劉興舟 劉海智

(1.佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528000； 2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310000)

臨近地鐵區(qū)間隧道的深基坑開挖數(shù)值模擬分析

劉興舟1劉海智2

(1.佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528000； 2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310000)

針對深基坑開挖對臨近地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的影響，以佛山保利達(dá)廣場項(xiàng)目為工程背景，采用有限元數(shù)值模擬分析基坑開挖及回筑階段地層位移及隧道變形，并在基坑開挖過程中采取專項(xiàng)保護(hù)措施和進(jìn)行詳盡的基坑及地鐵隧道監(jiān)測。結(jié)果表明，基坑及地鐵隧道均在安全可控范圍內(nèi)。

基坑，地鐵，隧道，數(shù)值模擬，有限元

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展及地下空間開發(fā)進(jìn)程的加快，越來越多的建筑物基坑工程上跨既有地鐵區(qū)間隧道或處于地鐵運(yùn)營安全保護(hù)范圍內(nèi)，基坑開挖過程中引起既有地鐵隧道的變形、內(nèi)力變化、上浮、管片開裂、位移等[1-3]。而地鐵運(yùn)營過程中對軌道平整度要求極高，需嚴(yán)格控制既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形。因此，準(zhǔn)確評價(jià)深基坑開挖對地鐵隧道的影響和選擇合理的深基坑圍護(hù)方案及施工工藝對確?；幼陨砑暗罔F隧道的安全具有非常重要的工程意義。以往佛山地區(qū)軌道交通線路較少，深基坑工程周邊環(huán)境條件較好，設(shè)計(jì)和施工深基坑時(shí)對周邊環(huán)境影響考慮較少，但隨著城市地下空間快速開發(fā)，深基坑開挖緊鄰地鐵隧道的工程現(xiàn)象越來越頻繁，現(xiàn)在深基坑設(shè)計(jì)不僅要考慮基坑自身的安全問題，更需關(guān)注深基坑開挖對周邊建(構(gòu))筑物的影響，需將深基坑工程和周邊環(huán)境作為一個(gè)整體考慮[4-6]。本文以佛山保利達(dá)廣場項(xiàng)目基坑開挖對既有地鐵隧道的影響為工程背景，采用有限元數(shù)值模擬分析基坑開挖及回筑階段地層位移及隧道變形，以期為今后類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

保利達(dá)廣場項(xiàng)目位于佛山市通匯橋路和工運(yùn)路交匯處，通匯橋以北，工運(yùn)路以西。本項(xiàng)目緊鄰廣佛線二期新城東站—東平站區(qū)間隧道，該區(qū)間隧道為地下雙線盾構(gòu)區(qū)間，雙線隧道線間距為12 m～16 m，隧道管片直徑為6.2 m，軌面埋深為24.37 m～12.55 m。本項(xiàng)目地下室基坑深10.1 m，基礎(chǔ)型式均采用樁筏基礎(chǔ)，地下室外墻與地鐵廣佛線二期右線隧道結(jié)構(gòu)外輪廓的最近距離為14.5 m，基坑圍護(hù)采用φ850@1 000的鉆孔灌注樁+φ850@600的三軸攪拌樁止水帷幕形式，圍護(hù)樁外緣與廣佛線二期右線隧道結(jié)構(gòu)外輪廓的最近距離為12.3 m。

2 地鐵隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，并參照《城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[7],對地鐵安全保護(hù)區(qū)內(nèi)的建筑施工項(xiàng)目提出了明確的要求如下：1)地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施隧道水平位移、豎向位移最大不超過15 mm；2)收斂變形不大于15 mm；3)地鐵結(jié)構(gòu)日沉降量和水平位移量不大于0.5 mm。

對于隧道安全控制要求，參照廣東省《城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)規(guī)程》及其他地區(qū)類似經(jīng)驗(yàn)，對隧道變形提出如下控制要求：1)隧道水平位移、豎向位移最大不超過15 mm；2)道床脫空量不大于5 mm；3)水平：相鄰兩根鋼軌高程差不大于4 mm；4)高低：10 m弦長軌面高程差不大于4 mm；5)軌距：相鄰兩根軌道軌距變化范圍+6 mm～-4 mm；6)扭曲變形：小于1/2 500。

由于保利達(dá)廣場項(xiàng)目施工時(shí)，廣佛線二期新城東站—東平站區(qū)間處于試運(yùn)營階段，參照地鐵軌道變形控制標(biāo)準(zhǔn)及《城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[7]有關(guān)隧道結(jié)構(gòu)變形標(biāo)準(zhǔn)的要求，綜合考慮地鐵運(yùn)營安全，隧道沉降、隆起值按±10 mm控制。

3 工程相互影響分析

保利達(dá)廣場項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)緊鄰廣佛線二期新城東站—東平站區(qū)間隧道，項(xiàng)目工程施工對地鐵區(qū)間隧道影響較大，故需對該施工過程中的影響進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的工程措施以控制項(xiàng)目施工對地鐵區(qū)間隧道的影響。

3.1 理論基礎(chǔ)

HSS塑性模型[8]包含兩種硬化類型，即壓縮硬化和剪切硬化。壓縮硬化用于模擬固結(jié)儀加載和各向同性加載中主壓縮帶來的不可逆塑性應(yīng)變。剪切硬化用于模擬主偏量加載帶來的不可逆應(yīng)變。且本模型屈服面在主應(yīng)力空間中不固定，而由塑性應(yīng)變的產(chǎn)生而膨脹。HSS模型[8]不僅能反映土體材料在小應(yīng)變情況下剪切強(qiáng)化，而且在主偏量加載下，土體的剛度下降，同時(shí)產(chǎn)生不可逆的塑性應(yīng)變。

標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗(yàn)中豎向應(yīng)變ε1和偏應(yīng)力q之間為雙曲線關(guān)系，如式(1)所示。

(1)

其中，E50為主加載下與圍壓相關(guān)的剛度模量；qa為抗剪強(qiáng)度的漸進(jìn)值。

(2)

極限偏應(yīng)力qf和式(1)中的量qa定義如下：

(3)

qf可根據(jù)Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則[9]中強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行取值。當(dāng)qf=q時(shí)，破壞準(zhǔn)則得到滿足，類似于Mohr-Coulomb模型發(fā)生完全塑性屈服。其中破壞比Rf為qf和qa之間的比值。卸載和再加載的應(yīng)力路徑用另外一個(gè)應(yīng)力相關(guān)的剛度模量：

(4)

為解決土體在實(shí)際小應(yīng)變情況下的土體剛度增大問題，HSS引入土體在小應(yīng)變情況下的剪切剛度G0，G0為土體在小應(yīng)變r(jià)時(shí)的剪切模量，r為土體小應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)變范圍。

3.2 有限元計(jì)算分析

廣佛線二期新城東站—東平站區(qū)間隧道在保利達(dá)廣場項(xiàng)目影響范圍內(nèi)的軌面埋深為17.1 m～20.5 m，隧道內(nèi)徑2.75 m，外徑3.1 m，管片厚0.35 m。

選取鄰近地鐵側(cè)典型剖面建立有限元模型，有限元軟件采用PLAXIS。建筑物框架結(jié)構(gòu)、隧道管片、圍護(hù)樁均采用板單元進(jìn)行模擬，截面積、慣性矩等幾何參數(shù)采用相應(yīng)的材料特性進(jìn)行計(jì)算并按每延米折算。圍護(hù)樁和土體之間的相互作用通過設(shè)置界面單元來考慮。

地面荷載均以20 kPa超載形式考慮，建筑物荷載按每層15 kPa取值。地勘參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

表2 有限元計(jì)算工況

本文有限元計(jì)算按照地鐵隧道先施工，保利達(dá)廣場項(xiàng)目后施工的原則，因此只反映保利達(dá)廣場項(xiàng)目施工對地鐵隧道的影響。本次計(jì)算選取本項(xiàng)目基坑的最不利工況，計(jì)算工況詳見表2，計(jì)算模型詳見圖1。

根據(jù)上述計(jì)算分析，保利達(dá)廣場項(xiàng)目的整個(gè)施工過程引起廣佛線二期新城東站—東平站區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的最大總位移為6.23 mm，最大水平位移為3.43 mm，最大豎向位移為-5.54 mm，最大彎矩為106.17 kN·m，初始彎矩為74.4 kN·m，經(jīng)核算，滿足地鐵結(jié)構(gòu)變形控制要求及受力要求，具體計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 有限元計(jì)算分析結(jié)果

4 結(jié)語

1)通過對保利達(dá)廣場項(xiàng)目建(構(gòu))筑物與廣佛線二期新城東站—東平站盾構(gòu)區(qū)間隧道有限元數(shù)值模擬分析可知，在靠近地鐵側(cè)所采用的基坑支護(hù)形式能夠有效的控制基坑變形。該項(xiàng)目實(shí)施過程及竣工后對地鐵建設(shè)、運(yùn)營的不利影響整體均為可控。2)保利達(dá)廣場項(xiàng)目實(shí)施過程中，應(yīng)全程采取針對地鐵保護(hù)的安全監(jiān)測措施，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，確保地鐵安全運(yùn)營。3)保利達(dá)廣場項(xiàng)目的基坑需在止水帷幕封閉并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才能開挖。開挖應(yīng)分區(qū)進(jìn)行并需自西向東分層、分段實(shí)施，每層厚度應(yīng)小于2 m，以更有效的控制基坑變形；基坑開挖完成后應(yīng)及時(shí)封底。4)基坑支撐拆除時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制拆除方式并選用合適的機(jī)械及參數(shù)，施工引起地鐵區(qū)間隧道振動的峰值速度不得大于20 mm/s，以減小對地鐵隧道的不利影響?；?xùn)|側(cè)禁止施工車輛行駛，禁止大范圍堆載，且總荷載(含動荷載)不得超過20 kPa。5)保利達(dá)廣場項(xiàng)目基坑開挖時(shí)，必須及時(shí)做好基坑降水及排水，不得采用坑外降水的方式，以減小周邊地層水位大幅變化對地鐵隧道造成的不利影響，但坑外需根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求布置水位觀測井，實(shí)時(shí)監(jiān)測坑外水位變化。6)保利達(dá)廣場項(xiàng)目在施工期間，應(yīng)對廣佛線二期新城東站—東平站區(qū)間進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測范圍為基坑對應(yīng)隧道段及基坑前后各延伸30 m；監(jiān)測周期為土建施工開始至施工后隧道變形趨于穩(wěn)定；監(jiān)測頻率由建筑物風(fēng)險(xiǎn)等級確定，并依據(jù)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性情況進(jìn)行調(diào)整。

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Analysis on numerical simulation of deep foundation pit excavation adjacent subway section tunnel

Liu Xingzhou1Liu Haizhi2

(1.FoshanRailwayInvestmentandConstructionGroupLimitedCompany,Foshan528000,China;2.ZhejiangTransportationPlanningandDesignInstitute,Hangzhou310000,China)

According to the influence of deep foundation pit excavation adjacent subway shield section tunnel, taking the Foshan Baoli Plaza project as the engineering background, using the finite element numerical simulation analysis on the strata displacement and tunnel deformation of foundation pit excavation and construction phase, and took special protection measures and made detailed foundation pit and subway tunnel monitoring in excavation process, the results showed that both the foundation pit and subway tunnel within safe and controllable range.

foundation pit, subway, tunnel, numerical simulation, finite element

1009-6825(2017)21-0160-03

2017-05-15

劉興舟(1986- )，男，工程師； 劉海智(1986- )，男，工程師

U455

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