杜明禮 余建河

(1.江蘇中匯巖土工程有限公司，江蘇 徐州 221004；2.陜西宏基建筑勘察設(shè)計工程有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著地鐵建成通車，地鐵沿線人流量增大，周邊無疑成為了開發(fā)建設(shè)的黃金地帶，因此地鐵兩側(cè)新建工程項目越來越多。為了最大化的利用城市有限的土地，新建建筑往往會開挖地下室基坑，而基坑的開挖必然擾動周邊圍巖，改變地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，引起地鐵結(jié)構(gòu)變形，如何控制側(cè)方既有地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形，是基坑開挖的關(guān)鍵問題。

以深圳羅湖某地鐵側(cè)方的基坑工程為例，通過三維有限元分析，對基坑開挖引起的側(cè)方地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形的影響進(jìn)行分析研究，為優(yōu)化設(shè)計和施工提供有益的參考。

1 工程概況

1.1 項目情況

擬建項目位于深圳市羅湖區(qū)，主要建(構(gòu))筑物為4棟超高層住宅樓及相關(guān)多層配套設(shè)施，共68層～70層，總高219 m，其中地下室5層，設(shè)計開挖深度約22 m，基坑周長658.4 m，開挖面積16 402 m2。項目基坑西側(cè)緊鄰地鐵3號線田貝站站廳及部分田貝—翠竹區(qū)間隧道，項目基坑北側(cè)緊鄰地鐵7號線區(qū)間隧道。

本基坑臨近地鐵、建筑和市政道路管線，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)若失效、土體過大變形均將對基坑周邊環(huán)境或主體結(jié)構(gòu)施工安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。基坑采用整體順作方案，采用咬合樁+三道內(nèi)支撐支護(hù)。咬合樁葷樁采用直徑1 400@2 100 mm的混凝土灌注樁，素樁采用直徑1 400@2 100 mm的素混凝土灌注樁，樁頂設(shè)置1 400×1 000 mm的冠梁，支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)置立柱，立柱樁為1 200 mm混凝土灌注樁。采用咬合樁作為止水帷幕，咬合樁葷素樁互相咬合，形成封閉止水墻，確保止水帷幕穩(wěn)妥可靠。鄰近地鐵側(cè)設(shè)置一排三軸攪拌樁，防止對地鐵產(chǎn)生不利影響。

1.2 地質(zhì)概況

①雜填土：色雜，松散，主要由粉質(zhì)黏土及含約20%～50%的建筑垃圾、碎塊、塊石、混凝土等回填，土質(zhì)不均勻。填土層堆填年限約8年～15年。各孔均見該層。層厚1.50 m～7.80 m；層頂高程18.45 m～20.50 m。

②淤泥質(zhì)土：場地內(nèi)局部分布。灰黑色，飽和，流～軟塑，成分以黏粒為主，富含有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì)，含約15%～40%的細(xì)砂，土質(zhì)不均勻。層厚0.60 m～3.10 m；層頂埋深4.00 m～7.80 m；層頂高程11.84 m～15.91 m。

③砂質(zhì)黏性土：灰黃、褐黃色，可～硬塑，成分以粉粘粒為主，不均勻含約3%～10%的石英礫粒，切面較粗糙，韌性中等，干強(qiáng)度中等，局部孔段該層分布有強(qiáng)風(fēng)化巖夾層。層厚0.80 m～17.50 m；層頂埋深1.50 m～12.10 m；層頂高程7.07 m～17.33 m。

④全風(fēng)化混合巖：黃褐、灰褐色，原巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造基本破壞，成分除石英外，其余礦物多已風(fēng)化呈土狀、砂狀，巖芯泡水易軟化、崩解。層厚2.00 m～13.50 m；層頂埋深4.80 m～24.00 m；層頂高程-4.41 m～14.69 m。

1.3 基坑與地鐵車站及區(qū)間的關(guān)系

基坑在平面上呈L形，位于軌道7號線南側(cè)，軌道3號線東側(cè)，如圖1所示。軌道3號線區(qū)間隧道距離基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)約12 m，A出口及排風(fēng)井距離支護(hù)結(jié)構(gòu)約6 m，基坑與地鐵關(guān)系剖面圖如圖2～圖4所示。

由于基坑與地鐵車站及區(qū)間水平距離較小，且基坑開挖可能引起地鐵隧道周邊圍巖產(chǎn)生變形，從而引起地鐵結(jié)構(gòu)變形。因此如何在基坑開挖過程以及項目實(shí)施完成后確保地鐵隧道的運(yùn)營安全，是本項目需要重點(diǎn)考慮的問題。

2 數(shù)值分析

利用Midas GTS NX有限元分析軟件，在合理的計算區(qū)域內(nèi)，采用合適的本構(gòu)模型建立三維有限元模型模擬本項目基坑開挖過程。

在實(shí)際過程中最不利情況是基坑開挖到底，因此按照最不利工況原則，根據(jù)本基坑與鄰近地鐵車站及區(qū)間的平面及立面關(guān)系以及基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工特點(diǎn)，分析基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵結(jié)構(gòu)的變形情況。

2.1 有限元模型

采用2D板單元模擬地鐵結(jié)構(gòu)、1D梁單元模擬基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、3D實(shí)體單元模擬巖土體。以基坑外輪廓為基準(zhǔn)，外擴(kuò)3倍基坑開挖深度作為模型計算范圍，如圖5所示。

2.2 工況模擬

基坑開挖引起周邊巖土體變形，從而引起側(cè)方地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生朝向地鐵側(cè)的位移?；硬捎梅謱臃謪^(qū)開挖，模擬計算按如下工況進(jìn)行：step1施工基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并開挖至第一層支撐底標(biāo)高，施工第一層支撐；step2土方整體開挖至第二層支撐底標(biāo)高，施工第二層支撐；step3土方整體開挖至第三層支撐底標(biāo)高，施工第三層支撐；step4土方整體開挖至基坑底。

2.3 計算結(jié)果分析

通過數(shù)值計算得到隧道結(jié)構(gòu)最大水平與施工工況關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6可以看出，隨著基坑逐步開挖，側(cè)方地鐵結(jié)構(gòu)水平變形逐漸增大。

側(cè)方地鐵結(jié)構(gòu)水平變形最大值出現(xiàn)在step4土方整體開挖至基坑底，水平變形云圖如圖7～圖9所示。

分析結(jié)果表明，當(dāng)基坑開挖完成后，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的水平變形最大，地鐵3號線田貝站結(jié)構(gòu)最大水平位移為5.58 mm，地鐵3號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為3.80 mm，地鐵7號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為3.89 mm。根據(jù)《城市軌道交通安全保護(hù)第三方檢測控制指標(biāo)》有關(guān)規(guī)定：“城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量≤10 mm(包括各種加載和卸載的最終位移量)”，基坑工程開挖施工引起的地鐵結(jié)構(gòu)水平變形滿足規(guī)定要求，基坑開挖過程中側(cè)方地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)定的。

3 結(jié)語

1)基坑開挖會對側(cè)方地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，基坑開挖過程應(yīng)密切關(guān)注基坑周邊位移和地鐵實(shí)測位移。

2)根據(jù)數(shù)值計算分析，基坑開挖引起的側(cè)方地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形值小于地鐵安全保護(hù)區(qū)監(jiān)測控制指標(biāo)要求，基坑開挖不會影響側(cè)方地鐵車站及區(qū)間的正常運(yùn)營。

3)基坑采用排樁+內(nèi)支撐、局部采用復(fù)合土釘墻的支護(hù)形式，支護(hù)體系剛度較大，可有效控制基坑的變形，減少對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的擾動影響作用是比較明顯的。

4)基坑分層分區(qū)開挖對側(cè)方地鐵隧道的變形的抑制作用明顯。

5)地鐵結(jié)構(gòu)位移最大值發(fā)生在基坑開挖的最后工況，因此基坑支護(hù)施工時應(yīng)減少基底的暴露時間，盡早施作地下結(jié)構(gòu)并回填。