呂秋玲 ，張鴻翔 （安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 前言

隨著城市的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，人們對(duì)于地下空間拓展的需求不斷增加。地鐵作為目前地下空間開發(fā)最有效的方式之一，承載著大量城市居民生活出行的要求，其重要性不言而喻。因此，鄰近地鐵線路的基坑開挖的安全性也就十分關(guān)鍵了。

本文以地鐵附近的工程基坑開挖為研究背景，利用Midas GTS建模分析，探究組合支護(hù)形式對(duì)地鐵線路的影響，為今后類似工程提供借鑒參考。

1 工程概況

合肥長(zhǎng)海醫(yī)院深基坑工程位于合肥市包河區(qū)，北臨花園大道，南臨西安路（擬建）、東側(cè)為青海路，西側(cè)為十五里河河道及沿線保護(hù)帶。規(guī)劃用地面積43185.65m2，主要建筑物為門診醫(yī)技樓、住院樓、行政辦公綜合樓、1層地下車庫等。本工程規(guī)劃總平面如圖1。

圖1 合肥長(zhǎng)海醫(yī)院規(guī)劃總平面圖

本工程?hào)|側(cè)地下室邊線距離已營(yíng)運(yùn)地鐵出入口約20m，距離車站主體（高王站，原花園大道站）最小距離約29.80m，距離區(qū)間結(jié)構(gòu)最小距離約31.80m。本基坑均在軌道交通嚴(yán)格控制線以外，基坑?xùn)|側(cè)部分位于軌道交通影響控制線內(nèi)。基坑與鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)的位置平面關(guān)系如圖2。

圖2 合肥長(zhǎng)海醫(yī)院基坑與軌道交通結(jié)構(gòu)的平面位置關(guān)系圖

土的物理學(xué)參數(shù)見表1。

2 基坑支護(hù)方案

本基坑擬建場(chǎng)地地形較平緩，總體為南高北低、東高西低。基坑開挖深度2.6m～5.7m。基坑?xùn)|側(cè)北部鄰近既有車站，采用土釘墻與懸臂樁組合支護(hù)，東側(cè)南部鄰近既有區(qū)間結(jié)構(gòu)，采用土釘墻支護(hù)，基坑其余范圍采用自然放坡支護(hù)，地下水采用集水明排處理。各處基坑支護(hù)形式剖面如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)。圍護(hù)樁部分的開挖深度為5.7m，嵌固深度為4.3m，樁頂部的標(biāo)高為-3.000m。樁體采用鋼筋混凝土材料，強(qiáng)度等級(jí)選用C30。樁體采用等截面圓柱體，截面直徑0.8m，間距1.2m。樁頂部設(shè)置冠梁，冠梁高度0.5m，寬度0.8m，水平側(cè)向剛度1.0MN/m。

土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)表 表1

3 三維有限元計(jì)算分析

3.1 計(jì)算邊界及網(wǎng)格劃分

由圣維南原理可知，建模時(shí)為了避免模型尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，縱橫向的長(zhǎng)度應(yīng)選擇2至3倍開挖深度，邊界條件在x軸和y軸分別采用x和y向的約束，同時(shí)上表面不設(shè)約束為自由面。故模型尺寸為300m×300m×30m（長(zhǎng)×寬×高），模型建立和計(jì)算網(wǎng)格的劃分如圖4所示。

圖4 三維建模示意圖

3.2 計(jì)算工況

以施工先后次序?yàn)橐罁?jù)，對(duì)模型的計(jì)算工況作如表2劃分。

3.3 車站主體結(jié)構(gòu)位移分析

基坑施工各工況對(duì)鄰近車站主體結(jié)構(gòu)的位移影響匯總?cè)绫?。

由數(shù)值模擬結(jié)果知，工況3時(shí)車站主體最大水平位移為0.63mm，位于車站靠近隧道端底部，車站上方出現(xiàn)反向橫向位移；最大沉降為0.20mm，位于車站末端，受基坑開挖卸載的影響鄰近基坑側(cè)車站主體結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)隆起，最大值為2.53mm。工況4車站主體結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)與工況3一致，最大水平位移約0.88mm，最大沉降0.62mm，局部略有隆起，最大隆起量約3.03mm。鑒于以上位移值均低于控制值10mm，故按既定支護(hù)設(shè)計(jì)方案，基坑開挖對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)的影響在可控范圍內(nèi)。

3.4 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位移分析

基坑施工各工況對(duì)鄰近區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的位移影響匯總?cè)绫?。

由數(shù)值模擬結(jié)果知，工況3區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.81mm，最大沉降0.22mm，受基坑開挖卸載的影響鄰近基坑側(cè)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)局部略有隆起，最大隆起量為3.10mm。工況4區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移約1.32mm，最大沉降0.59mm，最大隆起量約3.69mm。均低于控制值10mm。

施工工況設(shè)置 表2

各工況基坑施工對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)的位移影響(累計(jì)值) 表3

各施工階段對(duì)C號(hào)出入口結(jié)構(gòu)的位移影響(累計(jì)值) 表4

各工況，區(qū)間隧道縱向不同位置位移如圖5所示。

圖5 施工階段隧道區(qū)間縱向不同位置位移

從位移曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)，工況3和工況4的隧道變形形式有較大差異。工況3時(shí)開挖深度較淺，且在此情況下只采用了土釘墻的支護(hù)形式，橫向變形較為平緩，方向均為偏向基坑方向，從隧道遠(yuǎn)離車站端開始變形逐漸增大，在隧道尾端有微小減?。欢Q向變形則沿隧道縱向沉降逐漸減小至0，之后出現(xiàn)隆起，且隆起不斷增大。工況4隧道橫向與豎向變形趨勢(shì)較為統(tǒng)一：在隧道遠(yuǎn)離車站端其變形較平緩，沿隧道縱向其變形及變形趨勢(shì)都有明顯增大；而當(dāng)超過隧道的中點(diǎn)時(shí)，由于受到車站端支護(hù)形式的影響開始顯現(xiàn)，隧道變形趨勢(shì)開始減緩，并且在隧道長(zhǎng)度約3/4處出現(xiàn)峰值，之后變形開始減小。橫向變形以偏向基坑方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，在隧道遠(yuǎn)離車站端方向?yàn)槠x基坑方向，逐漸減小至0隨后向偏向基坑方向產(chǎn)生位移，即符合上述的指向基坑方向的變形的增減規(guī)律；而豎向變形均為沉降。

此外，從圖5可以看出模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值在變形趨勢(shì)上較為吻合，在具體數(shù)值上存在的差異可能是由于模型的建立存在細(xì)節(jié)上的理想化，與實(shí)際存在差異；此外測(cè)量時(shí)存在一定的誤差，以及施工過程中的時(shí)間和人為因素造成的影響。由于差值較小，趨勢(shì)一致，可以認(rèn)為模擬符合實(shí)際情況。

總結(jié)上述變形情況可知，本工程的基坑開挖項(xiàng)目會(huì)對(duì)周圍環(huán)境特別是鄰側(cè)的地鐵結(jié)構(gòu)造成一定影響，但是影響程度可控。建議基坑施工期間，嚴(yán)禁在既有軌道結(jié)構(gòu)上方堆土，采取分塊開挖、盡早封底、嚴(yán)密監(jiān)測(cè)等有效措施，以進(jìn)一步減輕對(duì)鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)的不利影響。

4 結(jié)論

本文通過Midas GTS三維建模分析了施工過程中車站及地鐵隧道的整體變形，得到了車站和隧道的最大橫向和豎向位移以及隧道的整體變形形式，并且通過整理相關(guān)數(shù)據(jù)總結(jié)歸納得到以下結(jié)論。

①僅采用土釘墻支護(hù)的淺層開挖時(shí)，隧道其縱向變形較平緩，其中橫向位移逐漸增大，靠近車站端略有減小；豎向位移沉降逐漸減小至0，之后出現(xiàn)隆起，且隆起不斷增大。當(dāng)車站端采用圍護(hù)樁和土釘墻組合支護(hù)進(jìn)行深層開挖時(shí)，隧道變形在遠(yuǎn)離車站端相對(duì)較小，而沿隧道縱向逐漸增大，且變化幅度也逐漸增大；由于受到車站端支護(hù)形式的影響逐漸增大，后半段變形趨勢(shì)逐漸減緩，變形在3/4處出現(xiàn)峰值，隨后開始減小。

②模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果較相符，說明方案較為合理，模擬比較準(zhǔn)確。以上所有結(jié)構(gòu)部分的位移均低于控制值，說明該支護(hù)方式安全可靠。本項(xiàng)目基坑開挖對(duì)鄰側(cè)地鐵結(jié)構(gòu)有一定影響，但影響程度總體上可控。