黃錦昌 荊子菁 樓永良

(1.杭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)城市建設(shè)發(fā)展中心，浙江 杭州 310000;2.華東勘測設(shè)計研究院，浙江 杭州 310014)

本文以地鐵隧道上方基坑開挖為背景，采用三維有限元模擬方法分析了以基坑降水、開挖等各施工步驟對下方既有地鐵隧道變形的影響。

1 工程概況

1.1 工程概述

本基坑工程項目位于杭州下沙金沙湖城市開挖九沙大道下及其兩側(cè)，開挖面積12 580 m2?；拥装寰嚯x地鐵1號線左線隧道頂3.17 m，距離右線隧道頂4.33 m～5.98 m。下臥地鐵區(qū)間隧道主要位于砂質(zhì)粉土中，區(qū)間隧道頂部及以上土層采用水泥土攪拌樁進行滿堂加固，在下臥雙線隧道中間及兩側(cè)每間距1.0 m布置直徑600 mm的鋼筋混凝土鉆孔灌注抗拔樁，形成門式框架以抑制基坑開挖卸荷引起下臥地鐵隧道上浮變形(見圖1)。

1.2 工程地質(zhì)條件

本場區(qū)內(nèi)地層自上而下主要為:場地上部為砂質(zhì)粉土夾粉砂、砂質(zhì)粉土，厚度約為30 m;中部為高壓縮性流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及軟塑～可塑狀粉質(zhì)粘土，厚度約為40 m;底部為中密～密實的中砂及圓礫，中間夾有可塑的粉質(zhì)粘土，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)朝川組含礫粗砂巖和泥質(zhì)粉砂巖。地鐵隧道主要位于砂質(zhì)粉土及砂質(zhì)粉土夾粉砂層中。

2 基坑施工引起地鐵隧道沉降與回彈的計算方法

2.1 降水引起下臥地鐵沉降

在本工程中地鐵1號線下臥層土層自上而下主要由砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粘土層、粘土層、礫石層等組成。降水引起的沉降主要包括砂性土的固結(jié)沉降、粘性土的固結(jié)沉降兩部分。

FLAC三維數(shù)值仿真模擬得出的是各土層固結(jié)完成后的最終固結(jié)變形。采用太沙基單向固結(jié)理論計算粘性土的固結(jié)度，從而計算施工期間粘性土層的變形量。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粘土層、粘土層等粘性土層的固結(jié)度公式為:

其中，CV為固結(jié)系數(shù)，取值為1×10-3cm2/s;H為粘性土層(淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粘土層、粘土層)厚度的一半(按照雙面排水考慮);TV為時間因子;Ut為固結(jié)度;t為施工期，按6個月計算。經(jīng)計算:本基坑工程中三層粘性土層在施工期間的固結(jié)度約為 9.2% 。

2.2 開挖引起的土體回彈

對降水引起的位移場清零，但保留應力場，同時將各土層的模量賦予各自的回彈模量繼續(xù)進行有限元計算，可以得到開挖卸荷后土體的回彈變形。

3 本構(gòu)模型的確定及參數(shù)的選取

3.1 本構(gòu)模型的選取

對巖土體，采用線彈性—理想塑性的Mohr-Coulomb模型進行模擬。

對鋼筋混凝土鉆孔灌注樁和基坑的混凝土底板，采用線彈性模型進行模擬。

3.2 本構(gòu)模型參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和土工試驗結(jié)果，結(jié)合工程經(jīng)驗，采用的巖土體、水泥土、混凝土及鋼筋混凝土的物理力學參數(shù)見表1。

表1 建立模型時參數(shù)取值表

4 三維數(shù)值仿真的實現(xiàn)

模型土層總厚度為55.0 m，土體長×寬為350 m×350 m，基坑位于模型中部。全區(qū)域的三維模型見圖2，圖3。

在建立有限元的過程中，根據(jù)實際基坑施工工況將其抽象為數(shù)值分析采用的施工步，有限元模擬的步驟為:1)初始狀態(tài)下地層的初始應力平衡及位移清零;2)模擬盾構(gòu)隧道開挖及管片安裝;3)模擬水泥攪拌樁加固及抗拔樁施工;4)模擬施工降水(先對降水引起的位移場清零，保留應力場);5)模擬基坑土體開挖及底板澆筑完成;6)模擬施工后水位回升對隧道變形的影響。

5 計算結(jié)果

5.1 降水引起下臥地鐵隧道的最終固結(jié)沉降

圖4是基坑降水引起的地鐵隧道位移變形云圖，從圖4中可知基坑降水引起地鐵隧道最終固結(jié)沉降最大值為12.48 cm;地鐵下臥土體各土層壓縮量及所占比例見表2。

表2 地鐵隧道各下臥土層的最終固結(jié)沉降

5.2 降水引起隧道下土體施工期間的沉降

施工期地鐵隧道的沉降由其下部砂質(zhì)粉土層的最終固結(jié)沉降，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粘土層、粘土層等粘性土層的固結(jié)沉降組成。

根據(jù)表2的計算結(jié)果，可知地鐵隧道下砂土的最終固結(jié)沉降量:S1=2.8 mm。

降水完成后三層粘性土的固結(jié)沉降量:S2=S×Ut=122 mm ×0.092=11.2 mm。

降水施工期地鐵隧道的總沉降量:S1+S2=2.8+11.2=14 mm。

5.3 基坑開挖卸荷引起地鐵隧道的豎向位移

圖5是基坑開挖卸荷后地鐵隧道的位移云圖，由圖5可知隧道的最大回彈量為32.27 mm(上浮)。當與降水引起的隧道變形疊加后，基坑開挖完成后下臥地鐵的位移僅為18.27 mm(上浮)。

6 結(jié)語

通過分別對金沙湖基坑降水及開挖卸荷對其下方地鐵影響的數(shù)值分析，可得到如下結(jié)論:1)在降水施工期間下方地鐵的總位移量為14 mm(下沉);基坑卸荷開挖施工完成后下臥地鐵的總豎向位移為18.27 mm(上浮)，均在地鐵保護條例允許范圍內(nèi)。2)基坑開挖前降水可引起隧道下沉，開挖又會引起隧道上浮，可采用分期降水和分期開挖間隔進行的辦法。以控制每期降水深度從而減小基坑施工對地鐵產(chǎn)生的影響[5]。3)建議類似工程施工后可根據(jù)監(jiān)測資料進行實時反饋分析，進一步深入研究典型地層中的地鐵隧道上部進行基坑大開挖的經(jīng)濟有效的處理措施、作用機理及其設(shè)計計算方法。

[1] 吉茂杰，劉國彬.開挖卸荷引起地鐵隧道位移預測方法[J].同濟大學學報，2001，29(5):531-534.

[2] 胡 恒，朱厚喜，賈立宏.基坑開挖對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響分析[J].巖土工程學報，2010，32(S1):116-119.

[3] 張玉成，楊光華，姚 捷，等.基坑開挖卸荷對下方既有地鐵隧道影響的數(shù)值仿真分析[J].巖土工程學報，2010，32(S1):109-114.

[4] 王衛(wèi)東，吳江斌，翁其平.基坑開挖卸載對地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬[J].巖土力學，2004，25(sup):251-255.

[5] 李家平.基坑開挖卸載對下臥地鐵隧道影響的數(shù)值分析[J].地下空間與工程學報，2009，12(S5):1345-1348.