韓 偉 王余鵬 石端文

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建南平 353000；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430000)

0 引言

隨著我國(guó)城市群化范圍的擴(kuò)大和軌道交通工程的大力發(fā)展，地鐵周邊建筑物集中，自然地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，施工情況多變，人們對(duì)工程施工環(huán)境相關(guān)問(wèn)題的當(dāng)前研究大部分處在經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的階段，而理論化、數(shù)字化、模型化的成果不多。

基于此，本研究針對(duì)廈門軌道交通1號(hào)線某站公交地塊配套項(xiàng)目基坑施工對(duì)既有區(qū)間隧道的影響，采用巖土專業(yè)有限元軟件(MIDAS GTS),按實(shí)際的施工工序進(jìn)行模擬分析。土體采用莫爾庫(kù)倫模型，采用板單元模擬各支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，板單元尺寸的確定原則是抗彎剛度和抗壓剛度等效換算。MIDAS/GTS在模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)能考慮結(jié)構(gòu)和土體的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分析，并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果對(duì)既有區(qū)間隧道的影響進(jìn)行分析，可以省時(shí)省力地研究隧道互相穿越的工程實(shí)踐[1]。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目場(chǎng)地位于廈門市湖濱南路以南，場(chǎng)地中部沿西南至東北向?yàn)槟痴驹诮▍^(qū)間隧道，采用明挖法施工，開挖寬度約為17m～21m。地鐵區(qū)間穿過(guò)整個(gè)地下室，將地下室斜向劃分成左右兩部分，地鐵區(qū)間上方為單層地下室，橫跨地鐵區(qū)間，連接了地鐵區(qū)間左右兩側(cè)的配套項(xiàng)目地下室負(fù)二層?；游鞅眳^(qū)開挖深度12.7m(主樓區(qū)域 13.7m)，分兩期施工，即南側(cè)一期基坑和北側(cè)二期基坑。區(qū)間明挖段基坑分為3個(gè)獨(dú)立基坑，即 1#、2#、3#基坑，其中1#基坑為區(qū)間物業(yè)開發(fā)段基坑，2#基坑為地塊內(nèi)“坑中坑”開挖基坑，3#基坑為地塊內(nèi)垂直開挖基坑，如圖1所示。

圖1 基坑總平面圖和地鐵隧道明挖基坑平面圖

1.1 基坑內(nèi)區(qū)間概況

1#基坑主體結(jié)構(gòu)為地下兩層，周邊建筑物較多，由于管線遷改需要，1#基坑大里程端約 6m 長(zhǎng)度范圍內(nèi)采用頂板逆作法施工。2#基坑位于配套項(xiàng)目地塊一期基坑內(nèi)，一期基坑除放坡開挖部分，其余部分先整體開挖至標(biāo)高-7.1m，然后進(jìn)行地鐵隧道基坑開挖，地鐵區(qū)間圍護(hù)及主體結(jié)構(gòu)完成并回填密實(shí)后，進(jìn)行地塊基坑的二次開挖。由于二次開挖緊鄰隧道基坑，因此將對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形與位移產(chǎn)生一定影響。3#基坑位于配套項(xiàng)目地塊二期基坑內(nèi)，二期基坑由于受到拆遷影響[2]，地鐵隧道基坑先期從地表垂直開挖，開挖深度19.78m，待圍護(hù)及主體結(jié)構(gòu)完成并回填密實(shí)后，再進(jìn)行兩側(cè)地塊基坑開挖。由于二次開挖緊鄰隧道基坑，因此將對(duì)坑內(nèi)地鐵隧道結(jié)構(gòu)和坑外盾構(gòu)始發(fā)井的變形與位移產(chǎn)生一定影響。配套地塊基坑開挖完成后進(jìn)行上部主體結(jié)構(gòu)及其余樁基施工時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)工程及主體工程均會(huì)對(duì)已完成施工的地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定變形影響。

地鐵隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。

圖2 地鐵隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 場(chǎng)地地質(zhì)

1 素填土、2 淤泥、3-1 粉質(zhì)黏土、3-4 粗砂、4淤泥質(zhì)土、8-1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、11-1 殘積礫質(zhì)黏性土。對(duì)應(yīng)各土層物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.3 場(chǎng)地地下水

場(chǎng)區(qū)地下水主要為孔隙式潛水、孔隙式風(fēng)化帶裂隙承壓水。場(chǎng)區(qū)內(nèi)水性較好，富水性較好。

2 建立有限元模型及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

2.1 項(xiàng)目地塊一期基坑

采用平面應(yīng)變模型分析基坑開挖和上部結(jié)構(gòu)施工對(duì)優(yōu)先建設(shè)的地鐵隧道區(qū)間影響。由于開挖基坑較大，選取2#基坑A-A斷面(圖3)模擬地塊基坑開挖寬度按隧道區(qū)間兩側(cè)40m考慮，左側(cè)圍護(hù)樁深度約15m，右側(cè)圍護(hù)樁深度約17m；地鐵區(qū)間基坑開挖寬度為15.8，圍護(hù)樁深度為14.1m。地塊基坑坑外土體計(jì)算范圍按20m考慮，據(jù)此取計(jì)算模型尺寸為135.8m長(zhǎng)，53m深。圍護(hù)樁、橫撐、隧道襯砌采用梁?jiǎn)卧M，分析中選用三角形與四邊形進(jìn)行網(wǎng)格化分。

材料參數(shù)如表2所示，具體模型如圖4所示。

表2 材料計(jì)算取值參數(shù)表

圖3 一期基坑 A-A 橫斷面示意圖

圖4 計(jì)算模型

采用MIDAS GTS NX 有限元分析軟件進(jìn)行二維分析計(jì)算，結(jié)果如下：

(1)配套地塊基坑初始開挖至坑底

地塊基坑開挖至標(biāo)高為-7.1m 時(shí)，基坑開挖深度為9.4m。計(jì)算結(jié)果如圖5所示，北側(cè)最大變形量為10.4mm，南側(cè)最大變形量為 5.25mm，坑內(nèi)土體最大變形量23.2mm。

圖5 地塊圍護(hù)樁水平位移圖

(2)地鐵基坑開挖至坑底

地鐵基坑開挖至坑底標(biāo)高為-15.5m時(shí)，開挖深度為8.4m，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，北側(cè)最大變形量為 7.51mm，南側(cè)最大變形量為7.36mm，坑內(nèi)土體最大變形量6.87mm。

圖6 地鐵圍護(hù)樁水平位移圖

(3)地塊二次開挖對(duì)已完成結(jié)構(gòu)的影響

配套地塊基坑北側(cè)二次開挖至標(biāo)高-10.4m時(shí)，基坑二次開挖深度為3.3m，南側(cè)不進(jìn)行二次開挖。計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示，地鐵隧道結(jié)構(gòu)左線最大變形量2.74mm，右線最大變形量1.78mm，隧道最大變形量位移為1.26mm。

圖7 隧道結(jié)構(gòu)水平位移

圖8 隧道結(jié)構(gòu)豎向位移

(4)配套項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響

配套項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)的自重荷載將通過(guò)主體結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)傳遞至周圍土體，進(jìn)而對(duì)鄰近的地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形影響。計(jì)算結(jié)果如圖9～圖10所示，地鐵隧道結(jié)構(gòu)左線最大變形量2.87mm，右線最大變形量 2.78mm，隧道最大變形量為-7.30mm。

圖9 隧道結(jié)構(gòu)水平位移圖

圖10 隧道結(jié)構(gòu)豎向位移圖

本研究模型建立和分析，選取最不利情況進(jìn)行模擬，驗(yàn)證地塊基坑二次開挖和上部結(jié)構(gòu)建設(shè)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響[4]。結(jié)果表明，地塊基坑二次開挖，使地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移最大值為2.74mm，豎向最大變形量為1.26mm，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；配套項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)施工，使地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移最大值為2.87，豎向最大變形量為-7.30mm，滿足隧道結(jié)構(gòu)變形標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 文灶站公交地塊二期基坑

選取如圖11所示的基坑B-B橫斷面進(jìn)行分析，采用平面應(yīng)變模型分析基坑開挖和上部結(jié)構(gòu)施工對(duì)優(yōu)先建設(shè)的地鐵隧道區(qū)間影響[5]。模擬地塊基坑開挖寬度按隧道區(qū)間兩側(cè)50m考慮，左側(cè)圍護(hù)樁深度約20.3m，右側(cè)圍護(hù)樁深度約13.8m；地鐵區(qū)間基坑開挖寬度為15.8m，深度為19.18m，地下連續(xù)墻深度為28.18m。地塊基坑坑外土體計(jì)算范圍按10m考慮，據(jù)此取計(jì)算模型尺寸為135.8m 長(zhǎng)，53m 深。圍護(hù)樁、地下連續(xù)墻、橫撐分析中，選用三角形與四邊形進(jìn)行網(wǎng)格化分，具體模型如圖12所示。

材料參數(shù)如表 3所示。

圖11 二期基坑 B-B 橫斷面示意圖

表3 材料計(jì)算取值參數(shù)表

具體模型如圖12所示。

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

計(jì)算結(jié)果如下：

(1)地鐵隧道基坑及配套項(xiàng)目上部結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)施工

地鐵基坑開挖至坑底標(biāo)高為-16.9m處，基坑開挖深度19.2m，不考慮施工過(guò)程中土體的壓密整平，計(jì)算結(jié)果如圖13所示，隧道左線一側(cè)基坑圍護(hù)地下連續(xù)墻最大水平位移為16.2mm，隧道右線一側(cè)地下連續(xù)墻最大水平位移均為16.1mm，坑內(nèi)土體最大豎向位移38.1mm。

圖13 地下連續(xù)墻水平位移

(2)地塊基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響

地塊基坑開挖至標(biāo)高為-10.4m處，開挖過(guò)程逐步拆除地鐵基坑橫撐及地下連續(xù)墻，基坑北側(cè)設(shè)裙邊加固，東側(cè)設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索加固[6]。計(jì)算結(jié)果如圖14、圖15所示，地鐵基坑兩側(cè)土體開挖并拆除橫撐后，隧道結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生向地鐵基坑內(nèi)側(cè)位移。隧道左線結(jié)構(gòu)最大水平位移為4.33mm，隧道右線結(jié)構(gòu)最大變形量-4.15mm，隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為5.81mm。

圖14 隧道結(jié)構(gòu)受開挖影響水平位移圖

圖15 隧道結(jié)構(gòu)受開挖影響豎向位移圖

(3)配套項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響

計(jì)算結(jié)果如圖16所示，基坑北側(cè)裙邊加固土體的開挖及主體結(jié)構(gòu)荷載作用對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形均產(chǎn)生了一定影響，隧道左線、右線均產(chǎn)生了偏向北側(cè)水平位移。隧道左線結(jié)構(gòu)最大變形量4.03mm，隧道右線結(jié)構(gòu)最大變形量-6.09mm，坑內(nèi)土體最大豎向位移為-7.66mm。

圖16 隧道結(jié)構(gòu)受開挖影響豎向位移圖

本次模型建立選取最不利情況進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證地塊基坑開挖和上部結(jié)構(gòu)建設(shè)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響。結(jié)果表明，配套項(xiàng)目基坑開挖使地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移最大值為4.33mm， 豎向最大變形量為 5.81mm，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；配套項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)施工使地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移最大值為6.09mm，豎向最大變形量為-7.66mm，滿足隧道結(jié)構(gòu)變形標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 地鐵周邊地塊基坑

模型長(zhǎng)200m，寬150m，高40m，共291 775個(gè)單元。模擬范圍內(nèi)明挖基坑結(jié)構(gòu)長(zhǎng)140m，矩形隧道結(jié)構(gòu)尺寸為6.75×6.00m，地面超載 20kPa。為減小模型規(guī)模，本次僅選取北側(cè)基坑分析。重點(diǎn)研究建筑基坑開挖對(duì)明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。鉆孔樁和地連墻根據(jù)剛度等效原則進(jìn)行折減，采用板單元模擬；基坑大小及支撐布設(shè)及參數(shù)設(shè)置，均按照?qǐng)D紙實(shí)際情況進(jìn)行模擬。材料、土體參數(shù)同表1。計(jì)算模型的尺寸和位置關(guān)系如圖17、圖18所示。計(jì)算結(jié)果如下：

圖17 計(jì)算模型

圖18 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

(1)地鐵隧道基坑開挖

地鐵基坑開挖至坑底，不考慮施工過(guò)程土體的壓密整平，計(jì)算結(jié)果如圖19～圖21所示，隧道左線側(cè)基坑圍護(hù)地下連續(xù)墻、隧道右線側(cè)地下連續(xù)墻最大水平位移分別為為9.16mm 和5.66mm，坑內(nèi)土體最大變形量56.0mm。

圖19 水平位移圖

圖20 豎向位移圖

圖21 地鐵隧道基坑地下連續(xù)墻水平位移圖

(2)地塊基坑開挖至-10.4m

地塊基坑開挖至標(biāo)高-10.4m 處，開挖過(guò)程逐步拆除地鐵基坑橫撐及地下連續(xù)墻，基坑北側(cè)設(shè)裙邊加固，東側(cè)設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索加固[8]。計(jì)算結(jié)果如圖22～26所示，地塊內(nèi)基坑開挖對(duì)坑外地鐵盾構(gòu)始發(fā)井影響較小，基坑外部地鐵區(qū)間地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)水平最大變形量2.85mm，豎向最大變形量0.85mm，盾構(gòu)始發(fā)井地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)水平最大變形量0.87mm。

圖22 水平位移圖

圖23 豎向位移圖

圖24 盾構(gòu)始發(fā)井受開挖影響水平位移

圖25 盾構(gòu)始發(fā)井受開挖影響豎向位移

圖26 盾構(gòu)始發(fā)井受開挖影響水平位移包絡(luò)圖

本次模型建立，選取最不利情況進(jìn)行模擬，驗(yàn)證地塊基坑開挖對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。由于模型截取問(wèn)題，隧道局部結(jié)構(gòu)無(wú)法建立橫撐，位移較大，該處位移數(shù)據(jù)不做分析。

結(jié)果表明，地塊基坑開挖使地鐵盾構(gòu)始發(fā)井結(jié)構(gòu)及地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移最大值為0.87mm，豎向最大變形量為0.85mm，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 基坑監(jiān)測(cè)

基于配套項(xiàng)目基坑開挖深度深、面積大、土方量大，周期長(zhǎng)，為確保施工安全，保證開挖的順利進(jìn)行，及時(shí)獲取基坑開挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍土體的受力與變形情況，從而有效地指導(dǎo)施工[9]，計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍土體的受力與變形計(jì)算 與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析表 mm

表4中的支護(hù)結(jié)構(gòu)比計(jì)算結(jié)果偏大，可采取加大鋼支撐預(yù)加軸力、減少鋼支撐間距等措施減小支護(hù)結(jié)構(gòu)變形?；庸こ趟阶冃螆?bào)警值應(yīng)根據(jù)基坑工程的實(shí)際情況針對(duì)性地取值，建議取控制值的80%作為監(jiān)測(cè)報(bào)警值。配套項(xiàng)目基坑工程施工期間應(yīng)補(bǔ)充區(qū)間隧道專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方案，完善隧道變形的應(yīng)急預(yù)案，對(duì)已建隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果信息化指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保隧道安全[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

基坑開挖面積大將產(chǎn)生顯著的卸荷效應(yīng)，引起坑內(nèi)土體產(chǎn)生變形移動(dòng)，在此影響下，先期施工的地鐵隧道區(qū)間將產(chǎn)生一定的豎向和水平位移。

本次模型建立和分析，選取最不利情況進(jìn)行模擬。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，2#基坑二次開挖，使地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移最大值為2.74mm， 豎向最大變形量為1.26mm，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；主體結(jié)構(gòu)施工，使地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移最大值為2.87mm，豎向最大變形量為-7.30mm，滿足隧道結(jié)構(gòu)變形標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)值模擬計(jì)算最大變形量23.2mm與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果28.9mm基本吻合，且滿足《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(QCR9218-2015)的結(jié)構(gòu)允許最大變形量30mm的限值要求[11]。但由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移影響因素的復(fù)雜性，模擬計(jì)算條件與實(shí)際條件之間差異，以及施工過(guò)程和巖土參數(shù)的影響差異，計(jì)算值和測(cè)量值之間存在一定偏差[12]。

明確監(jiān)控預(yù)警指標(biāo)并強(qiáng)化場(chǎng)地基坑實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)信息化施工，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)或增加工程措施，做好應(yīng)急預(yù)案，可以確?；蛹敖?gòu)筑物安全。