甘露　許巖劍　肖仁成　劉利猛

摘 要：隨著地鐵的不斷擴展，其沿線將成為商業(yè)、住宅建筑等開發(fā)的黃金地帶， 因而越來越多的工程位于已運行地鐵隧道旁。本文針對某基坑開挖工程實例，依據(jù)設(shè)計開挖工況，采用有限元法對基坑開挖進行數(shù)值模擬分析，分析了在不同開挖工況下臨近地鐵隧道的土體沉降及圍護結(jié)構(gòu)水平位移，分析結(jié)果表明：采用該設(shè)計方案進行基坑開挖及支護將導(dǎo)致臨近地鐵隧道產(chǎn)生較小的附加變形。采用有限元法對基坑開挖和支護進行可行性預(yù)判，以避免基坑開挖中存在的安全隱患，對基坑設(shè)計與施工具有實際參考意義。

關(guān)鍵詞：基坑開挖； 地鐵隧道； 數(shù)值模擬； 地面沉降

Abstract： Along with the construction of the subway， its nearby area will become the gold strip of commercial district， residential building. More and more project close to metro tunnel. Combined with project example， the surface settlement of soil adjacent to subway and horizontal displacement of palisade structure is analyzed based on the finite element method to simulate the excavation in different design excavation condition. The analysis results show that ， the proposed design scheme of the pit foundation excavation and support will lead to little additional deformation adjacent to the subway tunnel. Hidden trouble about safty in the pit foundation excavation can be avoided if the paper method based on the finite element simulation is used to conduct feasibility anticipation for pit foundation excavation and support. It is of practical significance to the pit foundation design and construction.

Key words： pit foundation excavation；subway tunnel；numerical simulation；settlement

前言

在寸土寸金的今天，大量興建高層建筑和地下工程，因而帶來了大規(guī)模的基坑工程，而基坑開挖對臨近構(gòu)筑物的影響已經(jīng)逐漸成為土木工程界的熱點問題之一[1][2]。對于地鐵車站這樣對變形要求極其嚴格的地下結(jié)構(gòu)物，臨近基坑的工程建設(shè)更是面臨著嚴峻的考驗?；娱_挖過程是基坑開挖面上卸荷的過程，由于卸荷引起坑底土體產(chǎn)生向上為主的位移，同時也引起圍護結(jié)構(gòu)在兩側(cè)壓力差的作用下而產(chǎn)生水平向位移和外側(cè)土體位移，因此基坑開挖引起周圍土層移動的主要原因是坑底土體隆起和圍護結(jié)構(gòu)位移[3][4]。本文以某基坑工程為背景，采用巖土工程專業(yè)有限元軟件Midas GTS三維有限元分析，考慮最不利的基坑開挖工況，進行基坑開挖過程的有限元數(shù)值模擬，以了解本工程基坑土方開挖對臨近地鐵隧道產(chǎn)生的附加變形，進而分析了在不同開挖工況下臨近地鐵隧道的沉降及水平位移，可為設(shè)計施工提供一定的參考，并采取有效措施保證在基坑開挖施工過程中的的安全性。對深基坑施工的順利進行及保護臨近建筑物具有一定的實際意義。

1.工程概況

1.1 概述及周邊環(huán)境

擬建工程地下室外墻距離地鐵隧道很近（約8.445m）。基地面積39293m2，建筑占地面積為25591m2，總建筑面積約為145559m2。地下兩層，局部設(shè)置一層夾層，地上三層，整個項目呈三角形，擬采用樁基礎(chǔ)。基坑挖深為12.0m?；用娣e約34616m2，周長約為890m，屬于超大基坑?；悠矫媸疽鈭D如圖1：

圖1 基坑平面示意圖

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件[5]

擬建場地屬漫灘相地貌單元，地下水含量豐富，地下水位埋深約1.31～4.00m，場內(nèi)存在三種類型的地下水：淺層潛水型、弱承壓水型、基巖裂隙水。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、沉積環(huán)境、野外勘探、現(xiàn)場原位測試，結(jié)合土工試驗成果綜合分析，從上到下依次為人工雜填土、素填土、淤泥粉質(zhì)粘土、粉砂夾粉質(zhì)粘土、中粗砂泥卵礫石、強風化粉砂質(zhì)泥巖、中風化粉砂泥巖，具體地質(zhì)情況及各土層參數(shù)如表1所示。

1.3 基坑支護結(jié)構(gòu)形式

本工程采用整體順作法設(shè)計方案，即基坑周邊采用板式支護體系，坑內(nèi)設(shè)置內(nèi)支撐的總體方案。基坑IJKAB段周邊圍護體擬地下連續(xù)墻，BCDEFGHI段段采用鉆孔灌注樁結(jié)合外側(cè)三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。本方案普遍區(qū)域兩道水平支撐，擬采用對撐+角撐邊桁架支撐體系布置。

1.4 地下水處理

IJKAB區(qū)段直接利用地連墻進行止水；由于整個場地內(nèi)地下水較豐富，且基坑開挖面以下存在有透水性較好的粉砂層，因此BCDEFGHI段止水帷幕選用可靠性較高的φ850三軸深攪樁作為止水帷幕。為確?；咏邓畬χ苓叚h(huán)境影響最小，應(yīng)采用全封閉的止水帷幕。地連墻深度進入中風化粉砂質(zhì)泥巖不小于1.0m，三軸深攪樁進入相對隔水層—粉質(zhì)粘土層內(nèi)不小于1.0m。

1.5 沉降產(chǎn)生的原因及針對地鐵隧道的保護措施

（1）由于止水帷幕深度不夠，坑底產(chǎn)生管涌；因此地連墻進入中風化粉砂質(zhì)泥巖，止水帷幕樁長進入相對隔水層粉質(zhì)粘土層，形成封閉止水體系，減少降水對地鐵隧道的影響。

（2）由于樁端變形過大，樁底土產(chǎn)生塑性流動；因此支護樁樁徑適當加大，樁長適當加長，增加土方開挖后支護結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

1.6 設(shè)計施工工況

基坑開挖深度為12.0m，基坑底標高-12.5m，確定合理的開挖施工順序，注意這種超大深基坑工程的時空效應(yīng)，嚴格按照現(xiàn)行規(guī)范建議的“分層，分區(qū)，分塊，分段，抽槽開挖，留土護壁，快挖快撐，先形成中間支撐，限時對稱平衡形成端頭支撐，減少無支撐暴露時間”的原則進行開挖。

工況一：開挖溝槽，施工深攪樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、立柱樁、工程樁及降水井；

工況二：分區(qū)域分層開挖土方至第一層支撐底標高（-3.1M），澆筑樁頂圈梁及第一層鋼筋砼支撐結(jié)構(gòu)；

工況三：分區(qū)域分層開挖土方至第二層支撐底標高（-8.9M），澆筑鋼筋砼圍檁及第二層鋼筋砼支撐結(jié)構(gòu)；

工況四：開挖土方至底板墊層底標高，及時澆筑砼墊層，待墊層達到設(shè)計強度后開挖基坑內(nèi)坑中坑（集水坑等）土方，并及時施工坑中坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)；

工況五：澆筑主體結(jié)構(gòu)底板至支護樁邊，待底板達到設(shè)計強度后拆除第二層鋼筋砼支撐及圍檁；

工況六：施工負一層樓板及換撐結(jié)構(gòu)，待負一層樓板及換撐結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度后拆除第一層鋼筋砼支撐；

工況七：負一層側(cè)墻及一層樓板施工，待側(cè)墻達到設(shè)計強度后施工防水工程，及時進行基坑側(cè)壁土方回填夯實。

2.基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的有限元分析

2.1 計算模型

（1） 幾何模型

采用Midas GTS巖土有限元軟件進行三維分析，數(shù)值計算中充分考慮了基坑開挖的影響范圍建立計算模型，其中模型長（x軸方向）480.0m，寬（y軸方向）417.1m，深度方向（z方向）為50m。模型考慮了基坑開挖對隧道的影響。詳請見圖2-4：

（2） 材料模型

土體采用實體單元進行模擬；地下連續(xù)墻、地鐵站、隧道襯砌等均采用板單元模擬，并根據(jù)截面進行剛度換算。支撐結(jié)構(gòu)梁單元進行模擬，并考慮其接觸。其中，土體采用莫爾-庫侖模型模擬；支撐結(jié)構(gòu)以及板認為為彈性材料。

（3） 邊界條件及初始條件

在實際中，土體為半無限空間，考慮到土體實際中為半無限空間，考慮到計算量和模型大小，采用模型階段設(shè)置邊界條件，土體底部約束z向位移，東西兩側(cè)約束x向位移自由度，南北兩側(cè)約束y向位移自由度，即認為底部和四周不受開挖的影響，位移為零。

計算中考慮地下水的滲流影響，以及初始固結(jié)沉降和初始應(yīng)力的影響。通過施工階段來模擬施工工況。各土層參數(shù)按工程地質(zhì)勘察報告取值，詳見表1。

（4）分步施工[6][7]

① 模型初始化，激活地下連續(xù)墻、地鐵站、隧道襯砌等板單元，施加初始地應(yīng)力，位移清零；

② 地下連續(xù)墻施工；

③ 基坑初次分區(qū)域分層開挖至2.6m深（應(yīng)力分步釋放）；

④ 施加第一道支撐（支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元）

⑤ 基坑第二次分區(qū)域分層開挖至8.4 m深（應(yīng)力分步釋放）；

⑥ 施加第二道支撐（支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元）

⑦ 基坑第三次分區(qū)域分層開挖至底板墊層底12.0m深開挖（應(yīng)力分步釋放）；

2.2 計算結(jié)果及分析[8]

（1） 各施工階段隧道沉降分析

圖5為各施工階段隧道沿Z方向位移變化曲線圖，由圖可知，隧道最大絕對沉降發(fā)生在施工階段②、⑦，為0.48mm左右，最大隆起位移發(fā)生在施工階段③和施工階段⑥，分別為-1.5mm和-1.8mm。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，基坑開挖對隧道的沉降影響都很小。

由圖6-9各施工階段Z方向位移云圖可知，基坑外（包括地鐵隧道）沉降變形非常小，大約在10-4m數(shù)量級上，可忽略不計；位移大變形還是在基坑里面。

（2） 各施工階段隧道水平位移分析

圖10為各施工階段隧道X方向位移變化曲線圖，由圖可知，正負最大向水平位移均發(fā)生在施工階段⑦，分別為-0.48和1.8mm左右。其水平非常小，幾乎可忽略不計。

3.結(jié) 論

本文介紹了某基坑工程開挖及支護工況，并采用Midas GTS對基坑開挖進行數(shù)值模擬分析，研究了不同開挖工況下臨近地鐵隧道的沉降及水平位移，可以得到以下結(jié)論：

（1）深基坑工程由于開挖和降水原因使得土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，并以土體變形方式表現(xiàn)出來，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)變形，造成支護體系外的土體位移變形，從而使得周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生不均勻沉降[9][10]；但是通過采取一定的措施，可以加以控制，使得構(gòu)筑物不均勻沉降和側(cè)向變形在允許的控制范圍內(nèi)[11]。

（2）隧道地鐵站位移變形：在側(cè)向基坑支護開挖和系基坑支護的過程中，隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移分別為-0.48mm和1.7mm，遠小于20mm，滿足地鐵保護水平位移技術(shù)標準要求。在整個施工過程中，最大絕對沉降為-0.48mm，最大隆起為1.8mm，均小于20mm，滿足地鐵保護絕對沉降量技術(shù)標準要求；且基坑外沉降變形非常小，可忽略不計，位移大變形還是在基坑里面。

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