郭堯順

（福建省華廈能源設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

隨著城市地下空間開發(fā)，地下基坑施工需要考慮的因素日益增多，施工難度不斷增加［1-2］。在基坑施工時(shí)，若與地鐵隧道距離太近可能對(duì)地鐵隧道的正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響［3-5］。

一般來(lái)說，基坑開挖對(duì)周邊的地表產(chǎn)生擾動(dòng)，會(huì)使其發(fā)生一定的不均勻沉降，有時(shí)還會(huì)引發(fā)坑外深層的土體沉降或地下連續(xù)墻水平側(cè)移等，這必將會(huì)對(duì)周圍建筑物造成不良影響。為了評(píng)估分析基坑開挖對(duì)周邊土工環(huán)境的影響，本文結(jié)合福建省某建筑基坑，通過有限元模擬的方式探討了基坑開挖對(duì)周邊土體沉降和地下連續(xù)墻側(cè)移的影響。

1 工程概況

福建省某建筑基坑毗鄰地鐵隧道，與隧道水平凈距僅7 m，基坑開挖深度為12 m。該基坑采用明挖順作施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用地下連續(xù)墻形式，為控制地下連續(xù)墻和坑外地鐵隧道的變形采用盆式開挖方案?；涌颖诓捎萌冷摻罨炷羶?nèi)支撐，并在基坑周邊進(jìn)行坑內(nèi)加固。當(dāng)?shù)叵聣ξ灰七^大時(shí)采用在墊層內(nèi)加設(shè)型鋼支撐的應(yīng)急預(yù)案，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)周圍地層、地鐵隧道及基坑地下墻的監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋指導(dǎo)施工。

圖1為基坑距離地鐵最近位置處的剖面圖。地下連續(xù)墻深28 m，該剖面有三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，第一道支撐距地表0.6 m，第二道支撐距第一道支撐4 m，第三道支撐距第二道支撐3.8 m，基坑底板頂部距第三道支撐3.7 m。各道支撐的截面尺寸和混凝土標(biāo)號(hào)見表1所示?？觾?nèi)采用SMW攪拌樁墩式加固及SMW攪拌樁抽條加固，墩式加固深度范圍為第三道支撐底至底板頂部，抽條加固深度范圍為底板底部以下6 m。地下連續(xù)墻內(nèi)外兩側(cè)采用SMW槽壁加固，樁徑為Φ850 mm，搭接250 mm，水泥摻量不小于20%。地下連續(xù)墻及底板性質(zhì)參數(shù)如表2所示。

在實(shí)際過程中，基坑邊緣與地鐵隧道之間距離的遠(yuǎn)近往往會(huì)影響基坑周圍土體和地鐵隧道的變形，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)充分考慮這一點(diǎn)，尤其是對(duì)變形非常敏感的地鐵隧道，應(yīng)嚴(yán)格控制其變形?；邮┕さ挠邢拊W(wǎng)格如圖2所示。

表1 支撐截面尺寸及混凝土標(biāo)號(hào)

表2 地下連續(xù)墻及底板性質(zhì)參數(shù)

2 有限元分析模型

土體有限元模型的建立及基坑開挖的模擬是在合理的假定基礎(chǔ)上進(jìn)行的，本文數(shù)值模擬計(jì)算的基本假定是：

（1）同一層土體為均質(zhì)、各向同性體，并將土體簡(jiǎn)化為理想彈塑性體，采用線性Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則及等向硬化規(guī)律；

（2）在計(jì)算土體變形時(shí)，認(rèn)為土體在自重作用下已充分固結(jié)；

（3）地下連續(xù)墻兩側(cè)的SMW工法槽壁加固區(qū)以及坑內(nèi)加固區(qū)采用實(shí)體單元模擬；靠近地鐵側(cè)坑內(nèi)三軸攪拌樁加固的寬度為12 m，深度為4 m；

（4）假定隧道橫截面形狀為圓形，其襯砌假定為線彈性體；

（5）計(jì)算中不考慮隧道襯砌、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的脫離現(xiàn)象，認(rèn)為它們始終協(xié)調(diào)變形。

有限單元分析中彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以表示為：

式中：{dσ}為應(yīng)力增量；［Dep］為彈塑性剛度矩陣；{dε}為應(yīng)力增量。

不考慮硬化規(guī)律采用理想彈塑性本構(gòu)模型，根據(jù)屈服準(zhǔn)則和流動(dòng)規(guī)律可以推得彈塑性矩陣的表達(dá)式：

式中：［D］為彈性剛度矩陣； f（σ）為屈服函數(shù)；g（σ）為塑性勢(shì)函數(shù)。

計(jì)算時(shí)取基坑距離地鐵最近位置處的剖面進(jìn)行二維有限元數(shù)值分析，如圖2所示。計(jì)算模型水平方向長(zhǎng)度為50 m，豎直方向長(zhǎng)度為36 m。隧道外徑取6.2 m，襯砌厚度為0.35 m，地下連續(xù)墻深度為28 m，厚度0.8 m。對(duì)模型底部邊界施加固定約束，兩側(cè)邊界施加水平向約束，模型上表面為自由邊界?？紤]降水施工，水位在地面以下0.5 m。在進(jìn)行有限元建模和計(jì)算時(shí)，地層結(jié)構(gòu)以及加固區(qū)的土體采用實(shí)體單元模擬，土體的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。地下連續(xù)墻、隧道襯砌以及基坑的底板采用板單元模擬，混凝土支撐采用“anchor”單元模擬。計(jì)算時(shí)，地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的混凝土均選取C35混凝土參數(shù)，其彈性模量為31.5 GPa，泊松比取0.2。樁土之間的相互作用采用界面單元來(lái)模擬。

表3 土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

在有限元計(jì)算中，通過對(duì)結(jié)構(gòu)單元或荷載單元的激活或凍結(jié)來(lái)模擬實(shí)際的開挖過程和施工工況，并將其抽象為數(shù)值分析所采用的施工步。本工程采用分步開挖法，每次開挖將地下水位降至開挖面以下0.5 m處。由于地鐵隧道在開挖前已經(jīng)存在，因此在模擬基坑開挖前首先將隧道內(nèi)土體“凍結(jié)”并激活襯砌單元，同時(shí)將隧道開挖引起的土體位移清零。這樣，后續(xù)計(jì)算產(chǎn)生的位移均是由基坑開挖產(chǎn)生的附加位移。

3 基坑圍護(hù)有限元分析

為研究分析基坑開挖對(duì)地表沉降的影響，提取不同施工步下的地表沉降值，繪制曲線如圖3所示。同時(shí)，為研究基坑開挖對(duì)坑外深層土體沉降的影響，取深層土體截面（1-1截面）的沉降值進(jìn)行對(duì)比分析。1-1截面位于第三道支撐處，該截面平行于地平面，其位置在坑外地表以下8.8 m。1-1截面的位置如圖1所示。分別提取不同施工步下1-1截面的沉降值，如圖4所示。

由圖4可知，基坑開挖對(duì)地表沉降影響較小，但對(duì)1-1截面上土體的沉降值影響較明顯。從1-1截面土體沉降的分布圖可以發(fā)現(xiàn)，隧道位置處于距離地下墻中心線6.4～12.6 m處，圖中數(shù)據(jù)表明在這個(gè)范圍內(nèi)1-1截面不均勻沉降最為顯著。可以看出，基坑施工時(shí)，如果基坑附近有地鐵隧道，隧道的存在很大程度上會(huì)造成坑外土體不均勻沉降，特別是隧道附近的土體沉降。

為研究分析基坑施工對(duì)地下連續(xù)墻水平側(cè)移的影響，現(xiàn)提取不同施工步下地下連續(xù)墻水平側(cè)移有限元模擬值進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。從圖中地下連續(xù)墻水平側(cè)移值可以看出，隨著基坑開挖不斷進(jìn)行，地下連續(xù)墻的水平側(cè)移不斷增大，施加支撐對(duì)地連墻變形有減緩的作用，但未能減小側(cè)移的發(fā)生，尤其是在隧洞開挖擾動(dòng)較大的地層中，所以如果開挖基坑周圍有臨近的隧洞，應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)隧洞變形，并考慮對(duì)隧洞施加一定的支護(hù)措施。地下連續(xù)墻在水平方向的側(cè)移會(huì)帶動(dòng)坑外土體隨之移動(dòng)，由于地下連續(xù)墻的剛度變化可以影響其水平側(cè)移，故在一定程度上也會(huì)影響到地鐵隧道的變形。

為研究分析基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道變形的影響，分別在每個(gè)有限元模型的隧道襯砌外邊緣取A～D四個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中四個(gè)測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖6給出了基坑開挖后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移矢量圖，見表4給出了隧道拱頂、仰拱、左右拱腰位置處的水平位移和豎向位移值?？梢钥闯觯娱_挖后臨近的地鐵隧道向基坑卸載面發(fā)生了較小的移動(dòng)。隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大水平位移位于在靠近基坑的一側(cè)，其值為7.22 mm，最大沉降發(fā)生在拱頂位置處，其值為7.92 mm。由此可見，基坑開挖對(duì)地鐵隧道變形有一定的影響，尤其需要注意拱頂變形。但由于在坑內(nèi)采用了加固，并在地下連續(xù)墻外側(cè)采用了SMW槽壁加固，使得將周邊土體變形及隧道的位移控制在了較小的范圍內(nèi)。

為進(jìn)一步研究基坑加固區(qū)的效果，分析基坑坑底加固及連續(xù)墻外側(cè)的土體加固對(duì)地下連續(xù)墻水平側(cè)移的影響，將基坑加固后的地下連續(xù)墻的側(cè)移及隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移值與未加固時(shí)進(jìn)行了比較。

表4 隧道各測(cè)點(diǎn)位移模擬數(shù)據(jù) 單位：mm

圖7為基坑加固前后地下墻水平側(cè)移的對(duì)比?？梢钥吹?，加固基坑對(duì)圍護(hù)墻側(cè)移變形控制有較大的影響。在未采用SMW工法加固時(shí)，地下連續(xù)墻的最大水平位移為23.6 mm，而采用SMW工法加固后地下墻的最大水平側(cè)移降至13.1 mm，其值降低了10.5 mm，降幅約為44.5%。由此可見，在基坑施工時(shí)坑內(nèi)和地下墻兩側(cè)采用SMW工法加固可以有效地減少地下連續(xù)墻的側(cè)移。此外，基坑加固對(duì)地鐵隧道的位移控制也有較好的作用。隧道拱頂沉降值有未加固前的10.26 mm減少至7.92 mm，降低了約23%。隧道拱腰B測(cè)點(diǎn)（靠近基坑一側(cè)）的水平位移由加固前的11.36 mm降到了7.22 mm，減少了36%。可見基坑加固后可以有效地控制坑外土體和地鐵隧道的位移。

總的來(lái)說，在基坑坑內(nèi)和地下連續(xù)墻兩側(cè)加固，一定程度上可以減少坑外地表土體和地鐵隧道的沉降及水平側(cè)移，該方法在軟土城區(qū)基坑施工時(shí)可以有效保護(hù)鄰近地鐵隧道和地面建筑物的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

臨近地鐵隧道的基坑施工對(duì)土體位移控制要求非常嚴(yán)格，由于基坑附近存在地鐵隧道，土體水平方向的側(cè)移會(huì)在附近的隧道結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生水平附加應(yīng)力。為控制隧道變形，應(yīng)對(duì)坑外土體進(jìn)行加固，減少開挖擾動(dòng)對(duì)隧道的影響。采用地下連續(xù)墻圍護(hù)并對(duì)坑外土體進(jìn)行加固可有效控制臨近地鐵隧道的水平位移。