張 祁，張 敏

(天津市勘察院， 天津 300191)

隨著國家城市建設(shè)的快速發(fā)展，已有運營地鐵結(jié)構(gòu)周邊的建筑工程施工不斷增加[1-2]。其中，建筑工程基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響越來越受到各方的重視。建筑工程基坑開挖能夠?qū)е录扔械罔F結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形甚至造成既有地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重損壞[3-4]。故，為了保證既有地鐵結(jié)構(gòu)的安全,在基坑工程施工前，對其進行安全性評估顯得尤為關(guān)鍵。

迄今為止，某些國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對地鐵結(jié)構(gòu)受周邊基坑開挖影響這一課題開始了研究分析。研究分析了不同開挖方式、開挖深度等情況對既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響[5-6]。并利用數(shù)值模擬的方法對上述不同情況下地鐵變形結(jié)果進行了有效的論證，一定程度上分析了引起地鐵結(jié)構(gòu)變形的影響要素[7-8]。利用有限差分軟件分析了基坑施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響范圍及影響程度[9-10]。利用MIDAS有限元軟件分析了運營地鐵正上方基坑施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響程度[11-12]。由此可見，應(yīng)用有限元分析地鐵結(jié)構(gòu)受周邊基坑施工影響的安全性評價是十分有效的方法[13-15]。

本文以某工程基坑開挖為例，運用大型通用有限元分析軟件PLAXIS 3D進行數(shù)值分析，分析了基坑降水、開挖及樓板施做過程中，地鐵結(jié)構(gòu)的位移情況。利用數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)及相關(guān)規(guī)范，提供安全性評估建議。

1 工程概況

該項目位于南開區(qū)迎水道和苑中路交口，某地鐵站旁。該項目包括1棟21層辦公樓，擬采用框架核心筒結(jié)構(gòu)；1棟25層住宅樓，擬采用剪力墻結(jié)構(gòu)；1棟4層商業(yè)，擬采用框架結(jié)構(gòu)及整體兩層地下室。本基坑工程總周長約410 m，基坑總面積約為9 800 m2。純機械停車庫區(qū)域，基坑深度13.15 m；普通車庫及住宅樓區(qū)域，基坑深度11.75 m；辦公樓區(qū)域，基坑深度12.75 m?；悠矫嬉妶D1。

2 評估標準

參照相關(guān)規(guī)范及國內(nèi)各地區(qū)地鐵保護區(qū)相關(guān)標準，并結(jié)合類似工程經(jīng)驗,地鐵結(jié)構(gòu)控制指標按照表1進行。

圖1 基坑平面圖

3 基坑施工數(shù)值模擬

3.1 模型結(jié)構(gòu)尺寸

采用巖土有限元分析軟件建立整體三維有限元模型進行計算分析，X軸為基坑長邊方向,Y軸為基坑短邊方向,Z軸為豎向方向?？紤]基坑自身尺寸及開挖深度,且為消除模型邊界效應(yīng)，X軸、Y軸、Z軸方向分別取300 m、230 m、50 m。模型計算采用10節(jié)點四面體單元，共劃分94 764個土體單元，131 772個節(jié)點。計算模型基本尺寸及相應(yīng)的位置關(guān)系見圖2。總體模型劃分為三個部分：(1) 鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的基坑；(2) 車站自身；(3) 車站鄰近的隧道。

3.2 模型邊界條件

本計算模型采用如下的邊界條件：模型頂面不設(shè)置約束,為自由面；在模型底面各個方向均固定；模型四個側(cè)面均只設(shè)置法向約束，數(shù)值方向不設(shè)置約束。

圖2計算模型示意圖

3.3 計算參數(shù)

土層物理力學(xué)參數(shù)均取自該工程的勘察報告,采用彈塑性模型進行計算，詳見表2。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

表3為隧道襯砌、車站結(jié)構(gòu)、地連墻、支撐、樓板和柱等結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)。上述結(jié)構(gòu)均采用彈性模型。數(shù)值模擬計算過程中,均假定這些結(jié)構(gòu)處于彈性階段。模型中，樓板和地連墻用板單元模擬；混凝土結(jié)構(gòu)重度均為25 kN/m3，表中不再贅述。

表3 結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3.4 分析步設(shè)置

(1) 平衡地應(yīng)力；

(2) 生成隧道和地鐵車站；

(3) 清零位移，生成地連墻；

(4) 生成基坑內(nèi)工程樁以及主體結(jié)構(gòu)柱；

(5) 第1層降水，降至埋深-1.75 m(頂層樓板底面)；

(6) 第1層土開挖，開挖至-1.75 m(頂層樓板底面)；

(7) 第1層樓板和支撐施作；

(8) 第2層降水，降至埋深-6.65 m(2層樓板底面)；

(9) 第2層土開挖，開挖至-6.65 m(2層樓板底面)；

(10) 第2層樓板和支撐施作；

(11) 第3層降水，降至-12.15 m(3層樓板底面)；

(12) 第3層土開挖，挖至-12.15 m(3層樓板底面)；

(13) 第3層樓板施作。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 車站結(jié)構(gòu)位移分析

4.1.1 車站主體結(jié)構(gòu)位移分析

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，土體的卸荷效應(yīng)最大，車站產(chǎn)生最大位移。車站的水平、豎向位移圖見圖3～圖5。

圖3車站結(jié)構(gòu)底板完成時車站最大X向水平位移云圖

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，車站主體最大X向水平位移為1.13 mm。

圖4主體結(jié)構(gòu)底板完成時車站最大Y向水平位移云圖

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，車站主體最大Y向水平位移為3.94 mm，變形方向為指向基坑方向。

圖5主體結(jié)構(gòu)底板完成時車站最大豎向位移云圖

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，車站主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大沉降位移為1.31 mm，最大隆起位移為0.17 mm。

4.1.2 車站附屬結(jié)構(gòu)位移分析

(1) 1號風(fēng)道及3號出入口變形分析?；又黧w結(jié)構(gòu)底板完成時，土體的卸荷效應(yīng)最大，車站產(chǎn)生最大位移。車站附屬結(jié)構(gòu)中1號風(fēng)道及3號出入口的水平、豎向位移圖見圖6～圖8。

圖6主體結(jié)構(gòu)底板完成時1號風(fēng)道及3號出入口最大X向水平位移云圖

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，車站1號風(fēng)道及3號出入口最大X向水平位移為0.45 mm。

圖7主體結(jié)構(gòu)底板完成時1號風(fēng)道及3號出入口最大Y向水平位移云圖

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，車站1號風(fēng)道及3號出入口最大Y向水平位移為4.44 mm。

圖8主體結(jié)構(gòu)底板完成時1號風(fēng)道及3號出入口最大豎向位移云圖

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，車站1號風(fēng)道及3號出入口最大豎向位移為2.12 mm。

(2) 4號出入口及2號風(fēng)道變形分析?；又黧w結(jié)構(gòu)底板完成時，土體的卸荷效應(yīng)最大，3號線王頂?shù)陶井a(chǎn)生最大位移。車站附屬結(jié)構(gòu)中4號出入口及2號風(fēng)道的水平、豎向位移情況見圖9～圖11、表4。

圖9主體結(jié)構(gòu)底板完成時4號出入口及2號風(fēng)道最大X向水平位移云圖

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，車站4號出入口及2號風(fēng)道最大X向水平位移為2.25 mm。

圖10主體結(jié)構(gòu)底板完成時4號出入口及2號風(fēng)道最大Y向水平位移云圖

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，車站4號出入口及2號風(fēng)道最大Y向水平位移為4.01 mm。

圖11主體結(jié)構(gòu)底板完成時4號出入口及2號風(fēng)道最大豎向位移云圖

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，車站4號出入口及2號風(fēng)道最大豎向位移為1.47 mm。

4.2 基坑開挖對既有3號線隧道的變形影響分析

主體結(jié)構(gòu)底板完成時，土體的卸荷效應(yīng)最大，隧道產(chǎn)生最大位移。隧道的水平、豎向位移情況見圖12～圖17、表5。

表4 主要施工階段的變形情況

圖12 主體結(jié)構(gòu)底板完成時隧道最大

圖13 主體結(jié)構(gòu)底板完成時隧道最大X向水平位移變形圖(放大100000倍)

圖14主體結(jié)構(gòu)底板完成時隧道最大

Y向水平位移云圖

基坑開挖至底部時，3號線隧道產(chǎn)生最大的水平位移和豎向位移，X方向最大水平位移為0.78 mm，Y方向最大水平位移為1.68 mm，最大豎向位移為0.33 mm(沉降)。

表5 3號線隧道主要施工階段的變形情況

圖15 主體結(jié)構(gòu)底板完成時隧道最大Y向水平位移變形圖(10000倍)

圖16 主體結(jié)構(gòu)底板完成時隧道最大豎向位移云圖

圖17主體結(jié)構(gòu)底板完成時隧道最大

豎向位移變形圖(100000倍)

5 結(jié) 論

本文以該基坑工程為背景，分析了地鐵結(jié)構(gòu)受周邊基坑施工的影響，利用PLAXIS 3D有限元軟件對該工程進行數(shù)值模擬計算，通過對各個工況條件下地鐵結(jié)構(gòu)的變形分析得到以下結(jié)論：

(1) 受基坑開挖卸載影響，坑內(nèi)土體發(fā)生隆起變形，圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)土體向基坑側(cè)移動，導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生向基坑方向的水平位移，最大水平位移發(fā)生在地鐵結(jié)構(gòu)靠近基坑側(cè)的位置，且發(fā)生在靠近基坑中部的位置。

(2) 隨著基坑的逐次開挖，地鐵結(jié)構(gòu)的位移量明顯增大。整個施工過程中，地鐵結(jié)構(gòu)的位移量都在允許范圍之內(nèi)。

(3) 受時間效應(yīng)的影響，基坑工程開挖至基坑底面應(yīng)快速施工底板，縮短晾槽時間，減少基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

(4) 基坑工程施工過程中，嚴格控制基坑圍護結(jié)構(gòu)與既有地鐵及車站隧道上方的施工荷載不超過20 kPa。

(5) 基坑工程施工過程中，應(yīng)對受影響的地鐵結(jié)構(gòu)進行不同程度的實時監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)裂縫、結(jié)構(gòu)變形及軌道幾何形態(tài)尺寸的變化等，尤其對基坑臨近邊中部的地鐵結(jié)構(gòu)等變形較大的部位應(yīng)加強監(jiān)測并保持高度關(guān)注。主要影響區(qū)內(nèi)監(jiān)測斷面間距不宜大于10 m，基坑中部對應(yīng)的車站部分應(yīng)適當加密。結(jié)構(gòu)監(jiān)測應(yīng)貫穿于基坑工程作業(yè)的全過程，直至外部作業(yè)完成且監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后方可結(jié)束。