劉 陽，張麗華

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

隨著城市交通的發(fā)展，地鐵已經(jīng)成為發(fā)達(dá)城市不可或缺的交通方式，其安全性也越來越被重視，伴隨著城市土地資源的進(jìn)一步開發(fā)利用，也為了交通便利，不可避免的會(huì)出現(xiàn)新建的基坑項(xiàng)目臨近既有地鐵，這對(duì)于地鐵的安全運(yùn)行將形成潛在的威脅。對(duì)于這方面的研究，我國學(xué)者從未停止，萬家和[1]在基坑支護(hù)方案滿足變形要求的前提下，通過有限元軟件建立了三維地層結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在變形控制值的基礎(chǔ)上考慮其安全系數(shù)，評(píng)估了地鐵的隧道和軌道的安全狀態(tài);劉繼強(qiáng)等[2]研究了在基坑群開挖影響狀態(tài)下臨近運(yùn)營地鐵隧道的隆起變形規(guī)律，并給出了變形控制措施；李浩波等[3]在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,對(duì)基坑開挖卸荷及建筑結(jié)構(gòu)施工加載過程中鄰近地鐵隧道及軌道結(jié)構(gòu)的變形和軌道幾何形位變化進(jìn)行研究，并得出隨著建筑物高度的增加,地鐵軌道豎向位移恢復(fù)量逐步增加,而水平位移和軌道幾何形位變化基本趨于穩(wěn)定的結(jié)論；柴學(xué)成[4]在數(shù)值模擬不同工況下基坑開挖順序,研究了基坑與隧道相對(duì)位置對(duì)軌道結(jié)構(gòu)及幾何形位的影響規(guī)律。本文通過MIDAS/GTS軟件對(duì)基坑項(xiàng)目和既有地鐵附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地鐵附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全影響分析。

1 工程概況

1.1 新建基坑概況

本項(xiàng)目規(guī)劃建筑用地面積38200 m2，總建筑面積181500 m2，主要由辦公樓、規(guī)劃展覽館、裙房、下沉庭院、地下車庫等建構(gòu)筑物組成。地上建筑面積100500 m2，地下建筑面積81000 m2，本工程基坑開挖深度約14.5～15.0 m，采用“上部0.50 m放坡+下部樁錨”支護(hù)體系進(jìn)行支護(hù)。

新建基坑位于既有地鐵北側(cè)，采用明挖法施工，基坑面積約為27000 m2?；优c地鐵站區(qū)間結(jié)構(gòu)最小水平凈距約為34.18 m，與車站主體結(jié)構(gòu)最小水平凈距約為33.30 m，因此對(duì)基坑變形控制的要求比較高。

基坑鄰近地鐵區(qū)間處的基底埋深位于地鐵區(qū)間隧道底部以上約2.46～3.01 m，鄰近車站處的基底埋深位于地鐵車站底板以上約3.44～4.59 m，鄰近4#出入口、1#安全口處的基底埋深比出入口、安全口底板最低處埋深略深?；渝^索與既有地鐵主體結(jié)構(gòu)、區(qū)間結(jié)構(gòu)、4#出入口結(jié)構(gòu)、1#安全口結(jié)構(gòu)最小水平凈距分別約為7.21 m、5.16 m、9.24 m、4.10 m。新建基坑與既有地鐵位置關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 基坑與既有地鐵位置關(guān)系圖

1.2 既有地鐵概況

既有地鐵車站為地下二層三跨島式站臺(tái)車站，長(zhǎng)286.4 m，寬為20.8 m，有效站臺(tái)長(zhǎng)158 m，寬為12 m。車站附屬結(jié)構(gòu)包含4個(gè)出入口，一個(gè)安全疏散通道和兩個(gè)風(fēng)道，風(fēng)道結(jié)構(gòu)位于車站端部。車站結(jié)構(gòu)總平面見圖2。車站主體覆土約2.7 m～3.5 m，采用明挖法施工，圍護(hù)樁+內(nèi)支撐支護(hù)。距離本次新建地塊較近的附屬結(jié)構(gòu)為4#出入口(A出入口)和1#安全口，既有4#出入口(A出入口)采用明挖法施工，圍護(hù)樁+內(nèi)支撐支護(hù)，出入口結(jié)構(gòu)長(zhǎng)約46.4 m，凈寬為6.0 m，拱頂埋深最深約5.1 m，其中人防段長(zhǎng)11.3 m，凈寬為7.5 m，拱頂埋深約為4.95 m。

圖2 車站結(jié)構(gòu)總平面圖

1#安全口采用明挖法施工，土釘墻支護(hù)，安全口結(jié)構(gòu)長(zhǎng)約46.4 m，凈寬為6.0 m，埋深最深約5.1 m，其中人防段長(zhǎng)11.3 m，凈寬為7.5 m，拱頂埋深約為4.95 m。

2 數(shù)值模擬

對(duì)于新建場(chǎng)地的地質(zhì)情況，在結(jié)合相關(guān)土工試驗(yàn)結(jié)果和勘測(cè)部門的勘探資料的前提下，得出局部地層巖土特性及相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 局部地層巖土特性

本工程采用MIDAS/GTS有限元軟件對(duì)既有地鐵附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，MIDAS/GTS是一款可以模擬巖土及隧道工程的有限元分析軟件，它可以對(duì)較為復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行可被觀測(cè)的直觀建模[5]，也可以方便地方便地觀察所建模型在應(yīng)力應(yīng)變及位移方面的變化趨勢(shì)。土層及結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 材料的物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表

假設(shè)各土層為均質(zhì)且水平分布且只考慮既有地鐵正常使用情況的前提下，利用MIDAS/GTS進(jìn)行建模，選取模型的上邊界為地表，取地表為自由邊界，其他各面約束法向變形，將圍護(hù)樁等效為相同剛度的地下連續(xù)墻[6]，共劃分90187個(gè)單元和40587個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型網(wǎng)格如圖3所示，基坑為粉色部分。施工階段定義步驟為：計(jì)算初始地應(yīng)力和做初始位移清零工作；開挖至基坑頂部3.5 m處；做圍護(hù)樁和第一道錨索；開挖至第二道錨索下方0.5 m處，施做第二道錨索；開挖至第三道錨索下0.5 m處，施做第三道錨索；開挖至基底；完成基坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)；施加等效荷載。圖4為開挖至基底效果圖，圖中右上方紫色部分為施工基坑，圍繞基坑的深黃色部分為等效的地下連續(xù)墻，左下方紫色為盾構(gòu)區(qū)間隧道，藍(lán)色部分為車站主體，基坑與車站中間部分是A出入口和1#安全口。

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格圖

圖4 開挖至基底效果圖

3 地鐵附屬結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)分析

3.1 出入口及安全口變形預(yù)測(cè)分析

通過數(shù)值模擬，計(jì)算得到既有地鐵A出入口及1#安全口結(jié)構(gòu)最大豎向位移云圖如圖5(a)和5(b)所示。

圖5 最大豎向位移云圖

本工程新建結(jié)構(gòu)基底比既有地鐵A出入口、1#安全口最低處地埋深略深，出入口、安全口結(jié)構(gòu)整體應(yīng)發(fā)生豎向下沉、水平朝向基坑開挖側(cè)的變形，由于出入口、安全口結(jié)構(gòu)整體剛度較大，并且結(jié)構(gòu)各方向形狀不規(guī)則，因此結(jié)構(gòu)可能發(fā)生整體的傾斜，即靠近結(jié)構(gòu)重心的一側(cè)發(fā)生豎向下沉、水平朝向基坑開挖側(cè)變形的同時(shí)，遠(yuǎn)離重心一側(cè)可能發(fā)生豎向上浮、水平朝向背離基坑開挖側(cè)變形。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，A出入口豎向位移最大值為0.349123，最小值為-0.149165，1#安全口豎向位移最大值為0.783847，最小值為0.0708538。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單位對(duì)出入口和安全口電扶梯基點(diǎn)豎向位移的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取4個(gè)具代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)的電扶梯基點(diǎn)豎向位移累計(jì)變化量-時(shí)間曲線圖如圖6所示。由數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可得A出入口和1#安全口的最大豎向位移均在可接受范圍內(nèi)。

圖6 電扶梯基點(diǎn)豎向位移累計(jì)變化量-時(shí)間曲線圖

3.2 變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)分析

通過數(shù)值模擬，計(jì)算得到車站主體與附屬結(jié)構(gòu)變形縫處水平差異變形云圖如圖7(a)和7(b)所示，車站主體與附屬結(jié)構(gòu)變形縫處豎向差異變形云圖如圖8(a)和8(b)所示。

圖7 車站主體與附屬結(jié)構(gòu)變形縫處水平差異變形云圖

圖8 車站主體與附屬結(jié)構(gòu)變形縫處豎向差異變形云圖

由于車站主體結(jié)構(gòu)與出入口、安全口結(jié)構(gòu)剛度相差較大，變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生相對(duì)的錯(cuò)動(dòng)變形。變形縫位置的A出入口、1#安全口結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生豎向下沉變形，對(duì)應(yīng)A出入口位置的變形縫主體結(jié)構(gòu)一側(cè)豎向發(fā)生下沉變形，對(duì)應(yīng)1#安全口位置的變形縫主體結(jié)構(gòu)一側(cè)豎向發(fā)生上浮變形。變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)在水平方向均產(chǎn)生朝向基坑開挖側(cè)的變形。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及上述理論分析，本次數(shù)值模擬變形預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。

本工程在降水井和既有地鐵之間采用高壓旋噴樁隔水帷幕，隔水帷幕伸入隔水層，根據(jù)降水計(jì)算結(jié)果，本工程降水對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形影響最大值為沉降1 mm，考慮降水影響后的既有地鐵結(jié)構(gòu)位移預(yù)測(cè)值見表3。施工理想情況下，場(chǎng)區(qū)降水對(duì)地鐵影響可以忽略，為安全儲(chǔ)備[7]，即不考慮隔水帷幕的隔水作用下，場(chǎng)區(qū)降水對(duì)地鐵的變形影響仍在安全可控范圍內(nèi)。

表3 考慮降水后的位移值預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)表

3.3 變形控制指標(biāo)

在考慮現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器精度的前提下，結(jié)合既有地鐵運(yùn)營的安全要求以及上述位移值的預(yù)測(cè)的前提下，確定本新建深基坑工程在施工期間對(duì)既有地鐵附屬結(jié)構(gòu)的變形控制值，見表4，并將控制值的70%作為預(yù)警值，80%作為報(bào)警值[8]。

表4 地鐵附屬結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)(單位：mm)

4 結(jié)論

(1) 因新建臨近地鐵基坑項(xiàng)目，既有地鐵附屬結(jié)構(gòu)A出入口、1#安全口結(jié)構(gòu)位移發(fā)生改變，通過有限元軟件模擬，在基坑開挖至基底的過程中，其位移量較小且都在既有附屬結(jié)構(gòu)的可承受范圍內(nèi)，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也論證了這一點(diǎn)，則既有地鐵附屬結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定且安全的狀態(tài)。

(2) 通過數(shù)值模擬軟件可觀察到車站主體與附屬結(jié)構(gòu)變形縫處發(fā)生細(xì)微的沉降差異變形，降水對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形影響最大值為沉降1 mm，在考慮降水條件下，發(fā)生的沉降差異對(duì)既有地鐵構(gòu)不成結(jié)構(gòu)安全隱患，即既有地鐵變形縫結(jié)構(gòu)為理想安全狀態(tài)。

(3) 在實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支持下，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果可靠，正常的施工作業(yè)情況下，新建臨近地鐵的深基坑項(xiàng)目不會(huì)對(duì)地鐵附屬結(jié)構(gòu)造成不良影響，所模擬的結(jié)構(gòu)部位安全。