劉 恒

（中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的意見》（國辦發(fā)〔2018〕52號）印發(fā)以來，我國城市軌道交通總體保持有序發(fā)展，對提升城市公共交通供給質(zhì)量和效率、緩解城市交通擁堵、引導(dǎo)優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)布局、改善城市環(huán)境起到了重要作用。位于城市中心繁華區(qū)域，靠近建（構(gòu)）筑物及地下管線等基礎(chǔ)設(shè)施的建筑也隨之迅速發(fā)展[1-2]，如地下停車場、地下車庫、地鐵車站、地下通道、地下商場、地下人防工程、綜合管廊、地下綜合體等。在該類工程基坑開挖的過程中，通常面臨周邊場地狹窄、管線密布、建筑物林立的情況，故基坑建設(shè)不僅要滿足自身穩(wěn)定性要求，還要保障鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的安全，這使得基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案成為重中之重。國內(nèi)外學(xué)者依托工程實際，利用數(shù)值模擬法做了大量的相關(guān)研究。李家平等[3]采用FLAC3D軟件，總結(jié)了基坑開挖區(qū)間隧道隆起的變形規(guī)律；郭曉歡等[4]利用ANSYS軟件，研究了“手槍型”不規(guī)則基坑開挖對地鐵車站結(jié)構(gòu)及軌道變形的影響規(guī)律；馮曉臘等[5]采用PLAXIS軟件，分析了復(fù)雜條件下，基坑支護體系及周邊環(huán)境受力、變形等情況。

文章通過理正深基坑軟件計算和Midas/GTS軟件數(shù)值模擬，對基坑的設(shè)計和施工進(jìn)行穩(wěn)定性評價，可為后續(xù)工程的設(shè)計與施工提供指導(dǎo)。

1 工程實例

1.1 工程特點及周邊環(huán)境

嘉里南昌綜合發(fā)展項目（二期）地下室基坑開挖面積約4463m2，基坑周長約275m，基坑開挖深度為13.05m?；?xùn)|側(cè)為香格里拉大酒店，距離基坑約11.4m；南側(cè)為雅頌居，距離基坑約4.8m；西側(cè)為翠林路，寬10.2m，距離基坑約9.6m；北側(cè)為世貿(mào)路，鄰近地鐵1號線，基坑與地鐵車站出入口最近的距離約8.1m?；影踩燃墳橐患?。具體位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

該工程場區(qū)地層由人工填土（Qml）、第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）及下部第三系新余群（Exn）基巖組成，按其巖性及其工程特性，自上而下依次劃分結(jié)果如表1所示。地下水來源主要為上層滯水和地下水，地下水處理采用坑內(nèi)疏干降水和坑外應(yīng)急降水兩種措施?；又ёo結(jié)構(gòu)進(jìn)入中風(fēng)化巖層，降水對周邊環(huán)境的影響較小，可忽略基坑地下水處理對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 工程周邊環(huán)境

表1 土層計算參數(shù)表

2 支護方案及驗算

2.1 基坑支護形式

針對該基坑的特點，結(jié)合基坑周邊環(huán)境、現(xiàn)有施工條件和施工工期等因素，采用“TRD工法樁＋一道混凝土支撐＋兩道預(yù)應(yīng)力型鋼支撐”支護結(jié)構(gòu)?；颖眰?cè)鄰近地鐵，支護結(jié)構(gòu)頂采用200mm厚C20鋼筋混凝土擋墻作為擋土結(jié)構(gòu)，基坑支護結(jié)構(gòu)采用850TRD渠式切割水泥土連續(xù)墻內(nèi)插H700mm×300mm×13mm×24mm型鋼，入③-2中風(fēng)化巖層1.0m。樁頂冠梁寬度為1.2m，高度為0.8m，混凝土強度等級為C30?；颖眰?cè)（地鐵側(cè)）不允許堆載，型鋼間距為0.6m。基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)及西側(cè)型鋼間距為0.8m，基坑周圍坡頂0～2m內(nèi)不得堆載，2～10m范圍內(nèi)地面荷載不允許超過20kPa。

2.2 基坑支護設(shè)計難點

此次基坑設(shè)計存在以下四個難點：

（1）工程地質(zhì)及水文條件復(fù)雜。場地范圍內(nèi)下部主要是砂層，雖然內(nèi)摩擦角較大，但黏聚力低，在水的作用下易失穩(wěn)，產(chǎn)生滲透變形，對基坑安全極為不利。

（2）地下水補給豐富。場地內(nèi)地下水主要受贛江水體控制。贛江地表水體的補給條件好，在汛期，贛江水位上漲，地表水體也可補充地下水。地下水主要為第四系松散層孔隙水，賦存于砂層中，滲透性比較好，補給快。

（3）工期較長。由于項目占地面積較大，整個項目基坑開挖至坑底后，以及后期樁基檢測等，使得基坑暴露較長，對基坑安全性的控制也極為不利。

（4）基坑北側(cè)有地鐵通過?；颖眰?cè)為地鐵1號線車站，地鐵出入口與基坑凈距離為8.1～10.4m，地鐵隧道外邊線距離基坑邊緣約15.4m。關(guān)于支護結(jié)構(gòu)的強度計算、穩(wěn)定性計算和變形控制以及地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形要求較嚴(yán)格，如何在深基坑開挖過程中確保地鐵結(jié)構(gòu)安全且正常運行是一個重難點。

2.3 理正計算結(jié)果

采用理正計算軟件對支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算，地質(zhì)資料參考場地勘察報告中的資料。該基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級，支護結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.1。基坑坡頂?shù)孛娉d設(shè)計采用20kPa，為局部均布荷載，基坑北側(cè)1-1剖面無堆載，2-2剖面堆載范圍為2～10m。參照地勘報告，結(jié)合該場地周邊工程，基坑外側(cè)地下水位深度取zw=5.0m、內(nèi)側(cè)地下水深度取13.05m。土壓力計算時對于雜填土、砂層等透水性土層按水土分算法計算。內(nèi)力計算方法采用增量法。

基坑地鐵側(cè)剖面結(jié)果顯示，支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為20.26mm，支護樁彎矩在-450.79～193.52kN·m，剪力分布在-178.97～278.38kN；基坑最大水平位移發(fā)生在大約基坑深11.0m處，大致位于基坑1/2深度處。在進(jìn)行基坑內(nèi)支撐拆除施工時，支護結(jié)構(gòu)水平位移略有減小，總體趨勢較穩(wěn)定。

非地鐵側(cè)剖面結(jié)果顯示，支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為24.10mm，支護樁彎矩在-574.42～274.10kN·m，剪力分布在-261.49～378.08kN；基坑最大水平位移發(fā)生在大約基坑深11.5m處，大致位于基坑1/2深度處。非地鐵側(cè)與地鐵側(cè)剖面支護結(jié)構(gòu)水平位移變形相似，具體相同的變化趨勢。

按拋物線法，地鐵側(cè)與非地鐵側(cè)地表沉降最大沉降量為28mm和33mm，產(chǎn)生最大沉降的部位距離坑邊約7m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行驗算，計算結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，整體穩(wěn)定性系數(shù)、抗傾覆、抗隆起系數(shù)均大于規(guī)范值，型鋼截面抗彎抗剪承載力均未超過規(guī)范值，基坑支護方案滿足安全性要求。

表2 剖面支護結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

土體采用修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型，墻、支撐等其他結(jié)構(gòu)體采用彈性模型，單元類型為四面體單元。模型中的介質(zhì)均為連續(xù)介質(zhì)，土體采用實體單元，墻采用板單元，支撐采用梁單元。將渠式切割水泥土連續(xù)墻根據(jù)等效剛度法等效為鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)。不考慮支護結(jié)構(gòu)開挖和降水對土體性質(zhì)的影響，不考慮滲流和固結(jié)的影響。計算模型共117223個單元，66169個節(jié)點，采用自由邊界，模型長270m、寬200m，建模深度取40m，約2.5H（H為基坑深度）?；幽Ｐ图爸苓吔Y(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

圖2 基坑三維模型

3.2 開挖工序

計算模型主要分為以下11個工況：

（1）初始地基應(yīng)力階段。激活模型內(nèi)的所有土層，包括擬開挖的基坑土層、地鐵車站、隧道；激活模型五個面上的邊界條件；激活自重荷載。該階段主要模擬土體的自重固結(jié)作用。該階段勾選初始位移清零。

（2）地鐵結(jié)構(gòu)完成階段。鈍化地鐵車站、隧道，激活隧道襯砌、車站結(jié)構(gòu)。

（3）位移清零階段。主要消除地鐵及隧道施工對基坑的影響。

（4）施工支護結(jié)構(gòu)階段。激活地下連續(xù)墻、基坑立柱樁及基坑堆載。

（5）第一次開挖至2.1m，鈍化土層。

（6）在1.6m處設(shè)置第一道支撐，激活冠梁、內(nèi)支撐。

（7）第二次開挖至7.8m，鈍化土層。

（8）在7.3m處設(shè)置第二道支撐，激活腰梁、內(nèi)支撐，對型鋼施加預(yù)應(yīng)力。

（9）開挖坑底。鈍化土層。

（10）施工底板及地下二層樓板，拆除第二道支撐。

（11）施工頂板，拆除第一道支撐。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 基坑周邊地表沉降

計算結(jié)果東西向位移結(jié)果以向東為正，南北向位移結(jié)果以向北為正。經(jīng)過計算分析將基坑地表沉降結(jié)果進(jìn)行匯總，如表3所示。基坑?xùn)|西南北向的地表最大沉降量小于35mm，小于現(xiàn)行基坑支護規(guī)程對地表沉降的控制。

選取地鐵側(cè)（北側(cè)）和遠(yuǎn)離地鐵側(cè)（側(cè)）最大地表沉降處的截面，提取截面上的節(jié)點位移數(shù)據(jù)作圖分析：地表沉降最大的位置距地鐵側(cè)約7m，距非地鐵側(cè)約11m，整體沉降曲線呈現(xiàn)先增大后減小的勺形。這是因為一開始土體開挖是直接鈍化的，支護結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的水平位移。隨著開挖深度加深，支護結(jié)構(gòu)后方的樁土摩擦力使得坑邊沉降小于較遠(yuǎn)處的土體。在工況4時，地鐵側(cè)坑外地表沉降很小，而非地鐵側(cè)沉降較為明顯。由于受到堆載的影響，坑外地表產(chǎn)生附加沉降，使得整體沉降曲線有向坑外側(cè)移動的趨勢，導(dǎo)致沉降曲線由勺形變?yōu)閮深^小中間大的凹勺形。距離坑邊越遠(yuǎn)沉降越小，說明土體開挖的影響范圍是有空間限值的。

表3 基坑地表沉降計算結(jié)果匯總表

4.2 基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移

選擇地鐵側(cè)（北側(cè)）和遠(yuǎn)離地鐵側(cè)（南側(cè)）的支護結(jié)構(gòu)最大水平位移模擬結(jié)果來分析隨土體開挖的水平變形規(guī)律?；?xùn)|西南北向的支護結(jié)構(gòu)水平位移小于30mm，小于現(xiàn)行基坑支護規(guī)程對位移的控制。提取最大位移斷面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表4 基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移匯總表 （單位：mm）

選取地鐵側(cè)（北側(cè)）和遠(yuǎn)離地鐵側(cè)（側(cè)）最大支護結(jié)構(gòu)水平位移處的截面，提取截面上的節(jié)點位移數(shù)據(jù)分析：在工況4時，地鐵側(cè)支護結(jié)構(gòu)水平方向有輕微的向坑外側(cè)的位移，非地鐵側(cè)產(chǎn)生向坑內(nèi)側(cè)的位移。這是因為基坑的其他側(cè)有堆載，應(yīng)力擴散迫使支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向坑內(nèi)位移。支護結(jié)構(gòu)的剛度較大，在三面向內(nèi)的外力作用下，非地鐵側(cè)產(chǎn)生向坑外側(cè)的位移。在工況6時，由于開挖的深度較小，整體水平位移較小，可以看出支護結(jié)構(gòu)變形隨著深度增加在減小。在工況8時，整體變形曲線隨著深度增加，呈現(xiàn)先增大再減小的凸形趨勢，這是因為圍護結(jié)構(gòu)下部嵌固深度較大，上部受冠梁和第一道支撐的作用。隨著基坑開挖至坑底，此時整體變形曲線同前階段類似，都是由上到下先增加再減小的類似拋物線形，但豎向位移增大的幅度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

5 結(jié)語

文章以嘉里南昌綜合發(fā)展項目（二期）為背景，以研究其TRD工法樁式結(jié)構(gòu)的可行性為主要研究目的，結(jié)合項目周邊環(huán)境、工程地質(zhì)與水位地質(zhì)條件、地鐵結(jié)構(gòu)保護要求，分析了項目基坑支護設(shè)計的重難點，對基坑支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計算及三維有限元模擬分析，研究了深基坑周邊地表、支護結(jié)構(gòu)及鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，為工程設(shè)計施工提供參考。

對于基坑鄰近地鐵車站工程，由于周邊環(huán)境條件復(fù)雜，加之工程地質(zhì)、水文條件具有區(qū)域性，很難針對所有工程進(jìn)行規(guī)律總結(jié)。地鐵運行過程中的動載是一個復(fù)雜的多自由度振動體系，大小隨時間變化而變化。下一步可研究地鐵運營期間產(chǎn)生的列車動荷載與基坑工程之間的相互影響。