陳俊孌 張益 白尊銘 張貴保 路開誠(chéng)

（1 中鐵建工集團(tuán)有限公司；2 東莞市建筑科學(xué)研究院有限公司）

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化建設(shè)程度不斷提高，城市地下空間的開發(fā)規(guī)模和強(qiáng)度也日趨月異。隨著地下空間的開發(fā)，勢(shì)必會(huì)對(duì)既有地鐵隧道及其周邊環(huán)境帶來影響。深基坑工程開挖時(shí)，往往會(huì)對(duì)臨近地鐵隧道的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重時(shí)可能造成危害。國(guó)內(nèi)外在臨近地鐵隧道的深基坑工程施工過程，曾出現(xiàn)因地質(zhì)條件復(fù)雜，支護(hù)措施選擇不當(dāng)，施工措施不到位而引起既有運(yùn)營(yíng)地鐵隧道變形過大，造成隧道漏水、漏泥等工程事故，嚴(yán)重影響地鐵隧道的安全和正常運(yùn)營(yíng)[1～3]。因此進(jìn)行深基坑開挖對(duì)臨近既有地鐵隧道的影響研究十分必要。

1 工程概況

擬建深基坑位于東莞市南城國(guó)際商務(wù)區(qū)核心位置，基坑?xùn)|北側(cè)為緯七路，道路下方敷設(shè)為既有廣惠城際線西平西站城際車站及區(qū)間隧道，東南側(cè)東莞大道為東莞市主干道，道路下方敷設(shè)為東莞地鐵2 號(hào)線西平站及既有區(qū)間隧道，北側(cè)為規(guī)劃經(jīng)三路，道路下方為規(guī)劃東莞地鐵6 號(hào)線車站，其與基坑同步開挖施工，西側(cè)為規(guī)劃緯八路及東莞市中心公園，道路下方為規(guī)劃東莞地鐵8號(hào)線車站，其與基坑同步開挖施工。周邊環(huán)境如圖1。

圖1 周邊環(huán)境

基坑總基底平面面積約72350m2，基坑基底總長(zhǎng)度1290m，基坑深度17.8～30m，采用明挖法施工?？拷请H車站及區(qū)間的東北側(cè)及地鐵2 號(hào)線車站及區(qū)間的東南側(cè)采用四排樁+樁間連接板撐方案（如圖2～圖4 所示）。外側(cè)第二排、第三排和第四排圍護(hù)樁采用?1000@1200 鉆孔灌注樁，外側(cè)第一排采用φ1200@1600 葷樁+φ1000@1600 素 樁/φ1000@1400 葷 樁+φ1000@1400 素樁的咬合樁。西北側(cè)與地鐵6 號(hào)線基坑合建，采用二級(jí)放坡+排樁支護(hù)方案，排樁采用φ1000@1400 葷樁+φ 1000@1400 素樁的咬合樁，部分段采用雙排樁間距3m。西南側(cè)與地鐵8 號(hào)線基坑合建，采用二級(jí)放坡+咬合樁+內(nèi)支撐支護(hù)方案，咬合樁采用φ1000@1400 葷樁+φ 1000@1400 素樁，支撐采用700X1000 混凝土支撐，坡面上坡頂采用φ850@600的三軸攪拌樁進(jìn)行止水。

圖2 基坑支護(hù)平面布置圖

圖3 鄰地鐵典型支護(hù)斷面（7-7剖面）

圖4 鄰地鐵典型支護(hù)斷面（11-11剖面）

項(xiàng)目所處地層自上而下依次為：素填土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化混合巖、強(qiáng)風(fēng)化混合巖（土狀）、強(qiáng)風(fēng)化混合巖（塊狀）、中風(fēng)化花崗巖。

2 有限元建模

計(jì)算模擬區(qū)域以軌道交通R2 線西平站及兩側(cè)相接盾構(gòu)隧道沿線進(jìn)行基坑開挖支護(hù)工程建模，范圍（剖面5-5 至剖面11-11）包括新建開挖基坑和軌道交通R2 線西平站及前后兩側(cè)相接區(qū)間盾構(gòu)隧道?？紤]到施工過程中的空間效應(yīng)，三維計(jì)算分析地層-基坑-軌道交通R2 線西平車站及隧道模型見圖5。基于現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)條件，為了充分考慮基坑開挖的影響范圍，且消除模型邊界效應(yīng)，確保三維模型有足夠的計(jì)算精度并保證計(jì)算效率，最終三維模型尺寸選擇為120m（寬）×325m（長(zhǎng)）×60m（深），主要模擬了基坑開挖對(duì)既有軌道交通R2 線西平站及前后兩側(cè)相接盾構(gòu)隧道的影響，模型中地層土體、巖體、軌道交通R2 線西平站車站主體、附屬結(jié)構(gòu)及前后兩側(cè)相接區(qū)間隧道、基坑開挖及回填土體均采用3D 實(shí)體單元模擬，軌道交通R2 線軌道采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。鉆孔灌注樁采用板單元進(jìn)行模擬，樁頂冠梁、樁間腰梁采用梁?jiǎn)卧M，樁間連接板采用0.4m 厚2D 板單元模擬，土釘采用植入式桁架單元模擬，噴射混凝土采用板單元模擬。模型中素填土、粘土、砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖采用修正莫爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型[4～7]，中風(fēng)化花崗巖采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算（見表1）；其他結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型[4～7]（見表2）。整體模型如圖5所示。

表1 巖土層技術(shù)參數(shù)表

圖5 有限元模型

基坑整體采用“順作法”進(jìn)行施工，確定其工況如下（圖6～圖9）：

圖6 初始地應(yīng)力平衡

圖7 有狀態(tài)模擬

圖8 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工

圖9 基坑開挖施工

⑴初始地應(yīng)力平衡：將模型內(nèi)初始狀態(tài)參與計(jì)算的各土層及初始邊界，承受自重達(dá)到平衡狀態(tài)，并將其位移清零。

⑵既有狀態(tài)模擬：R2 線西平站車站及前后兩側(cè)相接區(qū)間盾構(gòu)隧道作為既有構(gòu)筑 物參與基礎(chǔ)階段計(jì)算，在模擬中不體現(xiàn)施工工藝，僅將結(jié)構(gòu)體激活，為避免既有結(jié)構(gòu)的施工對(duì)后期計(jì)算造成影響，將該階段位移清零。

⑶基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工：激活圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)，施加基坑周圍施工荷載和地面超載。

⑷基坑開挖施工：因基坑最大深度17.3m，擬分7次開挖，每次開挖深度不大于3m，從上至下按順序鈍化各部分基坑開挖土體，同時(shí)激活相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

⑴、⑵分析步為基坑開挖前對(duì)地層應(yīng)力進(jìn)行儲(chǔ)存，并對(duì)軌道交通R2 線西平站及兩側(cè)相接區(qū)間盾構(gòu)隧道沉降進(jìn)行清零，其后分析步驟反映了基坑開挖對(duì)軌道交通R2 線西平站及兩側(cè)相接盾構(gòu)隧道橫向變形、沉降及應(yīng)力變化的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 地鐵主體結(jié)構(gòu)變形分析

由有限元軟件計(jì)算得到的工況⑷基坑完全開挖后車站主體結(jié)構(gòu)的豎向不均勻沉降值、橫向位移值、縱向位移值的位移云圖（圖10、圖11、圖12）可知，開挖到基坑底時(shí)，車站主體結(jié)構(gòu)的豎向不均勻沉降為1.2mm，橫向位移（垂直車站方向）為0.25mm，縱向位移為（沿車站方向）為0.48mm。說明以多排支護(hù)樁為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑，其整體剛度大，支護(hù)效果好，基坑開挖對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)的變形影響小。

圖10 開挖完底車站結(jié)構(gòu)豎向不均勻沉降位移云圖

圖11 開挖完車站結(jié)構(gòu)橫向位移云圖

圖12 開挖完車站結(jié)構(gòu)縱向位移云圖

3.2 地鐵主體結(jié)構(gòu)變形分析

由有限元軟件計(jì)算得到的工況⑷基坑完全開挖后地鐵2 號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道豎向不均勻沉降值、橫向位移值、縱向位移值的位移云圖（圖13、圖14、圖15）可知，開挖到基坑底時(shí)，車站主體結(jié)構(gòu)的豎向不均勻沉降為1.17mm，橫向位移（垂直車站方向）為1.10mm，縱向位移為（沿車站方向）為0.37mm。說明以多排支護(hù)樁為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑，其整體剛度大，支護(hù)效果好，基坑開挖對(duì)臨近地鐵2號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形影響小。

圖13 開挖完區(qū)間盾構(gòu)豎向不均勻沉降位移云圖

圖14 開挖完區(qū)間盾構(gòu)橫向位移云圖

圖15 開挖完區(qū)間盾構(gòu)縱向位移云圖

4 結(jié)論

⑴根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，基坑開挖后周圍土層的變形以卸荷回彈變形為主，具體表現(xiàn)為：在基坑側(cè)壁表現(xiàn)為指向基坑內(nèi)的法向變形，在基坑底部表現(xiàn)為回彈變形。鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的變形則表現(xiàn)為：地鐵結(jié)構(gòu)向基坑方向側(cè)移，并向下沉降。

⑵通過3D 有限元數(shù)值模擬分析，以多排樁為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑工程在基坑開挖到底階段，軌道交通車站結(jié)構(gòu)豎向沉降量、橫向位移量和縱向位移量最大值分別為1.2mm、0.25mm、0.48mm；地鐵2 號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道豎向沉降量、橫向位移量和縱向位移量最大值分別為1.17mm、1.10mm、0.37mm；

⑶在以多排支護(hù)樁為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑工程，由于支護(hù)體系整體剛度大，整體性好，基坑開挖不會(huì)對(duì)臨近城市快速軌道交通造成影響，可有效保障城市快速軌道交通正常運(yùn)行。也較好驗(yàn)證了多排樁在臨近軌道交通設(shè)施的深基坑工程有較好的支護(hù)效果。