隋偉 劉鵬飛 劉天宇 翟文娟 董元濱

摘要 基于 MIDAS_GTS_NX 軟件，文章對(duì)某復(fù)雜周邊環(huán)境條件下裙房基坑項(xiàng)目施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行模擬，分析施工全過程中地鐵隧道、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及既有建筑物的位移和受力情況，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)、既有建筑物的安全性進(jìn)行評(píng)估并對(duì)基坑支護(hù)方案可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明復(fù)雜周邊環(huán)境條件下地鐵隧道安全評(píng)估采用MIDAS_GTS_NX軟件進(jìn)行計(jì)算分析能夠貼近工程實(shí)際情況，評(píng)估方法可行。

關(guān)鍵詞 安全評(píng)估；復(fù)雜周邊環(huán)境；數(shù)值模擬；地鐵隧道

中圖分類號(hào) U231文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）05-0007-03

0 引言

隨著我國(guó)地鐵工程建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵與周邊建筑物近接施工已不可避免，地鐵隧道下穿及側(cè)穿建筑物或土建工程近接既有地鐵隧道施工成為一種工程建設(shè)的常見現(xiàn)象，地鐵隧道安全評(píng)估是確保地鐵結(jié)構(gòu)安全、控制工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)的有效措施[1]?，F(xiàn)采用MIDAS_GTS_NX有限元分析軟件模擬復(fù)雜周邊環(huán)境條件下某城市超高層項(xiàng)目施工對(duì)臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全影響分析[2-3]。

1 概述

1.1 工程概況

某市平安金融中心項(xiàng)目由1棟360 m超高層塔樓和裙房組成。塔樓地下3層，地上62層，平面尺寸45.6 m

×45.3 m，與塔樓相連的裙房地下3層，地上4層?，F(xiàn)塔樓已施工至200 m以上，裙房基坑尚未開挖。地面整平標(biāo)高80.5 m，裙房基坑開挖深度約18.3 m。

項(xiàng)目北側(cè)市政道路下建有商業(yè)結(jié)構(gòu)，商業(yè)結(jié)構(gòu)地下2層（局部1層），靠近超高層項(xiàng)目一側(cè)采用雙排鉆孔灌注樁，遠(yuǎn)離超高層項(xiàng)目一側(cè)采用三排鉆孔灌注樁，目前商業(yè)結(jié)構(gòu)已完成土建施工。

商業(yè)結(jié)構(gòu)下方為地鐵隧道，隧道采用礦山法施工，現(xiàn)已完成初支施工，尚未進(jìn)行二襯施工。裙房基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道結(jié)構(gòu)最小凈距約為6.6 m。該項(xiàng)目平面位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地位于山前傾斜平原地貌單元。場(chǎng)區(qū)地層分別為①素填土、①-1雜填土、②黃土狀粉質(zhì)黏土、②-1碎石、③粉質(zhì)黏土、④碎石、④-1膠結(jié)礫巖、④-2粉質(zhì)黏土、⑤-1強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r、⑤-2中風(fēng)化石灰?guī)r、⑤-3中風(fēng)化石灰?guī)r、⑤-4巖溶、⑤-5全風(fēng)化泥灰?guī)r、⑤-6強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r。

勘察期間勘察深度內(nèi)未揭示地下水。搜集區(qū)域水文地質(zhì)資料，場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)地下水類型為碳酸鹽裂隙巖溶水，地下水水位埋深較深。根據(jù)調(diào)查區(qū)域水文地質(zhì)資料及周邊工程資料，該場(chǎng)地裂隙巖溶水水位標(biāo)高可按30～40 m考慮，水位變化幅度10～15 m。

1.3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基坑北側(cè)采用錨桿+鋼管樁支護(hù)方案，現(xiàn)狀開挖面（高程70 m）以上緊貼地下商業(yè)結(jié)構(gòu)側(cè)墻開挖，現(xiàn)狀開挖面至坑底采用錨桿+鋼管樁支護(hù)方案，設(shè)置1道錨桿、1道冠梁、1排鋼管樁。樁頂冠梁寬450 mm，高450 mm。錨桿水平間距1 m，孔徑150 mm，桿材為公稱直徑25 mm的HRB400級(jí)鋼筋，向下與水平面的夾角為15 °，長(zhǎng)度9 m。鋼管樁型號(hào)為Φ219×10，樁間距500 mm，注純水泥漿，嵌入坑底以下2 m?；颖眰?cè)剖面圖如圖2所示。

基坑?xùn)|側(cè)及南側(cè)采用預(yù)應(yīng)力錨索+圍護(hù)樁支護(hù)方案，基坑設(shè)置5道預(yù)應(yīng)力錨索、1道冠梁、5道腰梁、1排圍護(hù)樁。冠梁尺寸1 100 mm×800 mm。腰梁采用材質(zhì)為Q235B鋼材的雙拼25a槽鋼。圍護(hù)樁直徑900 mm，樁間距1 800 mm，樁底標(biāo)高57.2 m?；?xùn)|側(cè)及南側(cè)剖面圖如圖3所示。

1.4 區(qū)間隧道設(shè)計(jì)

隧道初支采用300 mm厚的C25噴射早強(qiáng)混凝土，二襯采用400 mm厚C40模筑鋼筋混凝土。隧道斷面設(shè)計(jì)如圖4所示。

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型

考慮基坑開挖施工過程的復(fù)雜性，采用MIDAS_GTS_NX有限單元法三維建模進(jìn)行應(yīng)力分析及變形分析。本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫(kù)倫屈服模型，采用板單元模擬隧道襯砌結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注圍護(hù)樁、各層樓板等采用板單元建模，樁基采用植入式梁?jiǎn)卧?，錨索及錨桿采用植入式桁架單元。土體邊界自基坑外邊線向外擴(kuò)3～5倍基坑深度，土體建模X方向總長(zhǎng)277 m；土體建模Y方向總長(zhǎng)239 m；土體建模Z方向總長(zhǎng)66 m。地基支承邊界條件為模型底部限制X、Y、Z三個(gè)方向位移，模型四周限制法向位移。圍護(hù)結(jié)構(gòu)Φ219×10的鋼管樁，樁間距500 mm，注純水泥漿，利用等剛度原理可轉(zhuǎn)換為厚度為139 mm的地下連續(xù)墻；圍護(hù)結(jié)構(gòu)直徑900@1 500鉆孔灌注樁，利用等剛度原理可轉(zhuǎn)換為厚度為594 mm的地下連續(xù)墻。巖土參數(shù)表如表1所示，結(jié)構(gòu)材料屬性表如表2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，荷載采用樁頂集中力和筏板頂面均布荷載施加方式，平安塔樓樁頂荷載按20 000+50 000 kN

輸入；地下室筏板頂面荷載按50+150 kN輸入；計(jì)算基坑筏板頂面荷載按200 kN輸入。隧道及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型圖如圖5所示。

2.2 工況設(shè)置

（1）工況1：初始應(yīng)力場(chǎng)。

（2）工況2：既有商業(yè)結(jié)構(gòu)、塔樓施工，位移清零。

（3）工況3：隧道施工，位移清零。

（4）工況4：圍護(hù)樁施工，基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)樁施工。

（5）工況5：第一步開挖，第一道腰梁、錨索、冠梁施工。

（6）工況6：第二步開挖，第二道腰梁、錨索施工。

（7）工況7：第三步開挖，第三道腰梁、錨索施工。

（8）工況8：第四步開挖，第四道腰梁、基坑北側(cè)鋼管樁施工、錨桿施工。

（9）工況9：第五步開挖，第五道腰梁、第四道錨索施工。

（10）工況10：第六步開挖，第六道腰梁、第五道錨索施工。

（11）工況11：開挖至基坑底。

（12）工況12：商業(yè)裙房結(jié)構(gòu)施工。

（13）工況13：土體回填。

（14）工況14：塔樓未建部分施工，施加上部荷載。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 鋼管樁水平位移

基坑北側(cè)鋼管樁水平位移隨基坑開挖逐漸增大，水平位移最大值出現(xiàn)在開挖至坑底工況中，最大水平位移為9.55 mm。隨著地下室主體結(jié)構(gòu)施工、土體回填及塔樓施工，鋼管樁水平位移減小為7.65 mm。

3.2 隧道豎向位移

隧道最大隆起量隨開挖過程均勻增大，隆起量最大值為3.31 mm，發(fā)生于開挖至坑底工況中。隨著地下室主體結(jié)構(gòu)施工、土體回填和塔樓施工隆起量逐步減小為0.72 mm。

3.3 隧道水平位移

隧道水平位移隨開挖過程逐漸增大，水平位移最大值為5.23 mm，開挖至坑底工況時(shí)出現(xiàn)在計(jì)算基坑北側(cè)中部位置。隨著地下室主體結(jié)構(gòu)施工、土體回填和塔樓施工水平位移量逐步減小為2.79 mm。

3.4 隧道受力

裙房基坑開挖前隧道負(fù)彎矩最大值為69.9 kN·m，當(dāng)開挖至坑底工況時(shí)負(fù)彎矩增大至75.33 kN·m。隨著地下室主體結(jié)構(gòu)施工和土體回填，偏壓程度降低，隧道負(fù)彎矩最大值減小為70.2 kN·m。

3.5 商業(yè)結(jié)構(gòu)樁基受力

商業(yè)結(jié)構(gòu)樁基彎矩最大標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)在開挖至坑底工況時(shí)，此時(shí)彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為977 kN·m，軸力標(biāo)準(zhǔn)值為5 115 kN。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，基坑北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為9.55 mm，隧道豎向位移最大值為3.31 mm，隧道水平位移最大值為5.23 mm，位移值均滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T202—2013）[4]相關(guān)要求。隧道最大彎矩值為75.33 kN·m，商業(yè)結(jié)構(gòu)樁基最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為977 kN·m，軸力標(biāo)準(zhǔn)值為5 115 kN，根據(jù)配筋計(jì)算，隧道及商業(yè)結(jié)構(gòu)樁基受力均可滿足要求。

該項(xiàng)目周邊環(huán)境條件復(fù)雜，單獨(dú)分析裙房基坑施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響不夠全面，故通過MIDAS_GTS_NX有限元軟件對(duì)多項(xiàng)目施工過程進(jìn)行模擬，通過計(jì)算分析可知商業(yè)結(jié)構(gòu)樁基對(duì)于抑制基坑變形、保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用，基坑北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用剛度較小的錨桿+鋼管樁支護(hù)方案即可滿足對(duì)地鐵的保護(hù)要求，相較于鉆孔灌注樁或地連墻支護(hù)方案節(jié)約了工程造價(jià)。

對(duì)于復(fù)雜周邊環(huán)境條件下地鐵隧道工程項(xiàng)目，MIDAS_GTS_NX有限元軟件模擬分析可考慮多項(xiàng)目施工的相互影響，模擬過程更加貼近工程實(shí)際情況，該方法對(duì)于地鐵安全評(píng)估具有重要參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[4]城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范： CJJ/T202—2013[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2013.