（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 前言

基坑開(kāi)挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，這使得周圍土體的應(yīng)力變化隨之發(fā)生，進(jìn)而影響土體周邊建筑物，對(duì)于城市軌道交通工程而言，周邊環(huán)境復(fù)雜，必須科學(xué)合理地確定地表沉降值，評(píng)估地表沉降造成的環(huán)境（周圍建構(gòu)筑物、地表道路、城市管線等）影響程度[1]。因此采用合理的方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并進(jìn)行預(yù)測(cè)很有必要。楊福麟等針對(duì)武漢軌道交通工程用有限元軟件MIDAS模擬軌道開(kāi)挖工程，研究了軌道開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響[2]；孟益平等針對(duì)青島軌道交通工程用有限元軟件ANSYS分析軌道開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響[3]。

針對(duì)合肥市軌道交通6號(hào)線和8號(hào)線換乘站徽州大道站周邊某建筑物進(jìn)行計(jì)算分析，很好地模擬了城市軌道交通工程車站基坑的開(kāi)挖。計(jì)算結(jié)果表明：基坑開(kāi)挖過(guò)程中，坑底產(chǎn)生了一定的隆起，坑壁兩側(cè)一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生了豎向沉降；建筑物靠近基坑較近的一端發(fā)生了一定的沉降，而遠(yuǎn)離基坑的一端沉降相對(duì)較小。

1 工程概況

1.1 軌道交通車站工程概況

合肥軌道交通6號(hào)線徽州大道站位于太湖路與徽州大道交叉口東南象限地塊，為6、8號(hào)線同期實(shí)施T型換乘車站。車站整體位于太湖路南側(cè)，6號(hào)線位于徽州大道與青年路之間呈東西向布置，8號(hào)線沿徽州大道南北向設(shè)置。6號(hào)線車站為地下四層14m島式車站，有效站臺(tái)中心里程為CK21+519.791，車站主體外包總長(zhǎng)212.1m，標(biāo)準(zhǔn)段外包尺寸寬22.90m。8號(hào)線車站為地下三層14m島式車站，有效站臺(tái)中心里程為CK1+666.262。車站主體外包總長(zhǎng)188.456m，標(biāo)準(zhǔn)段外包尺寸寬22.90m。車站共設(shè)11個(gè)出入口（含5個(gè)物業(yè)出入口）、5個(gè)消防專用出入口、4組風(fēng)亭共設(shè)新風(fēng)井、排風(fēng)井、活塞風(fēng)井20座。本站兩側(cè)區(qū)間工法均為盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)井為兩端始發(fā)。本車站勘探范圍內(nèi)揭露的主要巖土層有第四系填土層、沖積黏土層及白堊系砂質(zhì)泥巖等。

1.2 周邊某建筑物概況

該建筑物為地下一層、地上六層框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約為6.5m，持力層為建筑物勘察報(bào)告中②層粘土層，地基承載力特征值fak=260kPa。負(fù)一層層高為3.3m，一層層高為3.8m，二層層高為3.6m，三至六層層高為2.8m。該建筑物標(biāo)準(zhǔn)層平面布置示意圖見(jiàn)圖1。

1.3 建筑物與車站工程相對(duì)位置關(guān)系

該建筑物為地下1層，地上6層框架結(jié)構(gòu)，采用獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深6.5m，其距徽州大道站6號(hào)線基坑73.7m，距徽州大道站8號(hào)線基坑33.5m，距5號(hào)出入口基坑4.22m，位置關(guān)系如圖2～圖3所示?？梢?jiàn)，建筑物受影響的主要為5號(hào)出入口基坑與徽州大道站8號(hào)線基坑，故數(shù)值計(jì)算中可僅考察5號(hào)出入口基坑與徽州大道站8號(hào)線基坑的施工擾動(dòng)，而無(wú)需考慮徽州大道站6號(hào)線基坑對(duì)該建筑的影響。

圖1 建筑物標(biāo)準(zhǔn)層平面布置示意圖

8號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約25.630m，坑底位3-1-2黏土層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用Ф1200@1400鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)約36.50m，樁底位于弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖＜6-2-3＞ 中，插入比為 1：0.31，沿基坑深度方向設(shè)置五道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，第二道為Ф609鋼支撐，第三、四、五道為Ф800鋼支撐。

徽州大道站5號(hào)出入口由基坑段與暗挖段組成，基坑段長(zhǎng)約36.0m、寬6.7m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用Ф600@800鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)約15.3m，內(nèi)設(shè)兩道鋼支撐；暗挖段長(zhǎng)約32.0m，上部覆土厚度約10.5m。

圖2 建筑物與車站工程位置關(guān)系平面示意圖

圖3 建筑物與車站工程位置關(guān)系剖面示意圖

2 模型假設(shè)及地層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2.1 模型假設(shè)

①建筑物已投入使用多年，故認(rèn)為其地基的固結(jié)沉降及基礎(chǔ)的工后沉降早已完成。

②為了降低數(shù)值計(jì)算工作量，認(rèn)為建模范圍內(nèi)各土層呈均質(zhì)水平層狀分布，且同一土層為各向同性。

③基坑所在的土層屬于弱透水層，且施工過(guò)程采取多種措施有效阻止地下水向基坑內(nèi)的滲透、流動(dòng)，故有限元計(jì)算中忽略地下水的滲透、流動(dòng)影響。

④通常，基坑施工的最危險(xiǎn)工況發(fā)生在基坑底板澆筑之前?；拥装鍧仓?，后續(xù)順作法施工箱型混凝土車站結(jié)構(gòu)，車站結(jié)構(gòu)的施工逐漸提高了基坑的穩(wěn)定性，危險(xiǎn)性大大降低。故本次計(jì)算僅模擬基坑開(kāi)挖至底板澆筑為止。

⑤建筑上部結(jié)構(gòu)的荷載按15kPa/層，等效分配到各基礎(chǔ)上。

2.2 土體計(jì)算參數(shù)

鉆孔灌注樁等效為地下連續(xù)墻，采用板（plate）單元進(jìn)行模擬，采用彈性本構(gòu)模型；混凝土支撐采用梁（beam）單元進(jìn)行模擬，其截面尺寸及慣性矩按實(shí)際計(jì)算，采用彈性本構(gòu)模型；鋼支撐采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元（便于施加預(yù)應(yīng)力）進(jìn)行模擬，各類結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2所示。

土體計(jì)算參數(shù) 表1

基坑結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù) 表2

3 有限元模型的建立

現(xiàn)用三維數(shù)值模擬分析徽州大道站基坑對(duì)建筑物的影響?；罩荽蟮勒净优c建筑物之間的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。模型長(zhǎng)寬高為200m×190m×70m，使基坑與建筑的外圍到模型邊緣的距離不小于25.0m。采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格剖分如圖5所示。

圖4 徽州大道站基坑建模結(jié)構(gòu)圖

圖5 隱藏部分土體的有限元網(wǎng)格剖分

4 計(jì)算步驟及計(jì)算說(shuō)明

徽州大道站主基坑共5道內(nèi)支撐、5號(hào)出入口基坑共2道內(nèi)支撐。施工過(guò)程中應(yīng)逐層開(kāi)挖、依次逐層激活各層支撐，數(shù)值模擬的計(jì)算步驟如表3所示。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 土體變形

數(shù)值計(jì)算提取每一層基坑施工完成后的結(jié)構(gòu)與土體變形結(jié)果，重點(diǎn)對(duì)基坑施工引起的周邊地表建筑物不均勻沉降進(jìn)行分析，具體為提取建筑若干個(gè)角點(diǎn)沉降隨開(kāi)挖步的變化，得出相鄰柱基差異沉降率。

圖6 徽州大道站主基坑開(kāi)挖至底時(shí)土體豎向沉降云圖

圖7 徽州大道站5號(hào)出入口基坑開(kāi)挖至底時(shí)土體豎向沉降云圖

圖8 徽州大道站主基坑開(kāi)挖至底時(shí)建筑地下室底板豎向沉降云圖

圖9 徽州大道站5號(hào)出入口基坑開(kāi)挖至底時(shí)建筑地下室底板豎向沉降云圖

圖6～圖7給出了不同施工階段土體的豎向沉降云圖，可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，坑底產(chǎn)生了一定的隆起，坑壁兩側(cè)一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生了豎向沉降。

5.2 建筑物變形

圖8～圖9給出了不同施工階段既有建筑地下室底板的豎向沉降云圖，可見(jiàn)，靠近基坑較近的一端發(fā)生了一定的沉降，而遠(yuǎn)離基坑的一端沉降相對(duì)較小。

5.3 建筑物變形定量分析

為了便于分析，在建筑各關(guān)鍵位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位置如圖10所示。計(jì)算得到了不同開(kāi)挖步驟的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值，數(shù)據(jù)如表4所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線如圖11所示?？梢?jiàn)，建筑的最大豎向沉降為-11.68mm，位于靠近5號(hào)出入口基坑最近的J1點(diǎn)處；基坑施工誘發(fā)建筑物產(chǎn)生的相鄰柱基最大差異沉降為2.46mm（0.000724L）；基坑施工誘發(fā)建筑物產(chǎn)生的整體傾斜最大值為0.237‰，位于靠近基坑位置處的短邊方向。既有建筑受徽州大道主基坑施工的影響非常小，其受5號(hào)出入口基坑與暗挖段施工的影響相對(duì)較大，數(shù)值模擬軌道交通工程車站施工對(duì)建筑物的影響計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求[4]。

圖10 建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)詳細(xì)分布圖

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線

數(shù)值模擬計(jì)算步驟 表3

建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值（單位：mm） 表4

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)合肥、蕪湖等地多個(gè)城市大力發(fā)展城市軌道交通工程，需要一套科學(xué)合理的計(jì)算、模擬流程來(lái)評(píng)估預(yù)測(cè)軌道施工對(duì)周邊環(huán)境(周圍建構(gòu)筑物、地表道路、城市管線等)的影響，總結(jié)軌道施工沉降規(guī)律，為省內(nèi)軌道工程施工提供必要的借鑒和指導(dǎo)。