，地下空間的開發(fā)與利用越來越受到重視，因此產(chǎn)生大量位于城市繁華地段的基坑工程。而城市基坑工程周圍往往存在市政管網(wǎng)、地下管廊、地鐵車站等其他市政設(shè)施，施工環(huán)境非常復(fù)雜。此類基坑的開挖不僅涉及到基坑本身的安全與穩(wěn)定，同時還可能對臨近的建筑物、構(gòu)筑物造成影響。地鐵車站有嚴(yán)格的變形限制，而基坑開挖勢必造成周圍土體的變形，如果施工不當(dāng)，則會影響鄰近地鐵隧道的運(yùn)行甚至造成安全問題。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

一、工程概況

擬建項目位于已運(yùn)營武漢軌道交通2號線范湖站西南側(cè)，項目總建筑面積145641m2，地下73308m2，該基坑大面積開挖深度為22.7m，公寓塔樓區(qū)域開挖深度23.90m，酒店塔樓區(qū)域開挖深度24.4m；采用1000mm鋼筋混凝土連續(xù)墻+4道鋼筋砼內(nèi)支撐梁支護(hù)；底部均采用構(gòu)造連續(xù)墻做止水帷幕。連續(xù)墻嵌固深度位10m，基坑底部均采用構(gòu)造連續(xù)墻做止水帷幕，連續(xù)墻進(jìn)入中風(fēng)化巖層不小于1m。圖1為該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的平面布置圖：

二、模型的建立

建立三維計算模型，土體采用四面體單元；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用plate結(jié)構(gòu)單元模擬，支撐和立柱采用beam單元模擬；立柱樁采用embend單元，結(jié)構(gòu)與地層之間采用Goodman接觸單元模擬，接觸面強(qiáng)度折減系數(shù)采用0.65。放坡2.5m厚土層自重荷載取值48kpa，地面超載取20kpa。模型平面尺寸位300m×300m，高度為70m。模型邊界距離開挖面長度大于3倍開挖深度。計算模型如圖2所示：

圖2 計算模型

三、計算結(jié)果分析

本次計算主要目的是分析地鐵周邊擬建深基坑施工對既有地鐵車站的影響，根據(jù)計算工況分別選取每個工況的地面變形及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行比較分析。

1.計算工況

（1）工況一：計算初始地應(yīng)力場；

（2）工況二：施做地下連續(xù)墻、加載放坡深度2.5m厚土層重力荷載。

（3）工況三：施做第一道桁架支撐，基坑開挖至第二道桁架撐標(biāo)高。

（4）工況四：施做第二道桁架支撐，計算基坑開挖至第三道桁架撐標(biāo)高。

（5）工況五：施做第三道桁架支撐，計算基坑開挖至第四道桁架撐標(biāo)高。

（6）工況六：施做第四道桁架支撐，計算基坑開挖至坑底標(biāo)高。

2.計算結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬計算得出每個工況下的地連墻變形云圖及地表變形云圖。同時通過對各工況變形云圖分析研究可以了解到：工況六下各類變形均為最大，連續(xù)墻最大變形達(dá)到了68mm，地表最大變形達(dá)到了50mm，通過對各工況的比較可知：隨著基坑的不斷開挖，地表及連續(xù)墻變形不斷加大，當(dāng)開挖至基坑底部時，各類變形最大。

深基坑距離車站附屬結(jié)構(gòu)最近距離為20m，距離車站附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間的變形縫為48m。車站附屬結(jié)構(gòu)地板埋深為10m，因此重點(diǎn)考察三維模型中兩點(diǎn)的沉降量，A點(diǎn)：距離深基坑最近的附屬結(jié)構(gòu)底板邊緣點(diǎn)，B點(diǎn)：車站附屬結(jié)構(gòu)底板變形縫位置。通過這兩個點(diǎn)的沉降量可以考察車站附屬結(jié)構(gòu)及車站主體結(jié)構(gòu)的沉降變形情況。

基坑開挖至地面以下-9.4m標(biāo)高（第三道支撐標(biāo)高）后，開挖到坑底后，地鐵附屬結(jié)構(gòu)地板最大沉降為3.0mm，最小沉降為1.5mm，差異沉降為5.5mm。

基坑開挖至地面以下-14.9m標(biāo)高（第三道支撐標(biāo)高）后，開挖到坑底后，地鐵附屬結(jié)構(gòu)地板最大沉降為7.5mm，最小沉降為2.0mm，差異沉降為5.5mm。

基坑開挖至地面以下-20.0m標(biāo)高（第四道支撐標(biāo)高）后，開挖到坑底后，地鐵附屬結(jié)構(gòu)地板最大沉降為14.0mm，最小沉降為3.0mm，差異沉降為9.0mm。

基坑開挖到坑底后，地鐵附屬結(jié)構(gòu)地板最大沉降為14.0mm，最小沉降為4.0mm，差異沉降為10.0mm，地鐵車站主體沉降量小于4mm，差異沉降更小。

通過計算分析，深基坑開挖引起的車站主體結(jié)構(gòu)沉降量小于4mm，在變形控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)；車站附屬結(jié)構(gòu)最大沉降量為14.0mm，最小沉降為4.0mm，差異沉降10.0mm，盡管車站附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置變形縫，能夠消除一部分沉降變形對結(jié)構(gòu)受力的影響，但是過大變形可能導(dǎo)致變形縫漏水。

四、結(jié)論

1.通過計算分析，地鐵周圍深基坑開挖引起的車站主體結(jié)構(gòu)沉降量小于4mm，在變形控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)；車站附屬結(jié)構(gòu)最大沉降量為14.0mm，最小沉降為4.0mm，差異沉降10.0mm，盡管車站附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置變形縫，能夠消除一部分沉降變形對結(jié)構(gòu)受力的影響，但過大變形可能導(dǎo)致變形縫漏水。因此，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)水平向支撐剛度，尤其臨近地鐵車站一側(cè)基坑桁架支撐剛度，并加強(qiáng)地鐵附屬結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，變形控制標(biāo)準(zhǔn)為6mm。

2.基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足的條件：（1）各層鋼筋混凝土桁架支撐最小水平向支護(hù)剛度不得小于30MN/m；基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平向變形不得超過40mm，否則應(yīng)采取其它措施減小基坑變形。（2）連續(xù)墻建議采用止水效果較好的剛性接頭形式；連續(xù)墻接縫及止水帷幕施工質(zhì)量極為重要，必須施工到位防止連續(xù)墻接縫漏水漏砂導(dǎo)致地鐵車站結(jié)構(gòu)發(fā)生較大沉降變形。（3）項目位于長江一級階地，承壓水頭較高、水頭補(bǔ)給較快，基坑開挖過程中應(yīng)做到按需降水，加強(qiáng)地下水位監(jiān)測，保持地下水位低于開挖面1m左右即可，應(yīng)防止盲目抽水導(dǎo)致基坑內(nèi)外水頭差過大，引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)過量變形或地連墻接縫涌水涌砂。

（作者單位：中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司）