黃文輝

（中鐵四局集團第三建設(shè)有限公司，天津 300163）

0 引言

隨著城市地下空間的發(fā)展，越來越多的地下工程將會對現(xiàn)有地下工程造成影響[1-3]。深基坑開挖將引起緊鄰既有地下工程的變形，這是一個十分復(fù)雜的過程，首先開挖釋放出臨空面，引起應(yīng)力變化，繼而引起隧道變形，其內(nèi)部應(yīng)力場分布、位移場特征和影響因素非常復(fù)雜。目前，還沒有一個較成熟且合理的理論來表征這種變形[4-5]。采用數(shù)值模擬手段在工程施工前對可能產(chǎn)生的不利影響作出評估，是安全、高效擴展城市地下空間的重要手段[6-7]。為了得到有根據(jù)、有可靠性的評估結(jié)果，需要選擇合適的模擬方法、建立與實際情況足夠相似的模型。

1 工程概況

擬建工程為一緊鄰地鐵車站的泵站深基坑。基坑擬采用明挖法施工，東西向長約31m，南北向?qū)捈s22.45m，深16.05m。擬建泵站基坑位于某地鐵站西側(cè)，雨水泵站基坑支護結(jié)構(gòu)（護坡樁）距地鐵站地下結(jié)構(gòu)最小距離約41.17m，雨水泵站基坑支護結(jié)構(gòu)（護坡樁）距離地鐵站護坡樁最小距離約40.16m，泵站基坑槽底比地鐵車站底板淺約11.5m，基坑臨時封底標(biāo)高比車站頂板深約2.0m。

2 影響評估

2.1 評估思路

在前期通過搜集、整理有關(guān)地質(zhì)情況；隨后根據(jù)工程的狀況開展檢測分析；最后通過數(shù)值分析，預(yù)估開挖造成的地鐵車站及區(qū)間軌道的變形，以此來綜合評價車站結(jié)構(gòu)是否安全，地鐵軌道是否可以安全運行。對于地下工程，主要采用兩種簡化的力學(xué)計算模型[8-10]：一是連續(xù)介質(zhì)模型，也稱地層-結(jié)構(gòu)模型，即將地層與工程結(jié)構(gòu)同時視為計算范圍，考慮地層與結(jié)構(gòu)的共同作用，多用于多個結(jié)構(gòu)與地層協(xié)調(diào)變形的分析；二是作用-反作用模型，也稱荷載-結(jié)構(gòu)模型，該模型只以建筑物作為計算對象，將地層中的巖土體視為對支護結(jié)構(gòu)的荷載源，多用于結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力場及位移場的分析。在該工程中，深基坑開挖引起的地下結(jié)構(gòu)變形是依靠地層關(guān)系來體現(xiàn)的，因此采用地層-結(jié)構(gòu)模型進行變形分析。

目前，常采用有限元方法、有限差分法等來進行地層-結(jié)構(gòu)模型的分析?；谠擁椖磕Ｐ瓦B續(xù)、小位移的特點，采用有限元方法，計算重點是基坑及管線施工過程對地鐵結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響。得到位移結(jié)果后，根據(jù)安全要求，提出基坑及管線施工時控制地鐵車站與軌道的位移監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和施工措施。

2.2 模型建立

考慮基坑開挖影響范圍，三維評估模型范圍為：沿既有地鐵線路方向長度150m，線路法向方向200m，土層厚度60m。新建結(jié)構(gòu)包括擬建管線開槽及頂管豎井，既有結(jié)構(gòu)包括地鐵高架區(qū)間及地鐵暗挖區(qū)間。評估范圍示意圖和模型示意圖如圖1 所示。

圖1 三維模型示意圖

該計算模型中地下巖土體采用實體單元模擬，針對土層分層，賦予各不同土層以不同的材料力學(xué)參數(shù)。模擬邊界條件的選取時，采用位移邊界條件，頂面取為自由邊界，不施加任何自由度約束；其他則限制法向位移的自由度。計算荷載考慮以下方面，第一，地鐵結(jié)構(gòu)自重；第二，巖土體自重應(yīng)力；第三，考慮地面各個結(jié)構(gòu)，超20kPa。在本構(gòu)公式的選取與各個部分材料力學(xué)參數(shù)的選擇上：對于混凝土材料構(gòu)筑的車站主體部分，使用線彈性本構(gòu)構(gòu)筑剛度矩陣；對于各層中巖土體，則采用D-P 本構(gòu)模型。安全評估按最不利情況分析施工對既有線的影響，模擬分三步進行：第一步完成泵站開挖施工；第二步完成出水管東西向地鐵車站主體；第三步完成管線鄰近上穿西北風(fēng)道。

2.3 模擬結(jié)果

在確定上述材料本構(gòu)關(guān)系與力學(xué)參數(shù)后，施加合適的邊界條件。下一步將分析各工序下車站隧道結(jié)構(gòu)的橫向位移和豎向位移。為了反映目標(biāo)地鐵結(jié)構(gòu)的位移情況及規(guī)律，對各階段在施工完成后既有結(jié)構(gòu)的位移云圖進行研究，分析既有結(jié)構(gòu)的位移結(jié)果和規(guī)律。著重對地鐵高架區(qū)間、暗挖隧道區(qū)間和車站主體部分等重點結(jié)構(gòu)進行模擬分析，如圖2-圖5 所示，模擬結(jié)果分析如下：

圖2 高架區(qū)間變形云圖

圖3 暗挖結(jié)構(gòu)變形云圖

圖4 車站主體結(jié)構(gòu)變形云圖

圖5 車站變形云圖

第一，地鐵高架構(gòu)造的豎向位移最大值計算結(jié)果為0.395mm，方向向上，發(fā)生在鄰近管線側(cè)橋梁墩臺；橫橋向橫向位移最大值計算結(jié)果為0.314mm，順橋向橫向變形最大值計算結(jié)果為0.157mm，偏向管線開挖側(cè)，發(fā)生在鄰近管線側(cè)橋梁墩臺。

第二，間暗挖結(jié)構(gòu)豎向位移最大值計算結(jié)果為0.224mm，方向向上，發(fā)生在穿越位置區(qū)間側(cè)墻；同時，橫橋向橫向變形最大值計算結(jié)果為0.116mm，位置處于偏向管線開挖側(cè)，發(fā)生在穿越位置區(qū)間側(cè)墻。

第三，站后折返線區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向變形位移最大值計算結(jié)果為0.581mm，方向向上，最大位移處在穿越位置區(qū)間側(cè)墻；橫橋變形最大值計算結(jié)果為0.404mm，其位置傾向于管線開挖側(cè)，最大位移處在穿越位置區(qū)間側(cè)墻。既有車站主體結(jié)構(gòu)豎向變形最大值為計算結(jié)果為0.046mm，方向向上，最大位移處在穿越位置車站側(cè)墻；橫橋變形最大值計算結(jié)果為0.039mm，傾向于管線開挖側(cè)，發(fā)生在穿越位置車站側(cè)墻。

第四，另一既有車站結(jié)構(gòu)的豎向變形最大值計算結(jié)果為0.381mm，方向向上，發(fā)生在完成開挖卸載階段，位于鄰近基坑開挖側(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)墻。1 號風(fēng)道及側(cè)墻結(jié)構(gòu)的豎向變形最大值為1.17mm，上浮，發(fā)生在完成開挖卸載階段。

2.4 模擬結(jié)果評估

在建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型后，對地鐵車站結(jié)構(gòu)與軌道的位移進行有限元計算分析可以得出豎向變形和橫向變形位移，以及相應(yīng)的變形云圖，通過分析得出如下結(jié)論：第一，依據(jù)對可能存在危險的點進行分析，水泵站基坑工程會引起現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu)及軌道的變形位移，經(jīng)計算分析，該變形值較小，在地鐵運營安全容許范圍內(nèi)。第二，施工時監(jiān)測措施與評估結(jié)果相比對研究，可確保地鐵系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

2.5 監(jiān)測結(jié)果耦合

項目開展后，在典型位置處的結(jié)構(gòu)布置監(jiān)測點進行長期位移監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果隨時間變化如圖6 所示。

圖6 位移監(jiān)測結(jié)果圖

位移監(jiān)測結(jié)果均處于預(yù)警值之內(nèi)，同時也略小于數(shù)值模擬估計值，符合有限元方法離散化過程中添加內(nèi)部自由度約束導(dǎo)致結(jié)果偏大的特點。位移監(jiān)測數(shù)據(jù)充分說明了前期模擬的準(zhǔn)確性與安全預(yù)留上的可靠性。

3 結(jié)語

通過對未開始施工的深挖基坑項目進行數(shù)值模擬，評估其對現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)可能造成的影響，提供有效的項目評估依據(jù)。數(shù)值模擬方法為后續(xù)項目的監(jiān)控量測、施工工作提供了一定的參考與建議，評估結(jié)果與后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)相匹配、相符合。