蔡 武 林(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430072)

深基坑開挖對(duì)臨近地鐵車站及區(qū)間影響的數(shù)值模擬分析

蔡 武 林
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430072)

以蘇州某臨近地鐵4號(hào)線寶帶東路站基坑開挖為背景，運(yùn)用ABAQUS有限元計(jì)算軟件模擬基坑開挖各階段，分析了各工況下的結(jié)構(gòu)及區(qū)間的變形，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果較為接近，說明參數(shù)及邊界條件選取合理，可為類似工程參考借鑒。

深基坑開挖；地鐵車站；數(shù)值模擬

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，地鐵車站保護(hù)范圍內(nèi)不可避免受土建工程建設(shè)影響[1-4]，深基坑的開挖面卸荷，改變了原始土基的界面和應(yīng)力狀態(tài)影響，會(huì)造成地鐵車站及區(qū)間的變形，導(dǎo)致軌道的變形，影響地鐵行車的安全。分析土體應(yīng)力，首先應(yīng)計(jì)算土體初始應(yīng)力場(chǎng)和地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變位，精確求解地鐵結(jié)構(gòu)和周圍土體的初始應(yīng)力是一項(xiàng)艱巨而復(fù)雜的工作，因?yàn)橥馏w本身分層，并有孔隙水影響，其物理特性在空間上變化復(fù)雜；建筑物邊界的土體，幾何非規(guī)則；土體固結(jié)程度不一，主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)交織，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜；特別是建筑物與土體的彈性模量相差巨大，這給消除建筑物、樁與土體的相對(duì)沉降差帶來了很大困難。數(shù)值模擬在空間上、時(shí)間上能較真實(shí)的反映這一系列工況變化過程。選擇合理計(jì)算模型，結(jié)合設(shè)計(jì)方案，控制對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響，是解決此類深基坑設(shè)計(jì)中非常有效的手段。

沈輝等[5]通過FlAC3D建立三維數(shù)值模型分析，表明地鐵車站對(duì)深基坑開挖產(chǎn)生的土體位移傳遞具有一定的阻礙作用；謝洪帥[6]通過PLAXIS2D模型對(duì)臨近車站的深基坑分析表明，采取合理的措施可減少對(duì)地鐵車站基坑的影響；左殿軍等[7]通過采用ABAQUS模擬基坑開挖對(duì)臨近隧道的影響，表明基地表沉降及隧道襯砌隨基坑開挖深度及支撐間距的增加而變化速率增大；李偉強(qiáng)等[8]通過PLAXIS2D建立巖土-結(jié)構(gòu)模型，研究表明地鐵結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中出現(xiàn)不同程度的回彈，趨勢(shì)為距離基坑越近回彈量越大；任偉明等[9]采用FLAC3D對(duì)臨近基坑的地鐵車站進(jìn)行三維數(shù)值模擬，闡述了樁錨支護(hù)與變形縫的模擬方法，并通過計(jì)算結(jié)果分析了臨近車站的基坑工程開挖對(duì)車站變形的影響規(guī)律。

1 工程背景

1.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)總體布置

擬建工程由1幢17層辦公塔樓、4層裙房整體下設(shè)2層地下室組成，基坑總面積約3 814 m2，呈長(zhǎng)方形，東西長(zhǎng)約64.2 m，南北寬約59.0 m，基坑周長(zhǎng)約269 m，基坑開挖深度約10.95 m，結(jié)構(gòu)外墻線局部緊鄰西側(cè)用地紅線，距離地鐵4號(hào)線寶帶東路站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻線最近約11.9 m，并與寶帶東路站預(yù)留接口連通。

圖1為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖，如圖1所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下地連墻+2道混凝土支撐，地連墻距離車站結(jié)構(gòu)最小的距離約11.9 m；基坑采用明挖法施工，施工工序?yàn)橄仁┕o(hù)結(jié)構(gòu)及止水帷幕，然后施工第一道支撐，待強(qiáng)度達(dá)到80%后開挖，施工第二道支撐，繼續(xù)開挖到基底，然后施工底板?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)尺寸表見表1。

圖1 基坑與地鐵關(guān)系平面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

基坑地層主要為：① 2.77 m～0.62 m，人工填土；② 0.62 m～-3.28 m，黏土；③ -3.28 m～-5.28 m，粉質(zhì)黏土；④ -5.28 m～-6.38 m，粉質(zhì)黏土；⑤ -6.38 m～-15.38 m，粉土；表2中給出各層土的物理力學(xué)性質(zhì)。

表2 各層土物理力學(xué)指標(biāo)

2 基坑開挖的有限元數(shù)值計(jì)算分析

2.1 模型的尺寸及參數(shù)的選取

本次計(jì)算分析選取大型非線性通用有限元軟件ABAQUS作為計(jì)算平臺(tái)，根據(jù)基坑和車站幾何尺寸大小，結(jié)合基坑開挖施工對(duì)臨近環(huán)境影響范圍的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，基坑深度為10.95 m，本模型計(jì)算深度取40 m；本模型東西方向和南北方向的計(jì)算寬度均取為400 m。對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)涉土體、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、地鐵車站結(jié)構(gòu)與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，土體采用實(shí)體單元，基坑支護(hù)、地鐵車站外墻、頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)采用板單元，車站結(jié)構(gòu)中梁柱、支護(hù)結(jié)構(gòu)中的水平支撐、圍梁等采用梁?jiǎn)卧?/p>

根據(jù)計(jì)算模型大小，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精確度，共計(jì)剖分單元126 820個(gè)。建立的“地鐵-基坑-圍護(hù)”計(jì)算模型見圖2～圖4。

圖2 本工程有限元計(jì)算模型

圖3 基坑支護(hù)、地鐵車站與隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖4 基坑支護(hù)計(jì)算模型

2.2 數(shù)值計(jì)算方法過程

地基各土層采用彈塑性D-P模型。D-P準(zhǔn)則即廣義Mises準(zhǔn)則，它是在考慮平均應(yīng)力影響的條件下，由Mises準(zhǔn)則推廣而成：

(1)

式中：a，k均為與巖土材料黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ有關(guān)的常數(shù)；I1為應(yīng)力張量第一不變量；J2為應(yīng)力偏張量第二不變量。I1、J2的表達(dá)式：

I1=σ1+σ2+σ3，

式中：σ1、σ2、σ3分別為土體第一、第二和第三主應(yīng)力。鋼和混凝土本構(gòu)關(guān)系采用整體式的理想彈性模型，表達(dá)式：σ=Eε，各參數(shù)見表3。

表3 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)表

為分析基坑自身的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)及相鄰的車站及隧道的變化關(guān)系，本文按照施工過程，建立模型分析基坑隧道的變形規(guī)律：(1) 模型生成初始地應(yīng)力；(2) 生成地鐵結(jié)構(gòu)，并位移清零；(3) 生成基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并位移清零；(4) 開挖第1層土，施加第一道支撐階段；(5) 開挖第2層土，施加第二道支撐；(6) 開挖至基坑底，施工底板；(7) 拆除第二道支撐，施工負(fù)1層樓板；(8) 拆除第一道支撐，施工地下室頂板。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模型整體位移及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)向位移，地應(yīng)力釋放而重新分布，引起地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)移，由于基坑開挖導(dǎo)致基坑周邊及坑底土體卸載，基坑側(cè)向位移和底部隆起，導(dǎo)致地鐵車站及區(qū)間隧道管片內(nèi)力也發(fā)生變化。

以下根據(jù)每個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果，取其中分階段對(duì)部分依次顯示模型Z向(即平行于地鐵縱向軸線方向)位移、X向(即垂直于地鐵縱向軸線方向)位移(見圖5)、Y向(深度方向)位移(見圖6)。由計(jì)算可知，在工況8下，模型的的整體變形達(dá)到最大(見圖7)。

圖5 模型側(cè)向位移(X方向)

圖6 模型側(cè)向位移(Y方向)

在步驟(6)情況下，即開挖至坑底時(shí)，基坑隆起達(dá)到最大值為18.6 mm，此時(shí)地表沉降也達(dá)到最大值，為4.7 mm。

3.2 地鐵車站及區(qū)間位移

圖8～圖10表示地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)隨基坑開挖深度變化而生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)變形情況，可以看出，在開挖到架設(shè)第一道支撐后，車站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻水平位移為0.5 mm，區(qū)間隧道為0.4 mm，隨著開挖深度的增加，位移逐漸增加，當(dāng)開挖到基底時(shí)，車站側(cè)墻水平位移為1.7 mm，區(qū)間為1.6 mm，在回筑階段，車站結(jié)構(gòu)水平位移增加到1.9 mm，而區(qū)間隧道的豎向位移的沒有變化，穩(wěn)定為1.7 mm。

圖7 模型整體豎向位移

圖8 工況4結(jié)構(gòu)水平位移

圖9 工況6結(jié)構(gòu)水平位移

圖10 工況8結(jié)構(gòu)水平位移

圖11～圖13表示地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)隨基坑開挖深度變化而生產(chǎn)的豎向位移，可以看出，在開挖到架設(shè)第一道支撐后，車站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻豎向位移為0.9 mm，區(qū)間隧道為0.5 mm，隨著開挖深度的增加，位移逐漸增加，當(dāng)架設(shè)第二道混凝土支撐，開挖到基底時(shí)，車站側(cè)墻豎向位移為3.7 mm，區(qū)間為1.9 mm，在回筑階段，車站與隧道的豎向位移均沒有變化。

圖11 工況4結(jié)構(gòu)豎向位移

圖12 工況6結(jié)構(gòu)豎向位移

圖13 工況8結(jié)構(gòu)豎向位移

3.3 監(jiān)測(cè)與計(jì)算對(duì)比

地鐵車站端頭井距離基坑約11.9 m，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，車站最大變形發(fā)生在車站端頭井部位，側(cè)墻最大水平位移為2.9 mm，端頭井側(cè)墻最大豎向位移為4.5 mm，地面最大沉降為3.2 mm。基坑離盾構(gòu)區(qū)間隧道的最近距離約為29.1 m，基坑開挖施工對(duì)其產(chǎn)生影響，從監(jiān)測(cè)結(jié)果看，水平方向區(qū)間隧道最大側(cè)向位移為1.7 mm(見圖14)，豎向最大側(cè)向位移為1.9 mm(見圖15)，區(qū)間隧道的最大沉降為1.9 mm，地鐵車站與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)連接處最大相對(duì)總位移為0.8 mm，發(fā)生在端頭井處。

圖14 車站結(jié)構(gòu)及隧道水平位移監(jiān)測(cè)

圖15 車站結(jié)構(gòu)及隧道豎向位移監(jiān)測(cè)

4 結(jié) 論

(1) 臨近基坑的車站及區(qū)間變形明顯受基坑開挖影響，表現(xiàn)為基坑開挖越深，地鐵及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形越明顯，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向位移較水平方向位移大，且在基坑開挖到底以后，豎向位移基本不再增加。

(2) 隨著基坑開挖深度的增加，車站結(jié)構(gòu)與區(qū)間產(chǎn)生的豎向位移和側(cè)向位移也隨著增加，豎向位移在基坑回筑階段，基本上沒有增加，但是水平方向的位移，仍有少量增加，整體上區(qū)間的沉降及豎向位移均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

(3) 本文進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，僅考慮地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)單個(gè)基坑開挖的影響，并未考慮其它不利因素的影響。因此，在類似工程設(shè)計(jì)施工情況時(shí)，應(yīng)考慮多個(gè)因素的疊加，保證運(yùn)營(yíng)車站及區(qū)間的行車安全，顯得尤為重要。

[1] 劉國(guó)彬，王衛(wèi)東．基坑工程手冊(cè)(第二版)[M]．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[2] 張玉成，楊光華，姚 捷，等．基坑開挖卸荷對(duì)下方既有地鐵隧道影響的數(shù)值仿真分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(S1):109-115.

[3] 李家平．基坑開挖卸載對(duì)下臥地鐵隧道影響的數(shù)值分析[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(S1):1345-1349．

[4] 武朝軍,陳錦劍，葉冠林，等．蘇州地鐵車站基坑變形特性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(S1):458-462.

[5] 謝宏帥．深基坑開挖對(duì)臨近地鐵車站基坑影響的有限元計(jì)算分析[J]．上海地質(zhì)，2009,30(2):54-58．

[6] 沈 輝，羅先啟，李 野,等．深基坑施工對(duì)地鐵車站影響的數(shù)值仿真分析[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011,7(5)：1021-1025．

[7] 左殿軍,史 林，李銘銘，等．深基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道影響數(shù)值計(jì)算分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2014,36(S2)：392-396．

[8] 李偉強(qiáng),孫宏偉．鄰近深基坑開挖對(duì)既有地鐵的影響計(jì)算分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(S1)：420-422．

[9] 任偉民，彭麗云，劉 軍．鄰近地鐵車站的基坑開挖基于FLAC3D數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(S1)：277-280．

[10] 李 冰.基坑開挖卸載對(duì)下臥地鐵隧道影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2013,5(S1):1459-1468.

Numerical Simulation of the Influence of Deep Foundation Pit on Adjacent Subway Station and Tunnels

CAI Wulin

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan,Hubei430072,China)

An excavation pit near Baodai Road station of subway line 4 in Suzhou was taken as an example in this research, ABAQUS software was adopted to analyze the deformation under different excavation stages. The simulation results agrees well with the field monitoring results which indicates that the parameters and boundary conditions are reasonable and can be adopted by similar engineering.

deep foundation pit; subway station; numerical simulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.043

2016-07-26

蔡武林(1984—)，男，湖北咸寧人，碩士，工程師，主要從事地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究。 E-mail：caiwulin@gmail.com

TU470+.3

A

1672—1144(2016)06—0222—05