翟 超，陳 濤

(天津市勘察院， 天津 300191)

隨著我國(guó)地下空間的持續(xù)開發(fā)，在城市中心繁華地帶涌現(xiàn)出越來越多的深基坑工程，因?yàn)閹r土應(yīng)力相互作用，既有地下構(gòu)筑物必然會(huì)受到周邊深基坑工程施工所帶來的影響[1-4]。其中地鐵結(jié)構(gòu)受到的影響更被關(guān)注。因此在基坑工程設(shè)計(jì)以及開挖過程中，如何有效預(yù)測(cè)地鐵結(jié)構(gòu)受施工影響的程度及提出有效的預(yù)防措施成為急需解決的問題。

目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了研究。張治國(guó)等[5-6]、許杰等[7]、戚長(zhǎng)軍等[8]用兩階段法分析了基坑開挖對(duì)周邊地鐵區(qū)間隧道縱向變形的影響，第一階段計(jì)算受基坑開挖影響而作用在地鐵區(qū)間隧道上的附加荷載，第二階段根據(jù)Winkler模型建立地鐵區(qū)間隧道縱向變形影響的基本微分方程，根據(jù)Galerkin方法將該方程轉(zhuǎn)換為一維有限元方程進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)[9-11]運(yùn)用數(shù)值模擬方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了地鐵區(qū)間隧道變形的一般規(guī)律。另有研究表明可以通過地基強(qiáng)化處理、分塊施工、改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)等方法減弱基坑施工對(duì)下臥地鐵結(jié)構(gòu)變形的影響[12-13]。結(jié)合地鐵結(jié)構(gòu)在不同情況下的實(shí)測(cè)變形情況與有限元軟件模擬結(jié)果進(jìn)行印證，某種程度上對(duì)影響地鐵結(jié)構(gòu)變形的因素進(jìn)行了驗(yàn)證[14-15]。因此，對(duì)臨近的基坑施工所造成的地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析研究，并提出相應(yīng)的預(yù)防和保護(hù)措施具有很重要的工程實(shí)際意義。

本文以天津軟土地區(qū)某工程基坑開挖為例，運(yùn)用有限元分析軟件ABUQUS對(duì)基坑降水、開挖及支撐施做與拆除過程進(jìn)行數(shù)值分析，得出了受施工影響，基坑自身及周邊地鐵結(jié)構(gòu)的變形情況，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范對(duì)施工結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)并提出相關(guān)控制措施。

1 工程概況

1.1 工程介紹

擬建物為1棟4F商業(yè)樓，建筑面積6 000 m2，高約22.1 m，下設(shè)兩層地下車庫(kù)。擬建物基礎(chǔ)形式為承臺(tái)+樁基礎(chǔ)，基坑開挖深度6.9 m，基坑面積3 588.9 m2?；痈鱾?cè)緊貼用地紅線，周邊環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)鄰近天津地鐵3號(hào)線隧道區(qū)間，區(qū)間距基坑最近7.4 m，東北角鄰近地鐵3號(hào)線營(yíng)口道站風(fēng)道結(jié)構(gòu)，風(fēng)道距基坑最近27.9 m。根據(jù)基坑及周邊環(huán)境特點(diǎn)，本工程基坑采用型鋼水泥土攪拌連續(xù)墻+一道鋼筋混凝土支撐的支護(hù)形式。基坑?xùn)|側(cè)考慮地鐵隧道對(duì)變形控制的要求，型鋼間距600 mm，有效樁長(zhǎng)18.0 m；基坑西側(cè)臨近西開教堂，型鋼間距800 mm，有效樁長(zhǎng)15.0 m；基坑其余兩側(cè)周邊環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，型鋼間距900 mm，有效樁長(zhǎng)14.0 m。圖1為基坑與既有地鐵剖面位置圖。

1.2 工程及水文地質(zhì)簡(jiǎn)述

擬建場(chǎng)地位于華北平原北部，屬濱海沖積平原，地貌單一?，F(xiàn)場(chǎng)地西北角和東北角為堆土，局部有尚未拆除彩鋼鋼棚，場(chǎng)地地形略有起伏。本次完成勘探孔孔口高程在3.23 m～3.77 m之間(大沽高程，下同)。與專項(xiàng)設(shè)計(jì)有關(guān)的各層土的土質(zhì)特征及分布規(guī)律描述如下：第一層為人工填土層(Qml)；第二層為全新統(tǒng)上組河床—河漫灘相沉積層(Q43al)；第三層為全新統(tǒng)中組淺海相沉積層(Q42m)；第四層為4、全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層(Q41h)；第五層為全新統(tǒng)下組河床—河漫灘相沉積層(Q41al)；第六層為上更新統(tǒng)五組河床—河漫灘相沉積層(Q3eal)；第七層為上更新統(tǒng)四組濱海—潮汐帶相沉積層(Q3dmc)；第八層為上更新統(tǒng)三組河床—河漫灘相沉積層(Q3cal)。

淺層地下水以大氣降水補(bǔ)給為主，排泄以蒸發(fā)形式為主，屬于孔隙潛水類型，水位隨季節(jié)有微小變化。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下水位年變化幅度在0.50 m～1.00 m左右。埋深約22.0 m～25.0 m段為厚層粉土，屬微承壓水含水層，承壓水頭約為埋深5.0 m～6.0 m處，經(jīng)驗(yàn)算基坑抗突涌穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

2 基坑施工數(shù)值模擬

本工程周邊施工環(huán)境復(fù)雜，且處于既有地鐵3號(hào)線安全運(yùn)營(yíng)控制范圍內(nèi)，確保地鐵的安全正常運(yùn)營(yíng)是本工程基坑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。為預(yù)估基坑開挖對(duì)鄰近地鐵3號(hào)線隧道區(qū)間及風(fēng)道結(jié)構(gòu)的影響，本章采用通用有限元軟件ABAQUS，建立三維有限元模型，評(píng)估本工程支護(hù)設(shè)計(jì)的有效性與合理性。

2.1 計(jì)算假定

(1) 各土層均為勻質(zhì)水平層狀分布且各向同性，不考慮與地下水的耦合作用。

(2) 結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)。

(3) 采用施工步的方式模擬基坑的開挖過程，不考慮時(shí)間效應(yīng)。

(4) 隧道結(jié)構(gòu)在計(jì)算域內(nèi)沿直線水平延伸。

2.2 模型概況

計(jì)算模型包括地鐵3號(hào)線站體結(jié)構(gòu)(含抗浮樁)、風(fēng)道結(jié)構(gòu)、隧道區(qū)間、本工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、西開教堂基礎(chǔ)及周圍土體。有限元模型如圖2、圖3所示。

基坑南側(cè)與西側(cè)坑外土體由基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外延伸30 m，約為基坑的4倍開挖深度；基坑?xùn)|側(cè)與北側(cè)由于鄰近地鐵3號(hào)線隧道區(qū)間及風(fēng)道結(jié)構(gòu)，坑外土體由基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外延伸至少50 m；對(duì)于豎向邊界，考慮站體抗浮樁的因素與模型規(guī)模，坑下取38 m，最終計(jì)算模型尺寸為160 m×150 m×45 m。

2.3 模型邊界條件

頂面為自由邊界，四周約束其法向位移，底部為固定邊界。

2.4 計(jì)算荷載

(1) 基坑施工期間考慮土層及結(jié)構(gòu)的自重。

(2) 基坑周邊堆載取20 kPa。

(3) 西開教堂荷載。

2.5 計(jì)算參數(shù)

土體采用實(shí)體單元，修正劍橋模型模擬，相關(guān)參數(shù)來自工程地質(zhì)勘查報(bào)告和工程經(jīng)驗(yàn)取值，計(jì)算中對(duì)土性及土體參數(shù)接近的土層進(jìn)行了歸并，土體計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)及強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、換撐、水平支撐現(xiàn)澆板、地鐵站體及風(fēng)道結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)與西開教堂基礎(chǔ)采用殼單元模擬，基坑水平支撐、抗浮樁采用梁?jiǎn)卧M。結(jié)構(gòu)體均采用線彈性本構(gòu)模擬，結(jié)構(gòu)尺寸取自相關(guān)圖紙，結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表2。

2.6 分析步設(shè)置

(1) 初始地應(yīng)力平衡。

(2) 生成3號(hào)線隧道區(qū)間、風(fēng)道、站體結(jié)構(gòu)。

(3) 生成西開教堂基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

(4) 生成圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

(5) 施工水平支撐。

(6) 開挖至坑底(土體的開挖一次全部卸除，不考慮土體分塊分層等時(shí)空效應(yīng)的影響)。

(7) 施工換撐結(jié)構(gòu)。

(8) 拆除水平支撐。

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

選取基坑開挖至坑底與拆除水平支撐兩個(gè)階段分析基坑施工對(duì)自身及既有3號(hào)線區(qū)間和風(fēng)道的影響。

3.1 土體沉降

3.1.1 基坑開挖至坑底

基坑開挖至坑底時(shí)，土體的卸荷效應(yīng)最大，坑外及坑內(nèi)土體產(chǎn)生豎向位移?？油饧翱觾?nèi)土體豎向位移圖如圖4所示。

3.1.2 拆除水平支撐

基坑開挖對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑方向發(fā)生位移，導(dǎo)致基坑內(nèi)外土體應(yīng)力重分布，表現(xiàn)為基坑外側(cè)區(qū)域土體產(chǎn)生一定程度的沉降，基坑底部土體產(chǎn)生一定的隆起?；娱_挖至坑底時(shí)，坑外主體最大沉降量為15.4 mm，坑內(nèi)土體最大隆起量為27.8 mm；拆除水平支撐后，坑外主體最大沉降量為6.7 mm，坑內(nèi)土體最大隆起量為27.9 mm(見圖5)。

3.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

開挖引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力發(fā)生了改變，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。由于對(duì)撐及邊桁架的存在，圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y向的水平位移要小于X向的水平位移。

基坑施工完成，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移出現(xiàn)在基坑開挖至坑底，發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部。X方向最大水平位移為15.2 mm(見圖6)，Y方向最大水平位移為13.7 mm(見圖7)，靠近隧道一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為8.3 mm，靠近風(fēng)道一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為15.2 mm。

3.3 既有三號(hào)線隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)變形

地鐵3號(hào)線隧道區(qū)間距本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)約7.4 m，大致為1倍開挖深度。

通過基坑開挖及拆除水平支撐兩個(gè)施工過程的位移云圖可知，基坑開挖至坑底時(shí)，隧道產(chǎn)生的豎向位移最大為1.5 mm，出現(xiàn)在隧道底部偏向基坑側(cè)，隨著地下結(jié)構(gòu)的施工，基坑底部的上覆荷載增加，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向位移有所減小(見圖8)；隧道水平位移隨著基坑開挖過程持續(xù)增大，在地下結(jié)構(gòu)施工期間，隧道水平位移增大速率降低，基坑施工完成時(shí)，隧道水平位移最大，最大值為1.6 mm(見圖9)，靠近該側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的中部。

3.4 三號(hào)線風(fēng)道結(jié)構(gòu)變形

基坑?xùn)|北角距地鐵三號(hào)線營(yíng)口道站風(fēng)道最近27.9 m。大約距基坑4倍開挖深度。

基坑施工完成后，由于風(fēng)道距離基坑較遠(yuǎn)，風(fēng)道產(chǎn)生的位移較小。最大水平位移出現(xiàn)在拆除水平支撐后，發(fā)生在風(fēng)道端部，為0.067 mm(見圖10)；最大上浮發(fā)生在風(fēng)道外墻折角處，為0.028 mm(見圖11)。

圖11 風(fēng)道豎向位移(最大值：0.028 mm，上浮)

5 結(jié) 論

本文以該基坑工程為背景，利用有限元軟件ABUQUS分析了基坑施工對(duì)基坑自身及周邊既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形情況，得到以下結(jié)論：

(1) 有限元軟件ABUQUS能夠?qū)κ芑娱_挖影響的基坑自身及周邊地鐵結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行有效的模擬計(jì)算，為工程施工提供一定的依據(jù)。

(2) 受基坑開挖卸載影響，坑內(nèi)土體發(fā)生隆起變形，帶動(dòng)地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生剛體位移，總體上變現(xiàn)為豎向上升。隧道最大上升量為1.5 mm。

(3) 受圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)水土壓力差異的影響，導(dǎo)致基坑周邊應(yīng)力重新分布，地鐵結(jié)構(gòu)受應(yīng)力變化的影響向基坑側(cè)移動(dòng)，出現(xiàn)最大位移位置為距離基坑最近處的基坑中部位置，水平位移最大值為1.6 mm。