涂儒杰 林環(huán)周 張錚太

(中建四局建設(shè)發(fā)展有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著城市發(fā)展，運(yùn)營(yíng)的地鐵線路越來(lái)越多，臨近地鐵開發(fā)的工程項(xiàng)目也越來(lái)越多。一般來(lái)說，基坑施工會(huì)對(duì)地鐵既有結(jié)構(gòu)造成一定的影響，有可能產(chǎn)生一定的變形，嚴(yán)重者甚至造成一定的損壞。因此，為了保護(hù)地鐵既有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全，本文通過MIDAS/GTS N軟件，對(duì)基坑開挖施工全過程進(jìn)行模擬和結(jié)果分析，對(duì)各施工階段的安全性作出評(píng)價(jià)[1]。

1 工程概況

1.1 工程介紹

該臨近地鐵工程項(xiàng)目位于福建福州，項(xiàng)目擬建15棟1F-23F住宅、商業(yè)樓，建筑面積102 529.2 m2，設(shè)地下室一層，基坑開挖深度1.5 m～3.85 m，基礎(chǔ)采用預(yù)制管樁(管樁長(zhǎng)度約40 m)+承臺(tái)的形式?；余徑?號(hào)線樟嵐站車站，北側(cè)距2號(hào)風(fēng)亭C號(hào)出入口約9.6 m，距D號(hào)出入口約10.6 m；西側(cè)距樟嵐車輛基地?fù)鯄ν膺吘?.9 m，距車輛基地工程樁外邊線最近為9.9 m，車輛基地有一排水箱涵橫穿(圖1)。

基坑支護(hù)安全等級(jí)為二級(jí)，基坑支護(hù)形式采用以下形式，場(chǎng)地北側(cè)靠近樟嵐站位置采用單排豎向錨管+放坡支護(hù)形式(3-3剖面單軸水泥攪拌樁)，其余位置采用放坡支護(hù)形式并采用噴射掛網(wǎng)護(hù)面。如表1所示。

1.2 地質(zhì)概況

場(chǎng)地位于福州市倉(cāng)山區(qū)城門鎮(zhèn)樟嵐村，為山前平原地貌單元。場(chǎng)地原為耕地(菜地)，后期利用為地鐵施工場(chǎng)地，進(jìn)行了相應(yīng)的回填、平整。現(xiàn)有地面標(biāo)高約為5.583 m～9.434 m。

圖1 項(xiàng)目與地鐵結(jié)構(gòu)相對(duì)位置關(guān)系平面圖

表1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)概況

圖2 1-1剖面圖

圖4 3-3剖面圖

圖5 4-4剖面圖

圖6 5-5剖面圖

地下水分為賦存于素填土的表層潛水(上層滯水)和基巖裂隙水，勘探測(cè)得初見水位埋深距現(xiàn)地表0.9 m～2.8 m，穩(wěn)定水位埋深距現(xiàn)地表0.8 m～2.6 m，預(yù)計(jì)地下水位在工程施工后的年變幅約為0.5 m～1.0 m。

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型

本工程綜合判定項(xiàng)目安全影響等級(jí)為一級(jí)，使用專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 對(duì)基坑開挖進(jìn)行模擬計(jì)算，分析其影響程度。模型采用三維實(shí)體單元模擬土層，采用板單元模擬車站結(jié)構(gòu)、隧道襯砌、擋墻、箱涵；植入樁單元模擬車輛基地工程樁。計(jì)算有限元模型尺寸以項(xiàng)目基坑的外輪廓為基準(zhǔn)，外擴(kuò)一定距離，以消除模型尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響(模型長(zhǎng)380 m，寬280 m，高60 m，如圖7所示)。同時(shí)為確保計(jì)算精度，模型進(jìn)行了如下處理：

圖7 整體模型軸視圖(380 m×280 m×60 m)

(1)根據(jù)等效剛度原則，支護(hù)樁等效為地下連續(xù)墻。

(2)考慮隧道襯砌接頭的影響，襯砌結(jié)構(gòu)剛度折減15%。

土體材料本構(gòu)模型取修正莫爾-庫(kù)倫模型，土層和結(jié)構(gòu)材料參數(shù)按照地勘報(bào)告和工程設(shè)計(jì)方案確定，如表2～表3所示。

表2 土層材料屬性表

續(xù)表

表3 結(jié)構(gòu)材料屬性表

2.2 邊界條件

模型頂部邊界為地表自由面，底部約束豎向位移，模型左右兩側(cè)約束水平向位移，自重荷載取重力加速度。

2.3 工況設(shè)置

根據(jù)施工順序?qū)⒒娱_挖分為3個(gè)施工工況進(jìn)行模擬：

(1)工況一：基坑未開挖，初始地應(yīng)力平衡；

(2)工況二：既有地鐵結(jié)構(gòu)完成，即激活車站結(jié)構(gòu)、隧道襯砌、擋墻、箱涵、樁等單元；

(3)工況三：基坑開挖至坑底。

3 數(shù)值模擬分析

提取各工況下樟嵐站結(jié)構(gòu)、林-樟(林浦站-樟嵐站)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)、車輛基地工程樁、車輛基地?fù)鯄Y(jié)構(gòu)、車輛基地箱涵結(jié)構(gòu)模型變形數(shù)據(jù)。經(jīng)分析后得知，隨著基坑開挖，周邊一定范圍內(nèi)土體應(yīng)力狀態(tài)改變，引起了模型的逐漸變形，直到基坑開挖完成時(shí)(工況三)，變形達(dá)到最大，周邊結(jié)構(gòu)變形分析如下：

(1)樟嵐站車站結(jié)構(gòu)變形分析

基坑開挖完成后，樟嵐站車站變形表現(xiàn)為在D號(hào)出入口變形最大，隨與基坑距離的增加，變形逐漸減小。X向最大位移1.683 mm，Y向最大位移-3.904 mm，Z向最大位移1.541 mm。

(2)林-樟區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形分析

基坑北側(cè)距林浦站-樟嵐站區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最近約為27.4 m，相對(duì)凈距>3.0D(D為盾構(gòu)法城市軌道交通結(jié)構(gòu)的隧道外徑)。X向最大位移0.631 mm，Y向最大位移-0.908 mm，Z向最大位移-0.269 mm。

(3)車輛基地工程樁變形分析

基坑距西側(cè)車輛基地工程樁最近為9.9 m，基坑開挖引起土壓力改變，導(dǎo)致工程樁發(fā)生變形，表現(xiàn)為Y向的變形大于X向，X向最大位移-1.810 mm，Y向最大位移-5.981 mm，Z向最大位移2.848 mm。

(4)車輛基地?fù)鯄Y(jié)構(gòu)變形分析

基坑距西側(cè)車輛基地?fù)鯄ν膺吘€最近為4.9 m，受影響較大?；娱_挖使擋墻墻面墻背土壓力重新分布，導(dǎo)致?lián)跬翂Πl(fā)生變形，表現(xiàn)為擋土墻產(chǎn)生一定隆起并向基坑一側(cè)產(chǎn)生一定位移。X向最大位移-4.593 mm，Y向最大位移7.753 mm，Z向最大位移9.540 mm。

(5)車輛基地箱涵結(jié)構(gòu)變形分析

車輛基地下穿管涵位于基坑正下方，位置關(guān)系如圖8所示。基坑開挖破壞土應(yīng)力的平衡，導(dǎo)致箱涵結(jié)構(gòu)隆起。X向最大位移-1.992 mm，Y向最大位移-3.921 mm，Z向最大位移10.654 mm。

圖8 箱涵結(jié)構(gòu)與基坑位置關(guān)系圖

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》《福州市軌道交通規(guī)劃管理辦法》及實(shí)際情況，該項(xiàng)目地鐵結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)取車輛基地工程樁、車站結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)、箱涵結(jié)構(gòu)、擋墻等位移量小于20 mm，車輛基地?fù)鯄Y(jié)構(gòu)位移取小于30 mm。變形模擬計(jì)算結(jié)果顯示，基坑開挖對(duì)周邊各結(jié)構(gòu)各方向變形的影響均在安全范圍內(nèi)，滿足要求[2]。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

目前地下室結(jié)構(gòu)已施工完成，土方回填完整，周邊結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，變化速率微弱，幾乎沒有變化。取最近一次監(jiān)測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)(表4)可知，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與軟件模擬的結(jié)果基本一致，符合規(guī)范的安全數(shù)值。

表4 變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(單位：mm)

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于基于MIDAS/GTS NX對(duì)某一臨近地鐵工程基坑開挖進(jìn)行分階段模擬施工，通過計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，證明了該項(xiàng)目基坑支護(hù)方案的可行性、數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性和基坑的安全性，為今后類似近地鐵項(xiàng)目基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工的安全評(píng)估提供參考。