張 鵬

(河南省建設(shè)基礎(chǔ)工程有限公司，河南 鄭州 450000)

1 概述

隨著城市的發(fā)展，越來越多的深基坑開挖工程鄰近既有地鐵車站及附屬出入口結(jié)構(gòu)。在基坑施工過程中，改變原有的土體平衡，對周圍土體產(chǎn)生擾動，進(jìn)而引起其內(nèi)的地鐵車站及出入口等地下結(jié)構(gòu)發(fā)生變形[1，2]，一旦變形過大，就會引起既有地鐵的正常使用，甚至發(fā)生破壞。因此，在基坑施工中如何保護(hù)臨近既有地鐵車站及出入口結(jié)構(gòu)不受損害是需要研究的一個重要課題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對基坑開挖誘發(fā)車站及附屬結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了眾多研究。陳魯[3]結(jié)合某實際工程，對不同工況和施工步驟下，深基坑開挖對地鐵隧道和站臺結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行有限元計算，介紹了分析模型、分析手段以及計算結(jié)果。趙洋等[4]就深基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)安全的影響進(jìn)行研究，通過對基坑開挖的具體影響程度、級別及安全性進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的保護(hù)措施。沈雯等[5]結(jié)合上海地區(qū)某近鄰地鐵車站及區(qū)間隧道超深基坑工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測的手段獲取了地鐵車站及區(qū)間隧道在鄰近超深基坑分區(qū)開挖下的變形響應(yīng)數(shù)據(jù)，并對該監(jiān)測數(shù)據(jù)展開了深入的分析和研究。曾祥會[6]以天津市某購物中心基坑工程緊鄰既有地鐵車站施工為背景，采用數(shù)值模擬方法，針對既有地鐵車站及區(qū)間隧道的變形情況進(jìn)行分析，研究隧道變形的發(fā)展規(guī)律，并通過與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，確定了變形最大值及其位置。徐騰飛[7]以紅谷灘中央金融大街基坑工程項目毗鄰南昌地鐵1號、2號線換乘站—地鐵大廈站為研究基礎(chǔ)，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對近接工程控制因素所帶來的風(fēng)險進(jìn)行量化，并分別對各因素所產(chǎn)生的風(fēng)險進(jìn)行評估。

本文以鄭州某基坑項目為例，通過ABAQUS三維有限元分析軟件模擬，對開挖過程中既有地鐵車站出入口結(jié)構(gòu)的變形特征進(jìn)行了計算分析及評價。研究結(jié)果為類似地質(zhì)情況下后續(xù)建設(shè)項目設(shè)計與施工具有一定的參考意義。

2 工程概況

擬建基坑工程場地位于鄭州市市區(qū)，基坑開挖深度為原自然地面下15.90 m?；悠矫娉示匦伍L度約80.50 m，寬度約49.25 m。

在基坑南側(cè)1—1剖面距基坑邊界線約13.40 m處有一埋深9.00 m的地鐵車站出入口?；釉O(shè)計如下：基坑周邊剖面均采用上部微型樁+土釘墻復(fù)合支護(hù)，下部排樁支護(hù)體系，樁長均為24 m，樁徑D1 000；樁間距均為1.5 m。同時，1—1剖面和2—2剖面分別與4—4剖面通過型鋼角撐連接；2—2剖面與3—3剖面也通過型鋼角撐連接。支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面1—1與管線相對位置如圖1所示。

3 三維有限元模型

3.1 三維有限元模型的建立

本文結(jié)合工程地質(zhì)條件及基坑周圍現(xiàn)狀，主要考慮基坑南側(cè)1—1及相鄰側(cè)2—2,4—4剖面處開挖對車站出入口的影響。數(shù)值建模中，模型尺寸取100 m×66 m×50 m；模型前后、左右分別限制X，Y方向的位移；模型頂部采用自由邊界。鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力200 kN；基坑周邊施加20 kPa道路車輛超載，通過面荷載形式施加；土體選用M-C模型，模擬地基的彈塑性變形和應(yīng)力應(yīng)變；排樁、出入口結(jié)構(gòu)等采用線彈性單元。支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1，有限元模型如圖2所示。

3.2 基坑開挖施工過程模擬

本模型主要計算分析基坑開挖對車站出入口變形的影響，基坑開挖分四次開挖，整個模擬過程共分為9步。具體計算步驟如表2所示。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)和出入口結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 計算步驟表

4 基坑開挖對臨近車站出入口影響分析

4.1 基坑開挖對臨近車站出入口水平變形影響

圖3為基坑主要開挖步引起的出入口結(jié)構(gòu)位移圖。

由圖3可知，隨著開挖深度的不斷加深，出入口結(jié)構(gòu)的水平位移整體上也在不斷增大，最大值均出現(xiàn)在第九步，即開挖第四層土體時，同時，在開挖后每步施加預(yù)應(yīng)力時，位移有所減小。但對比出入口結(jié)構(gòu)底板和頂板位移可知，結(jié)構(gòu)的頂板位移整體比頂板位移要大，頂板最大值為6.35 mm，出現(xiàn)在A點，底板最大值為4.96 mm，出現(xiàn)在a′處。同時，結(jié)構(gòu)的底板水平位移在開挖第一層土體時有向基坑遠(yuǎn)側(cè)移動的趨勢，說明在該步開挖時整個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了微偏轉(zhuǎn)。根據(jù)車站出入口所屬方對結(jié)構(gòu)變形規(guī)定，要求最大水平位移小于10 mm，因此基坑的施工滿足要求。

4.2 基坑開挖施工對臨近出入口豎向變形影響

圖4為基坑主要開挖步引起的出入口結(jié)構(gòu)位移圖。

由圖4可知，隨著開挖深度的不斷加深，出入口結(jié)構(gòu)的豎向位移整體上也在不斷增大，最大值也出現(xiàn)在第九步。但對比出入口結(jié)構(gòu)的位移可知，結(jié)構(gòu)的豎向最大位移出現(xiàn)在靠近基坑側(cè)，此處頂板A點最大值為3.85 mm，底板A′點最大值為3.15 mm。同時，結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離基坑側(cè)參考點的位移有先上升又下降的趨勢；相對于頂板豎向位移，結(jié)構(gòu)的底板位移整體相差不大。根據(jù)車站出入口所屬方對結(jié)構(gòu)變形規(guī)定，要求最大豎向位移小于10 mm，因此基坑的施工滿足要求。

5 結(jié)語

本文基于有限元方法，分析了基坑開挖對地鐵車站出入口結(jié)構(gòu)的變形影響，得到如下結(jié)論：1)隨著基坑開挖深度的不斷加深，車站出入口結(jié)構(gòu)的水平位移除在施加支撐結(jié)構(gòu)時有突變減小外，整體在不斷增大，但結(jié)構(gòu)的底板水平位移在開挖第一層土體時有向基坑遠(yuǎn)側(cè)移動的趨勢，說明在該步開挖時整個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了微偏轉(zhuǎn)。2)結(jié)構(gòu)豎向位移在開挖初期均有向下增加的趨勢，但隨著開挖深度的增加，結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離基坑側(cè)參考點位移有先上升又下降的趨勢，相對于頂板豎向位移，結(jié)構(gòu)的底板位移整體相差不大。3)根據(jù)車站出入口所屬方對結(jié)構(gòu)變形規(guī)定，計算所得的最大位移均小于要求的最大位移10 mm，因此基坑的施工滿足要求。