李 鑫

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)度的加深，對于地下空間的開發(fā)利用越發(fā)迫切，地下管廊、地下空間、地下環(huán)路、地鐵等地下設(shè)施建設(shè)如火如荼，市區(qū)內(nèi)的基坑工程開挖建設(shè)必須考慮對周邊建筑、地下建筑的影響。其中，地鐵隧道是地下交通的生命線，其重要性和安全性至關(guān)重要，基坑設(shè)計(jì)的合理性直接影響到地鐵隧道的安全[1]，數(shù)值模擬基坑開挖對地鐵隧道變形的影響，可以定性的為基坑設(shè)計(jì)方案提供指導(dǎo)和參考，本文將通過Autodesk Robot Structural Analysis數(shù)值模擬上海地區(qū)某市政項(xiàng)目基坑開挖對地下通道變形的影響，通過數(shù)值分析優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)類似工程項(xiàng)目提供一些參考。

1 工程概況

本工程位于上海市普陀、靜安兩區(qū)交匯處，擬建地塊基地總面積16 016 m2，其擬建主體建筑為一幢21層辦公樓和5層裙樓、一幢2層110 kV變電站等，整體設(shè)地下2層地下室，主體建筑采用框筒結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)?；有螤畈灰?guī)則，長邊方向約220 m，短邊方向?qū)捈s68 m，總面積約10 366 m2，基坑周長約528 m，開挖深度約12.0 m。

擬建基坑南側(cè)緊鄰某地下通道，基坑主樓區(qū)地下室擬與地下通道通風(fēng)井連通，地下通道采用多層多孔箱涵結(jié)構(gòu)，開挖深度約20.0 m～26.00 m，距離圍護(hù)邊線最近約1.2 m，在本基坑施工前完成并覆土。本項(xiàng)目基坑開挖過程中利用地下通道結(jié)構(gòu)外墻，基坑開挖對于地下通道的影響是本項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)，分析的重點(diǎn)。

基坑開挖深度約12.0 m，開挖深度較大，周邊環(huán)境復(fù)雜，尤其北側(cè)臨近地鐵站出口及盾構(gòu)區(qū)間，南側(cè)緊鄰地下通道，環(huán)境保護(hù)等級一級，需重點(diǎn)保護(hù)。地下連續(xù)墻剛度較大、整體性好，自身具有防水效果(除接縫位置)，適用于開挖深度較深、環(huán)境保護(hù)要求高區(qū)域(臨近地鐵、歷史保護(hù)建筑等)，地下連續(xù)墻+混凝土內(nèi)支撐是比較常規(guī)的方案，地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)多，理論計(jì)算方法比較成熟，變形較小，比較適合擬建基坑工程的要求。圍護(hù)結(jié)構(gòu)800 mm厚地下連續(xù)墻(借用地下通道原有圍護(hù))，長度約33.5 m,首道支撐選用800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，支撐相對標(biāo)高2.50 m，第二道支撐選用1 000 mm×900 mm鋼筋混凝土支撐，支撐相對標(biāo)高-0.70 m，第三道支撐選用1 000 mm×900 mm鋼筋混凝土支撐，支撐相對標(biāo)高-4.30 m，典型剖面見圖1。

擬建場地內(nèi)主要土層為①1層填土、②3層灰色砂質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1層灰色粉質(zhì)粘土、⑤1T層灰色粘質(zhì)粉土、⑥層暗綠～黃色粉質(zhì)粘土、⑦1層灰黃色砂質(zhì)粉土，主要參數(shù)如表1所示。

表1 土層分布及性質(zhì)

2 數(shù)值模擬

本項(xiàng)目基坑南側(cè)與已建地下通道緊鄰，基坑開挖過程中對通道結(jié)構(gòu)影響難以預(yù)估，目前尚無定量的設(shè)計(jì)方法，為了更好評估這一影響，通過ROBOT進(jìn)行數(shù)字模擬，預(yù)評估基坑開挖的影響，積極采取應(yīng)對措施。

2.1 模型建立

取斷面1 m寬板帶，將箱涵結(jié)構(gòu)簡化為平面框架，支撐反力等效為集中荷載和彎矩，地層對結(jié)構(gòu)的抗力作用采用一系列彈簧支座進(jìn)行仿真，豎向彈簧的剛度取為10 000 kN/m3，側(cè)向彈簧剛度取為10 000 kN/m3，并考慮地墻作用，結(jié)合基坑分區(qū)，分別選取典型剖面進(jìn)行模擬計(jì)算(如圖2所示)。

荷載分類。作用在地下結(jié)構(gòu)上荷載，如表2所示進(jìn)行荷載分類。

表2 荷載分類表

1)結(jié)構(gòu)自重。結(jié)構(gòu)自重按25 kN/m3(抗浮計(jì)算按24 kN/m3)。2)地層壓力。a.豎向壓力：豎向地層壓力按全部覆土壓力計(jì)算。b.水平壓力：結(jié)構(gòu)使用階段按水土分算，取靜止土壓力，靜止側(cè)壓力系數(shù)取0.8。3)側(cè)向地層抗力和地基反力。側(cè)向地層抗力和地基反力的大小和分布規(guī)律，按結(jié)構(gòu)形式及其在荷載作用下的變形、結(jié)構(gòu)剛度、地層的水平及垂直基床系數(shù)、施工方法、回填與壓漿情況以及土層的變形性質(zhì)，根據(jù)所采用的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和計(jì)算方法加以確定。4)浮力及靜水壓力。地下水位按地表以下0.5 m考慮。5)地面建筑物荷載。在計(jì)算隧道上部和破壞棱體范圍的設(shè)施和建筑物壓力時，對已有或已經(jīng)批準(zhǔn)待建的建筑物壓力在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均將考慮。6)施工荷載。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮下列施工荷載之一或可能發(fā)生的幾種情況的組合：a.設(shè)備運(yùn)輸及吊裝荷載；b.施工機(jī)具荷載；c.地面堆載、材料堆載；d.注漿所引起的附加荷載。7)地面超載。地面超載一般按20 kPa計(jì)算，重車運(yùn)輸?shù)囟伟磳?shí)際荷載考慮并不小于30 kPa；同時考慮地面超載擴(kuò)散后作用在地下結(jié)構(gòu)上。對于覆土厚度特別小的地下結(jié)構(gòu)，其地面超載則按有關(guān)規(guī)范的規(guī)定確定。8)混凝土收縮作用。外露的超靜定結(jié)構(gòu)及覆土小于1 m或截面厚度較大的隧道結(jié)構(gòu)考慮混凝土收縮的影響。

荷載組合按GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范要求進(jìn)行。其中：

恒載：

①結(jié)構(gòu)自重=25×結(jié)構(gòu)厚度；

②吊頂裝飾=1.5 kPa；

③頂板覆土重=19×(覆土厚度)；

④側(cè)向水土壓力(按水土分算)；

⑤水浮托力=10×(地面標(biāo)高-底板底高程-0.5)；

活載：

⑥頂面活載=20 kPa；

⑦側(cè)面活載=20×0.8=16 kPa；

⑧行車荷載=16.7 kPa；

⑨溫度荷載。

標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算工況：

標(biāo)準(zhǔn)組合1——重力工況①+②+③+④+⑥+⑦+⑧；

標(biāo)準(zhǔn)組合2——正常使用期工況①+②+③+④+⑤+⑥+⑦±⑨×0.44；

標(biāo)準(zhǔn)組合3——使用期水反力工況①+③+④+⑤。

通過啟明星計(jì)算支撐反力，將支撐反力等效作用于地下通道結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同荷載組合對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，左側(cè)為正常使用狀態(tài)下地下通道模型，右側(cè)為考慮基坑荷載作用下地下通道模型，兩種對不同工況下模型進(jìn)行對比分析(如圖3所示)。

2.2 模擬結(jié)果

不同工況荷載作用下，通過兩種模型對比分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力，提取結(jié)構(gòu)彎矩、剪力等信息，驗(yàn)算基坑荷載作用下地下通道結(jié)構(gòu)是否滿足受力及變形要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

從圖4中可以看出，在基坑荷載作用下地下通道結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖與原地下通道結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖相近，特別是最大彎矩亦相近，基坑荷載作用下彎矩有所增加，由3 883.3 kN·m增加至3 987.1 kN·m，相對增加量約2.5%，經(jīng)驗(yàn)算地下通道配筋滿足彎矩要求。

從圖5中可以看出，在基坑荷載作用下地下通道結(jié)構(gòu)剪力包絡(luò)圖與原地下通道結(jié)構(gòu)剪力包絡(luò)圖相近，最大剪力方向有所改變，基坑荷載作用下剪力有所增加，由1 788.5 kN增加至1 767.4 kN，相對增加量約1.2%，經(jīng)驗(yàn)算地下通道配筋滿足抗剪要求。

3 結(jié)論

本文通過Autodesk Robot Structural Analysis數(shù)值模擬上海地區(qū)基坑開挖對已建地下通道的影響，通過計(jì)算表明：

1)基坑支撐荷載作用下，原有結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪性能滿足要求，充分發(fā)揮了地下通道箱涵結(jié)構(gòu)優(yōu)勢；

2)本次模擬計(jì)算為擬建基坑設(shè)計(jì)提供參考價值，可以優(yōu)化基坑設(shè)計(jì)；

3)擬開挖基坑利用原有建筑結(jié)構(gòu)的方案是可行的，可利用原有結(jié)構(gòu)減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)，節(jié)約工程造價。

基坑開挖對已建地下通道結(jié)構(gòu)影響分析相對較小，尚需不斷的結(jié)合工程實(shí)踐，完善分析方法，設(shè)計(jì)理念。同時，隨著我國地下空間的不斷開發(fā)，擬建建筑利用原有地下通道箱涵結(jié)構(gòu)是一種趨勢，可以節(jié)約工程造價，充分利用原有結(jié)構(gòu)，節(jié)能環(huán)保。