于升才

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

[定稿日期]2017-01-17

隨著城市建設(shè)速度加快，城市土地資源十分緊張，各種高層建筑伴隨的深大基坑工程不斷涌現(xiàn)，城市中的深大基坑工程常處于大量市政工程和高層建筑密集區(qū)域，工程問題主要體現(xiàn)在施工場地緊湊和對已有建(構(gòu))筑物的影響[1-3]。同時(shí)，隨著城市地鐵建設(shè)速度的加快，在既有運(yùn)營地鐵隧道附近進(jìn)行施工基坑工程也不斷出現(xiàn)，地鐵隧道附近施工基坑工程會改變基坑周圍土體的位移場和應(yīng)力場[4-8]，引起地表沉降和地層移動，進(jìn)而對地鐵隧道結(jié)抅產(chǎn)生影響。因此，如何準(zhǔn)確確定深基坑施工中基坑周圍土體的應(yīng)力場和位移場，釆取有效的措施保證施工順利進(jìn)行和周圍環(huán)境的安全，是巖土工作者面臨的一大任務(wù)[9]。

本文依托哈爾濱西站凱盛源廣場項(xiàng)目基坑工程，該基坑開挖深度較深，開挖面積較大，施工難度較高，國內(nèi)尚未有深大基坑工程上跨地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的案例。分析過程中考慮基坑開挖與土體的相互作用，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法研究了基坑工程上跨已建哈爾濱地鐵3號線區(qū)間隧道的影響，分析基坑開挖對既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)受力與變形及襯砌位移的影響。

1 工程概況

1.1 工程條件

哈爾濱西站凱盛源廣場項(xiàng)目基坑工程，基坑長約460m，左側(cè)基坑寬約105m，右側(cè)基坑寬約250m，基坑總面積約56 970m2，開挖深度11.50～22.00m，基坑緊鄰哈爾濱地鐵3號線哈爾濱大街站，并且跨越正在運(yùn)行的哈爾濱地鐵3號線區(qū)間。

1.2 基坑開挖方式

本基坑工程依據(jù)設(shè)計(jì)要求采用明挖順做法施工，為減小基坑開挖對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響和基坑開挖的安全，整個(gè)基坑開挖建設(shè)分為三期進(jìn)行。其中Ⅰ期基坑工程深度22m，位于地鐵結(jié)構(gòu)外邊線50m以外。Ⅱ期基坑工程深度18m，位于地鐵兩側(cè)50m范圍內(nèi)，各基坑采用鉆孔樁隔離開，分坑分倉開挖，共分為8個(gè)小基坑。Ⅲ期基坑深度11.5m，位于地鐵暗挖區(qū)間正上方。其中Ⅰ期基坑大部分區(qū)域采用明挖法施工，其與Ⅱ期基坑交界處采用逆作法施工，以各層結(jié)構(gòu)板作為支撐；Ⅱ期、Ⅲ期基坑采用明挖法施工，先開挖Ⅱ期基坑，待Ⅱ期基坑主體結(jié)構(gòu)完成后再開挖Ⅲ期基坑，基坑開挖步驟見圖1所示。

2 上跨地鐵區(qū)間基坑工程開挖有限元分析

2.1 模型建立

利用MIDAS-GTS三維有限元軟件建立三維整體有限元模型，由于模型單元數(shù)眾多，計(jì)算量大，可能影響計(jì)算收斂，因此本次模擬中采用的三維數(shù)值模型，尺寸為650m(長)×500m(寬)×80m(高)，模型計(jì)算采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，共劃分單元799 775個(gè)，節(jié)點(diǎn)942 938個(gè)，計(jì)算模型基本尺寸及相應(yīng)的位置關(guān)系見圖2所示。

模型中各層土體均按天然重度考慮，計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)及土體的自重荷載。土體模型的頂面為自由邊界，底面為豎向約束，四周為法向約束。土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾庫侖本構(gòu)模型，進(jìn)行彈塑性計(jì)算，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行彈性計(jì)算。

2.2 模型計(jì)算假設(shè)

為了簡化數(shù)值計(jì)算同時(shí)也能夠抓住主要矛盾，使三維實(shí)體模型計(jì)算變得可行，作以下假定：

(1)將建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的灌注樁通過抗彎剛度折減等效成地下連續(xù)墻(即EI相等)；等效后再按其剛度進(jìn)行50 %的折減。等效公式為：

式中：D為鉆孔灌注樁直徑(m)；t為樁間距(m)；h為等效地連墻厚度(m)。剛度折算計(jì)算示意圖見圖3所示。

(2)計(jì)算假定各層土體均為各向同性；

(3)土體進(jìn)行彈塑性計(jì)算，混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性計(jì)算；

(4)采用施工步來模擬整個(gè)施工過程，考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時(shí)間效應(yīng)。

圖1 基坑開挖步序圖

圖2 各結(jié)構(gòu)相對位置關(guān)系

圖3 樁體剛度折算

2.3 計(jì)算參數(shù)選取

土體相關(guān)參數(shù)(表1)來自工程地質(zhì)勘查報(bào)告和工程經(jīng)驗(yàn)取值。

分析中混凝土結(jié)構(gòu)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道車站結(jié)構(gòu)均采用線彈性模型計(jì)算，管片結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、襯砌等結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)選取見表2所示。

2.4 開挖步設(shè)置

為了準(zhǔn)確的模擬基坑開挖對隧道的影響，計(jì)算采用動態(tài)模擬施工過程的計(jì)算方法。共分為以下主要步驟：

表1 土層計(jì)算參數(shù)

表2 模型結(jié)構(gòu)體計(jì)算參數(shù)

(1)分步分區(qū)開挖隧道右側(cè)22m基坑(Ⅰ期基坑)1-5區(qū)，每層土開挖深度為3m(余同)；

(2)分步分區(qū)開挖隧道左側(cè)22m基坑(Ⅰ期基坑)1-4區(qū)，每層土開挖深度為3m(余同)；

(3)分步分區(qū)開挖隧道右側(cè)18m基坑(Ⅱ期基坑)1、2、3區(qū)；

(4)分步分區(qū)開挖隧道左側(cè)和右側(cè)18m基坑(Ⅱ期基坑)4、5區(qū)；

(5)分步分區(qū)開挖隧道右側(cè)18m基坑(Ⅱ期基坑)6區(qū)；

(6)分步分區(qū)開挖隧道頂部11.5m基坑(Ⅲ期基坑)；

(7)Ⅱ期基坑5區(qū)塔樓回筑。

Ⅰ期基坑大部分采用明挖法施工，與Ⅱ期基坑交界部分采用逆作法施工，以各層結(jié)構(gòu)板作為支撐。Ⅱ期和Ⅲ期基坑均采用明挖法施工，開挖詳細(xì)步驟為開挖—施作支撐過程的循環(huán)，基坑開挖至坑底后，為拆除支撐和施作地下室樓板的過程，整個(gè)開挖過程共20個(gè)開挖步，具體分步分區(qū)過程如圖1所示。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 基坑內(nèi)土體隆起位移分析

基坑開挖以后，基坑底部土體由于卸荷作用產(chǎn)生豎直向的變形?；娱_挖完成后產(chǎn)生的位移最大，隧道左側(cè)、右側(cè)及頂部基坑開挖至坑底時(shí)土體豎直向位移見圖4所示。

圖4 基坑土體豎向隆起位移隨開挖階段的變化

從圖4可以看出，在基坑開挖過程中，基坑底部最大回彈量為21.46mm，發(fā)生在隧道右側(cè)I期22m基坑1區(qū)開挖至坑底時(shí)。開挖區(qū)間隧道上部基坑時(shí)，基坑底部隆起值為8.75mm。

3.2 隧道位移及變形曲線分析

水平位移及豎直位移見圖5、圖6所示。

圖5 隧道最大水平位移隨開挖步驟的變化

圖6 隧道豎直方向最大位移隨開挖步驟的變化

由圖5和圖6可以看出，基坑開挖過程中隧道水平變形在右側(cè)Ⅱ期18m基坑開挖中變形較大，最大值出現(xiàn)在第17步開挖過程，即右側(cè)Ⅱ期18m基坑6區(qū)基坑開挖過程中，其值為3.98mm，由于當(dāng)?shù)?7步開挖完成后，右側(cè)基坑臨空面最大，側(cè)向土抗力最小，從而造成了隧道側(cè)向水平方向位移產(chǎn)生了最大值。隧道豎直方向最大豎向位移發(fā)生在第18步開挖時(shí)，即在隧道頂部Ⅲ期11.5m基坑開挖過程中，最大隆起值為1.82mm；最大沉降位移值為0.99mm，由于開挖卸載導(dǎo)致區(qū)間隧道上方土壓力減小，基坑頂部土體具有最大的臨空面，使隧道發(fā)生隆起，在基坑開挖結(jié)束時(shí)隆起達(dá)到峰值。

由于區(qū)間隧道上部基坑開挖過程中位移較大，提取該過程中隧道變形曲線。沿隧道方向每隔12m提取一次水平方向和豎直方向位移，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)上部基坑開挖時(shí)沿隧道方向水平和豎直位移曲線見圖7所示。

圖7 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)上部基坑開挖時(shí)沿隧道方向位移曲線

由圖7可以看出，基坑開挖區(qū)域區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)有明顯隆起，最大隆起值為2.52mm，每12m的最大水平差異位移為0.38mm，每12m最大豎直差異沉降為0.33mm。

因此，保持開挖臨空面穩(wěn)定對控制開挖過程中區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形有一定的作用。同時(shí)，采用分區(qū)開挖方式，在區(qū)間隧道外部兩側(cè)區(qū)域土層應(yīng)力相對釋放后，再對區(qū)間隧道上方基坑進(jìn)行開挖，對控制區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形有良好的效果。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，基坑開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在隧道頂部11.5m基坑開挖至坑底時(shí)，其最大值為0.23MPa，具體計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表3 隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力 MPa

為進(jìn)一步印證基坑施工對地鐵造成影響程度的大小，將基坑施工前和施工后地鐵隧道的內(nèi)力進(jìn)行對比分析，分析其受力狀態(tài)是否發(fā)生變化，并驗(yàn)證當(dāng)前結(jié)構(gòu)配筋是否滿足其裂縫要求，分析結(jié)果見表4所示。

經(jīng)檢算，新增內(nèi)力并未改變隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，隧道主要呈壓彎受力，隧道段落結(jié)構(gòu)配筋滿足正常使用極限狀態(tài)要求。

4 結(jié)論

通過對上跨地鐵區(qū)間隧道深大基坑開挖工程的數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)上跨地鐵區(qū)間基坑開挖對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，主要表現(xiàn)為基坑開挖造成坑底隆起，帶動區(qū)間結(jié)構(gòu)上浮，但影響程度較小，均在規(guī)范控制要求范圍之內(nèi)。

(2)保持開挖臨空面的穩(wěn)定對控制區(qū)間隧道的變形有一定作用，采用分區(qū)開挖方式，最后進(jìn)行區(qū)間隧道上方基坑開挖工作，對控制區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形有良好的效果。

(3)施工期間加強(qiáng)上跨地鐵區(qū)間隧道監(jiān)控量測頻率，保證基坑施工安全和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

[1] 李佳川, 夏明耀. 地下連續(xù)墻深基坑開挖與縱向地下管線保護(hù)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 1995, 23(5): 499-506.

[2] 孔祥鵬, 劉國彬, 廖少明. 明珠線二期上海體育館地鐵車站穿越施工對地鐵一號線車站的影響[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(5): 821-824.

[3] 劉建航.地下墻深基坑周圍地層移動的預(yù)測和治理之二——基坑周圍地層移動的預(yù)測[J].地下工程與隧道,1993(2):2-15.

[4]PeckRB.Deepexcavationsandtunnellinginsoftground[C].Proc. 7thInt.Conf.onSMFE, 1969:225-290.

[5]TerzaghiK.Soilmechanicsinengineeringpractice[M].JohnWiley&Sons,1996.

[6] 0smanAS,BoltonMD.Groundmovementpredictionsforbracedexcavationsinundrainedclay[J].Journalofgeotechnicalandgeo-environmentalengineering, 2006, 132(4): 465-477.

[7] 王浩然,王衛(wèi)東,黃茂松,等.基坑變形預(yù)測的改進(jìn)MSD法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011(S1): 3245-3251.

[8] 魏剛.基坑開挖對下方既有盾構(gòu)隧道影響的實(shí)測與分析[J].巖土力學(xué),2013,34(5):1421-1428.

[9]KontogianniV,TzortzisA,StirosS.DeformationandfailureoftheTymfristosTunnel,Greece[J].Journalofgeotechnicalandgeoenvironmentalengineering, 2004, 130(10): 1004-1013.