李澤基，黃 旭

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006)

0 引言

在基坑工程中，挖土和各類(lèi)施工都會(huì)改變土體之前的應(yīng)力狀態(tài)，引發(fā)土體的變形和沉降在所難免。對(duì)于已有的地鐵區(qū)間也存在安全挑戰(zhàn)，因?yàn)橥馏w過(guò)大的變形會(huì)引發(fā)地鐵區(qū)間隧道節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)開(kāi)口。當(dāng)開(kāi)孔量太大時(shí)，地鐵區(qū)間隧道會(huì)發(fā)生滲透水、漏砂等病害，這些病害將嚴(yán)重威脅地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。

針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵的影響，許多學(xué)者根據(jù)不同的研究方向進(jìn)行了研究。Hu, B[1]利用ABAQUS軟件模擬深基坑開(kāi)挖引起的土體擾動(dòng)對(duì)地下管線位移的影響，分析了地下管線的危險(xiǎn)區(qū)域；還分析了多種風(fēng)險(xiǎn)因素影響下管道風(fēng)險(xiǎn)因素的最不利組合；最后，從安全和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面提出了系統(tǒng)的追加部分加固方案，以保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)較大危險(xiǎn)地區(qū)地下管線的安全。Zhang, Z.[2]提出了一種簡(jiǎn)便的研究方法，用于分析開(kāi)挖工程中相鄰隧道開(kāi)挖引起的土體卸載引起的變形響應(yīng)。首先，在現(xiàn)有隧道位置，估算相鄰開(kāi)挖引起的綠土卸載應(yīng)力；其次，采用伽遼金法計(jì)算了綠土卸載應(yīng)力作用下隧道的變形響應(yīng)，由微分方程轉(zhuǎn)換為有限元方程。丁智等[3]研究發(fā)現(xiàn),圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工和降水對(duì)地層及鄰近地鐵初始位移的影響不容忽視。無(wú)支護(hù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露是基坑側(cè)向位移快速增長(zhǎng)的危險(xiǎn)時(shí)期;基坑開(kāi)挖的空間效應(yīng),中部側(cè)向變形遠(yuǎn)大于邊角,單向開(kāi)挖容易引起土壤的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)疊加在開(kāi)挖區(qū)域,它會(huì)導(dǎo)致相鄰隧道的最大變形轉(zhuǎn)變回開(kāi)挖區(qū)域。魏剛等[4]考慮基坑底部、支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，形成了力學(xué)計(jì)算模型；基于Mindlin應(yīng)力解公式，推導(dǎo)出既有地鐵隧道附近基坑開(kāi)挖引起的附加荷載計(jì)算公式，分析了基坑尺寸變化、隧道位置變化及如何控制加固等影響因素。謝曉冬等[5]等運(yùn)用有限元軟件綜合評(píng)判了某基坑開(kāi)挖的安全性以及開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)周邊建構(gòu)筑物的影響，并認(rèn)為各項(xiàng)沉降均滿足規(guī)范要求。

1 工程概況

本模型模擬基坑開(kāi)挖施工階段?；又苓厛?chǎng)地復(fù)雜，有既有地鐵管線一條，直徑6m，中心線埋深15m。因臨近地鐵線路，現(xiàn)場(chǎng)采取地連墻加內(nèi)撐的方式進(jìn)行支護(hù)。

基坑開(kāi)挖深度標(biāo)高-9m,地連墻嵌固端標(biāo)高-18m。地連墻厚0.8m，采用C40砼。冠梁截面1.2m×1.0m，腰梁截面1m×1m，內(nèi)撐截面1m×1m，構(gòu)件均采用C30砼。管片厚度0.3m。各層土的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層巖土材料參數(shù)

本基坑工程按一級(jí)基坑考慮，整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程分3次進(jìn)行，布置三道支撐，每次開(kāi)挖深度為3m。

2 有限元計(jì)算模型的建立

2.1 破壞準(zhǔn)則

土體圍巖考慮彈塑性變形，采用修正摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，混凝土僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.2 幾何模型建立

本工程有限元模型尺寸定為X=195m、Y=158m、Z=40m。幾何模型建立的最后結(jié)果如圖1所示。

圖1 幾何模型

2.3 分析工況及網(wǎng)格劃分

2.3.1 分析工況

本次分析分為5個(gè)工況(表2)，主要在于基坑開(kāi)挖的安全性及基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵區(qū)間的影響，基坑開(kāi)挖只經(jīng)過(guò)一層土層，且需布置三道支撐，故按三次開(kāi)挖。考慮到基坑開(kāi)挖引起的已有地鐵區(qū)間的水平位移和沉降值，因此本次分析對(duì)建筑物和隧道引起的位移進(jìn)行清零。計(jì)算過(guò)程中的主要荷載為各個(gè)模型的自重。

表2 三維模型開(kāi)挖分析步驟

2.3.2 網(wǎng)格劃分

整體有限元模型如圖2所示，整體模型共有68 873個(gè)單元，42 719個(gè)節(jié)點(diǎn)，本次分析中共5個(gè)施工步。各施工階段有限元網(wǎng)格展示如圖3～圖7所示。

圖2 有限元模型網(wǎng)格

圖3 初始應(yīng)力場(chǎng)分析施工步

圖4 圍護(hù)施工分析施工步

圖5 第一次開(kāi)挖分析施工步

圖6 第二次開(kāi)挖分析施工步

圖7 第三次開(kāi)挖分析施工步

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 既有地鐵區(qū)間影響性分析

數(shù)值分析模擬了基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵區(qū)間造成的位移分析，包括隧道水平位移分析和隧道豎直位移分析。

3.1.1 隧道沉降

第三次開(kāi)挖后，基坑開(kāi)挖引起的地鐵隧道的沉降云圖如圖8所示。

圖8 開(kāi)挖3隧道沉降云圖

根據(jù)圖8可知，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，既有地鐵隧道區(qū)間的沉降值為0.0109mm/-0.238mm。綜上，基坑開(kāi)挖施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的沉降影響較小，不會(huì)產(chǎn)生明顯的隆起或沉陷，小于《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)中規(guī)定的控制值10mm，滿足規(guī)范要求。

3.1.2 隧道水平位移

第三次開(kāi)挖后，基坑開(kāi)挖引起的地鐵隧道X方向的水平位移云圖如圖9所示。

圖9 開(kāi)挖3隧道X方向位移云圖

根據(jù)圖9可知，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，既有地鐵隧道區(qū)間X方向的水平位移為0.388mm/-0.063mm。綜上，基坑開(kāi)挖施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道在X方向的位移影響很小，不會(huì)產(chǎn)生明顯的側(cè)移，小于《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)中規(guī)定的控制值10mm，滿足規(guī)范要求。

3.1.3 基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵區(qū)間隧道影響的安全評(píng)估

通過(guò)MIDAS GTS NX的模擬，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，隧道的沉降量和側(cè)移量均小于1mm，由此可知，基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵管線的影響可以忽略，在該隧道邊開(kāi)挖基坑是安全的。

3.2 基坑安全性

3.2.1 立柱位移

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的立柱的位移情況應(yīng)在考察范圍內(nèi)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，立柱產(chǎn)生最大沉降的施工步是圍護(hù)施工階段，相應(yīng)的云圖如圖10所示；最大側(cè)移則產(chǎn)生于開(kāi)挖3,云圖如圖11、圖12所示，單位為m，圖中箭頭所指為極值的位置，數(shù)字為極值的大小，圖形上的文字為最大值和最小值以及其出現(xiàn)的位置。

圖10 圍護(hù)施工立柱沉降云圖

圖11 開(kāi)挖3立柱X方向側(cè)移云圖

圖12 開(kāi)挖3立柱Y方向側(cè)移云圖

由圖10～圖12可知，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，立柱最大沉降值為5.13mm，基坑開(kāi)挖施工對(duì)鄰近建筑物的沉降影響較小，不會(huì)產(chǎn)生明顯的沉降，小于《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)規(guī)定的報(bào)警值25mm，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 坑底回彈

基坑在開(kāi)挖后，坑底土體的回彈量是施工過(guò)程中需要重點(diǎn)控制的。在MIDAS GTS NX的模擬過(guò)程中，坑底土的回彈云圖如圖13所示，坑底的最大回彈量為7.6mm，小于《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)中一級(jí)基坑規(guī)定的報(bào)警值25mm，滿足規(guī)范要求。

圖13 開(kāi)挖3坑底土沉降云圖

3.2.3 基坑周?chē)乇碡Q向位移

在第三次開(kāi)挖后，基坑周?chē)乇硗恋呢Q向位移均出現(xiàn)整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中的最大值，如圖14所示?；又苓呁馏w的最大沉降量為2.62mm，小于《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)中一級(jí)基坑規(guī)定的報(bào)警值25mm，滿足規(guī)范要求。

圖14 開(kāi)挖3基坑周?chē)馏w沉降

3.2.4 地連墻墻頂豎直位移

地連墻墻頂?shù)呢Q向位移在圍護(hù)施工步驟中達(dá)到最大值，如圖15所示。地連墻墻頂最大豎向位移量為4.28mm，小于《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)中一級(jí)基坑規(guī)定的報(bào)警值10mm/0.001h，滿足規(guī)范要求。

圖15 圍護(hù)施工地連墻墻頂豎向位移

4 結(jié)論

(1)基坑開(kāi)挖施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道的沉降影響較小，不會(huì)產(chǎn)生明顯的隆起或沉陷。

(2)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，立柱最大沉降值為5.13mm，基坑開(kāi)挖施工對(duì)鄰近建筑物的沉降影響較小，不會(huì)產(chǎn)生明顯的沉降。

(3)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑開(kāi)挖施工對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道在X方向的位移影響很小，不會(huì)產(chǎn)生明顯的側(cè)移。

(4)基坑在開(kāi)挖后，坑底的最大回彈量為7.6mm，滿足規(guī)范要求。

以上模擬結(jié)果均滿足《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)的相關(guān)要求。初步判定該基坑設(shè)計(jì)合理，在標(biāo)準(zhǔn)的施工安排下是安全的。