李明輝

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

隨著我國(guó)各城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施加速建設(shè)，鄰近既有軌道交通建筑物的施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，因此采取一定的保護(hù)措施是非常有必要的。以基坑工程為例，從基坑開(kāi)挖至回筑整個(gè)施工工程改變既有軌道交通原有應(yīng)力場(chǎng)，開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致基底發(fā)生隆起，支護(hù)的變形直接影響既有軌道交通結(jié)構(gòu)的安全性。

場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件對(duì)基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，尤其對(duì)于軟粘土地層，支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有利于控制結(jié)構(gòu)變形。地下水位的變化也會(huì)對(duì)周圍環(huán)境與地基土的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。

基坑開(kāi)挖土體卸荷，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生向坑內(nèi)的位移，同時(shí)周邊土體發(fā)生沉降，地表結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形隨著基坑開(kāi)挖深度逐漸增大，變形過(guò)大會(huì)導(dǎo)致周邊建筑物發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或者破壞。

李澤基等等運(yùn)用Midas GTX NX有限元軟件分析了基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵車站及區(qū)間的變形規(guī)律，并得出結(jié)論，在基坑開(kāi)挖工程中采取必要的保障既有結(jié)構(gòu)的措施能夠有效減小既有結(jié)構(gòu)的變形，既有結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生明顯的隆起或沉陷。

既有軌道交通工程結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或不均勻沉降對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，在鄰近既有結(jié)構(gòu)施工時(shí)確保既有軌道交通工程結(jié)構(gòu)安全尤為重要，鄰近既有軌道交通工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，不但要確保新建工程安全，同時(shí)要考慮新建工程與既有軌道交通結(jié)構(gòu)間的相互影響。

文章以某軌道交通臨時(shí)風(fēng)道基坑鄰近既有軌道交通車站的基坑為工程背景，通過(guò)建立三維有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬從基坑開(kāi)挖至回筑全過(guò)程施工對(duì)既有軌道交通車站結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力影響。

1 工程概況

1.1 新建臨時(shí)風(fēng)道基坑概況

本項(xiàng)目新建臨時(shí)風(fēng)道共兩個(gè)基坑，分為I區(qū)基坑和II區(qū)基坑，其中I區(qū)基坑開(kāi)挖深度約為10 m，基底位于⑥3層砂質(zhì)粉土，采用明挖法施工?；游鱾?cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)借用既有軌道交通原有的0.8 m地下墻，墻長(zhǎng)27.5 m；基坑其余各側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用A850SMW工法樁，墻長(zhǎng)約20 m。II區(qū)基坑開(kāi)挖深度約為21 m，坑底位于⑨1層粉質(zhì)粘土，采用明挖法施工?；?xùn)|側(cè)利用主體1.4 m厚地下連續(xù)墻，墻長(zhǎng)約69 m；基坑南側(cè)、西側(cè)采用1.0 m厚地下連續(xù)墻；基坑北側(cè)采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，墻長(zhǎng)約51 m，隔斷?4粉砂層第二承壓含水層。

臨時(shí)風(fēng)道的I區(qū)、II區(qū)基坑緊鄰既有軌道交通車站主體結(jié)構(gòu)，基坑地連墻距車站主體地連墻凈距約0.5 m。

1.2 既有軌道交通車站結(jié)構(gòu)工程概況

既有車站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段為地下雙層雙跨，兩端設(shè)備段為雙層三跨，北端端頭井為單層三跨，南端端頭井為雙層三跨，換成結(jié)點(diǎn)為三層三跨鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)。

圖1 臨時(shí)風(fēng)道I區(qū)、II區(qū)基坑與既有車站平面位置關(guān)系

主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成共同受力的復(fù)合式結(jié)構(gòu)。車站頂板覆土厚度約3.0 m。車站主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)約204 m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)凈寬約18 m、凈高約10.6 m。

2 水文地質(zhì)

根據(jù)勘察資料，自上而下分別為人工填土層（Qml），厚度 1.40~4.30 m，全新統(tǒng)上組陸相沖積層（Q4 3al），厚度 1.90~4.30 m，全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42 m），厚度 7.80~9.60 m，全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層（Q41 h），厚度1.40~2.70 m，全新統(tǒng)下組陸相沖積層（Q4 1al），厚度 3.40~5.00 m。

3 計(jì)算模型建立

采用MADIS有限元分析軟件建立三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，模型以南北向?yàn)閅軸，東西向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閆軸建立三維模型計(jì)算分析，為消除模型邊界效應(yīng)，X軸方向取 350 m，Y軸方向取 300 m，Z軸方向取115 m。模型計(jì)算采用混合網(wǎng)格單元，共劃分單元 205 158個(gè)，節(jié)點(diǎn)91 527個(gè)。計(jì)算模型基本尺寸及相應(yīng)的位置關(guān)系見(jiàn)圖2、3。

圖2 整體模型示意圖

圖3 臨時(shí)風(fēng)道I區(qū)、II區(qū)基坑與既有車站空間位置關(guān)系

4 施工工況設(shè)定

在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，為方便計(jì)算對(duì)相關(guān)工序進(jìn)行合并計(jì)算，計(jì)算共分為 8個(gè)步驟完成，具體施工步驟見(jiàn)表1。

表1 臨時(shí)風(fēng)道基坑施工步序表

4.1 架設(shè)第四道支撐并開(kāi)挖至坑底

圖4 架設(shè)第四道支撐并開(kāi)挖至坑底內(nèi)力及變形云圖

5 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算分析可知：車站主體結(jié)構(gòu)豎向位移隨著土體開(kāi)挖卸荷，隨著開(kāi)挖深度的增大向上逐漸增大，當(dāng)開(kāi)挖至基底時(shí)達(dá)到最大值，隨著回筑結(jié)構(gòu)加荷，豎向位移逐漸減小。車站水平位移隨著開(kāi)挖深度增大先向基坑側(cè)發(fā)生變形，隨著基坑支撐架設(shè)又發(fā)生遠(yuǎn)離基坑側(cè)位移，當(dāng)回筑至頂板時(shí)，由于側(cè)壓力小于初始側(cè)壓力導(dǎo)致既有車站結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向水平位移。通過(guò)分析計(jì)算云圖可知，車站最大主應(yīng)力和既有車站結(jié)構(gòu)底板最大彎矩最大值在車站擴(kuò)大端位置處。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)既有軌道交通車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析得出如下結(jié)論：

（1）外部基坑工程作業(yè)施工會(huì)對(duì)近鄰的軌道交通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，會(huì)引起既有結(jié)構(gòu)變形。（2）采取及時(shí)架設(shè)支撐并控制開(kāi)挖速度可以有效控制既有結(jié)構(gòu)變形。（3）基坑開(kāi)挖一定程度上會(huì)導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的應(yīng)力變化和內(nèi)力重分布。主要表現(xiàn)為對(duì)既有車站端頭位置影響較大。

對(duì)施工過(guò)程中的建議：

（1）土體小應(yīng)變影響的三維數(shù)值分析能夠較好反映地下工程施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)體位移、變形的影響，其計(jì)算結(jié)果能夠與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)很好地吻合。但由于有限元模型及土體本構(gòu)關(guān)系的特點(diǎn)，計(jì)算值及影響范圍可能會(huì)與實(shí)際值有一定差異。應(yīng)最終以信息化施工、適時(shí)修正為指導(dǎo)施工的原則。

（2）施工過(guò)程中應(yīng)控制地面超載及堆載，地面施工荷載（堆載）。外部基坑施工場(chǎng)地的出土口及施工道路應(yīng)遠(yuǎn)離既有軌道交通結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，城市軌道交通結(jié)構(gòu)上方及旁側(cè)嚴(yán)禁超荷堆載。

（3）基坑工程應(yīng)遵循分區(qū)、分塊、分層、對(duì)稱、限時(shí)、先支撐后開(kāi)挖的原則，實(shí)行信息化施工?；娱_(kāi)挖應(yīng)采取分區(qū)分坑作業(yè)措施減小基坑開(kāi)挖體量。

（4）開(kāi)挖至坑底應(yīng)迅速封閉底板，減少坑底暴露時(shí)間，控制基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響。