王鈺軻 付宏松 馬 露

(1.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001;2.安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院,安徽 蚌埠 233100)

隨著我國(guó)地下空間開發(fā)的不斷深入,地下空間開發(fā)重點(diǎn)的城市軌道交通建設(shè)方興未艾[1-3],地下空間開發(fā)利用對(duì)鄰近已有構(gòu)筑物的安全影響日益成為一個(gè)焦點(diǎn)問題[4].地鐵車站多建于交通繁忙的路段,導(dǎo)致已運(yùn)營(yíng)地鐵線路周邊不可避免地會(huì)出現(xiàn)基坑鄰近施工的問題[5],施工現(xiàn)場(chǎng)交通情況較復(fù)雜[6],一方面基坑施工鄰近既有構(gòu)筑物時(shí),基坑開挖必然會(huì)改變土體的原始應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng),繼而引起鄰近既有構(gòu)筑物附加變形和內(nèi)力[7],從而影響車輛通行；另一方面因?yàn)榈罔F基坑的開挖往往是鄰近城市道路,鄰近道路側(cè)行車荷載對(duì)基坑的安全性會(huì)產(chǎn)生影響,因此基坑開挖對(duì)周邊道路以及鄰近構(gòu)筑物影響的合理預(yù)判以及保護(hù)變得尤為重要[8].為了保障基坑安全,研究外界耦合因素作用對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響就顯得尤為重要,而道路上的行車荷載和基坑開挖工序則是地鐵施工中常見的兩個(gè)影響因素,選擇研究?jī)烧唏詈献饔脤?duì)基坑穩(wěn)定性影響是有必要的.

針對(duì)外界因素對(duì)基坑穩(wěn)定性影響的問題,許多學(xué)者專家基于不同角度進(jìn)行了研究.陳萍等[9]針對(duì)相鄰基坑開挖這一關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究；周勇[10-11]采用實(shí)際監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了蘭州地鐵車站深基坑開挖變形特性和圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊建筑物及地表沉降的位移變化規(guī)律；陳輝[12]結(jié)合施工全周期的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究順逆結(jié)合超大深基坑對(duì)稱開挖對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間隧道的影響；王燦等[13]研究軟土地基結(jié)構(gòu)性改變對(duì)基坑開挖圍護(hù)墻變形、地表沉降及其鄰近地鐵隧道位移和彎矩的影響；劉念武等[14]研究了軟土深開挖引起地鐵車站深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近建筑的變形特性；葉帥華等[15]對(duì)基坑施工過程中的樁頂水平和豎向位移、地表沉降、鋼支撐軸力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與研究；Zhang等[16]調(diào)查了基坑施工過程中相鄰建筑物的損壞情況；Amir Reza Beyabanakid等[17]研究了開挖礦坑順序?qū)扔兴淼赖挠绊懀秽嵜餍碌萚18]運(yùn)用ABAQUS建立二維數(shù)值模型,研究了基坑開挖過程中對(duì)鄰近基坑的橋墩墩臺(tái)沉降和樁基變形規(guī)律；徐俊[19]采用有限元軟件從圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、鐵路路基沉降兩個(gè)方面對(duì)基坑開挖施工影響進(jìn)行研究；李霄輝[20-21]分析了基坑施工對(duì)鄰近鐵路軌道的變形影響.上述成果主要集中于單一因素對(duì)地鐵基坑穩(wěn)定性及鄰近構(gòu)筑物的影響,考慮如車輛荷載、基坑開挖等影響因素.鑒于目前地鐵基坑施工現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜,該類計(jì)算結(jié)果已不能滿足當(dāng)前的工程需求.

為適應(yīng)工程的發(fā)展需求,有必要通過有限元方法模擬耦合作用對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響,為城市地鐵基坑施工的安全和實(shí)際道路運(yùn)營(yíng)提供理論支持.因此,本文選取復(fù)雜施工條件下的行車荷載和基坑開挖工序兩個(gè)常見影響因素,通過有限元分析方法建立道路-新建基坑-既有基坑模型,分析不同行車荷載和開挖工序?qū)Φ罔F基坑的地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移等的影響,研究結(jié)果可為實(shí)際工程提供參考.

1 地鐵基坑數(shù)值模型建立

1.1 模型概況

為了研究城市中行車荷載和基坑開挖對(duì)新建及既有基坑坑底和地連墻的影響,本文借助有限元分析方法,建立道路-新建基坑-既有基坑模型進(jìn)行計(jì)算.模型總長(zhǎng)120 m,深40 m；既有基坑寬15 m,深10 m；新建基坑寬40 m,深10 m,分4 層開挖,每層開挖2.5 m,并設(shè)置支撐,其中新建基坑設(shè)有支撐,既有基坑未設(shè)支撐；為方便計(jì)算分析基坑穩(wěn)定情況,設(shè)模型分為上下兩層土厚度各20 m,上層土體為加固填土,下層土體為砂土,各層土體參數(shù)見表1.土體采用能較好反應(yīng)土體力學(xué)性質(zhì)的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,相關(guān)參數(shù)見表1.兩基坑均設(shè)有地連墻,地連墻寬0.9 m,長(zhǎng)1 m,高20 m,彈性模量為20 GPa；道路寬度為12 m,雙向四車道；具體模型如圖1所示,其中道路未設(shè)置瀝青或混凝土路面板.

表1 地基土層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 道路-新建基坑-既有基坑模型

1.2 新建地鐵基坑開挖過程模擬

新建地鐵基坑從上往下分4步驟開挖：第1步開挖至地下2.5 m,施作鋼筋混凝土支撐；第2步開挖至5 m,施作鋼筋混凝土支撐；其中第3 步開挖至地下7.5 m,施作鋼筋混凝土支撐；第4步開挖至10 m,施作鋼筋混凝土支撐,既有基坑未設(shè)置支撐[22].

求解分析步驟：①設(shè)置模型的自重應(yīng)力場(chǎng),利用軟件計(jì)算自重應(yīng)力場(chǎng)平衡；②移除第1層土體單元；③激活地下連續(xù)墻單元；④移除第2層土體單元；⑤激活第1道支撐單元；重復(fù)④⑤步驟,直至基坑底部.

1.3 路基工作區(qū)與邊界條件

土體與結(jié)構(gòu)物僅考慮自重荷載,約束模型橫向位移并固定模型底部位移.車輛荷載動(dòng)力部分對(duì)基坑變形影響不大[23],為了簡(jiǎn)化計(jì)算,本文選擇對(duì)道路施加靜荷載,且不考慮道路瀝青或混凝土路面板的影響；選取道路橫斷面同時(shí)存在4輛重2 t的車輛作為道路最不利情況；經(jīng)過計(jì)算其施加給道路的壓強(qiáng)約為1 000 k Pa.鑒于城市道路交通量在一天中,各類道路交通量存在明顯變化[24],為了分析不同程度交通量對(duì)基坑的影響,選擇一天中不同的車輛靜力荷載施加在模型道路表面,并通過計(jì)算其路基工作區(qū)深度來分析其對(duì)研究對(duì)象的影響,施加在道路表面的壓強(qiáng)約為0、250、500和750 k Pa.

路基工作區(qū)是指在路基某一深度,當(dāng)車輪荷載引起的垂直應(yīng)力與路基自重引起的垂直應(yīng)力占比為1/10～1/5時(shí),該深度范圍內(nèi)的路基稱為路基工作區(qū)[25].本文選用車輪荷載引起的垂直應(yīng)力與路基自重所占比例1/5的范圍為工作區(qū),通過有限元軟件的Boussingesq解得到如圖2所示的路基自重應(yīng)力與附加應(yīng)力隨深度變化的應(yīng)力曲線圖,通過計(jì)算可得路基工作區(qū)深度為24、34、40 m.

圖2 土體自重應(yīng)力與附加應(yīng)力隨深度變化圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

為了便于分析,將行車荷載0、250、500和750 kPa,根據(jù)路基工作區(qū)計(jì)算結(jié)果記為S0、S24、S34、S40.將新建基坑與既有基坑的地下連續(xù)墻的從左至右記為W1、W2、W3和W4,具體地連墻在模型中的相對(duì)位置如圖3所示,對(duì)模型計(jì)算土體應(yīng)力分布進(jìn)行大致分析.

圖3 地連墻相對(duì)位置圖

由圖4可知,模型土體自重應(yīng)力主要集中在新建基坑與既有基坑附近,而隨著行車荷載的增加,模型土體的應(yīng)力開始進(jìn)行重分布,且隨著行車荷載的增加,土體的應(yīng)力逐漸增長(zhǎng),當(dāng)行車荷載達(dá)到750 k Pa時(shí),土體的應(yīng)力主要集中在新建基坑附近,為了進(jìn)一步分析行車荷載和新建基坑開挖耦合對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響,接下來將對(duì)新建及既有基坑坑底變形來進(jìn)行分析.

圖4 有限元模型的應(yīng)力分布情況

2.1 行車荷載對(duì)兩基坑坑底及其地連墻的影響

對(duì)既有基坑與新建基坑施工完畢坑底的豎向位移U2進(jìn)行研究,在既有基坑與新建基坑坑底底部表面設(shè)立路徑,以基坑坑底左邊界為坐標(biāo)原點(diǎn),通過有限元分析方法計(jì)算得該路徑上的豎向位移情況.由圖5可知,隨著行車荷載的變大,在新建基坑坑底鄰近道路側(cè)的變形差別最大,與參照組S0相比,差別達(dá)到2 cm 以上,而隨著所設(shè)路徑的距離增加,這種差別迅速減小,在新建基坑中部,行車荷載對(duì)基坑變形的影響基本可以忽略.同理,既有基坑因?yàn)榕c道路之間的距離超過40 m,且新建基坑地連墻的加固作用,既有基坑坑底變形基本相同,因此該影響也可以忽略.

圖5 不同行車荷載影響下兩基坑基底豎向位移圖

由上可知新建基坑與既有基坑坑底變形情況,而后針對(duì)新建基坑與既有基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加深入的研究.在不同行車荷載影響下,隨著行車荷載的增加,新建基坑與既有基坑地連墻的橫向位移U1也隨著增加,如圖6所示,新建基坑的地連墻W1、W2和既有基坑的W3、W4的最大橫向位移改變量分別為18、4、4與1 mm.從圖中可以明顯地看出靠近道路側(cè)的新建基坑中的地連墻W1受行車荷載影響,結(jié)構(gòu)變形更加明顯,而新建基坑的地連墻W2 與既有基坑W3因相隔較近且距離道路間隔超過40 m,不同行車荷載對(duì)其的影響衰減；距離道路最遠(yuǎn)的既有基坑的地連墻W4最大位移改變量則為1 mm,可以認(rèn)為其基本不受行車荷載的影響.這說明,道路上施加的行車荷載對(duì)鄰近周邊土體及防護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響要相對(duì)劇烈,距離道路越遠(yuǎn),這種影響會(huì)迅速衰減.

圖6 不同行車荷載影響下兩基坑地連墻橫向位移圖

為了更好地指導(dǎo)實(shí)際工程建設(shè),將對(duì)在不同行車荷載作用下的地連墻在剪應(yīng)力方面進(jìn)行更加深入的研究,如圖7所示.

圖7 不同行車荷載深度影響下兩基坑地連墻剪應(yīng)力圖

從圖7可以看出,在不同行車荷載下,剪應(yīng)力主要集中在地連墻5～15 m 范圍內(nèi),與地連墻橫向位移圖相似,剪應(yīng)力變化主要體現(xiàn)在地連墻W1上,其余地連墻的剪應(yīng)力受行車荷載影響較小.就新建基坑的地連墻W1 而言,不同行車荷載對(duì)新建基坑地連墻W1的影響主要集中在5～10 m,且行車荷載越大,剪應(yīng)力變化越明顯.新建基坑的地連墻W1承受了主要道路上施加的行車荷載的影響,對(duì)于新建基坑地連墻W2和既有基坑地連墻W3、W4,因距離道路較遠(yuǎn),行車荷載帶來的影響隨之減弱,可以認(rèn)為地連墻W2、W3和W4幾乎不受行車荷載影響.以上分析說明道路上施加行車荷載對(duì)基坑的影響是有范圍的,地連墻與距離是減少這種影響的有效途徑,因此實(shí)際基坑施工時(shí),對(duì)于離行車荷載的道路較近的基坑安全性需要引起重視,而較遠(yuǎn)處的基坑可以不用考慮行車荷載的影響.

2.2 不同開挖工序?qū)Φ剡B墻及道路的影響

選取行車荷載影響較大的行車荷載750 k Pa即S40作為工況,在此條件下,研究不同開挖工序○、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ對(duì)基坑及道路穩(wěn)定性的影響.其中第○步表示土層未開挖,第Ⅰ步表示開挖至地表以下2.5 m；第Ⅱ步表示開挖至地表以下5 m；其中第Ⅲ步表示開挖至地表以下7.5 m；第Ⅳ步表示開挖至地表以下10 m.在不同開挖步下,新建基坑與既有基坑的地連墻的橫向位移如圖8所示.

圖8 不同工序下地連墻橫向位移變形圖

由圖8可知,在不同開挖步下,地連墻的橫向位移有明顯的差別,且均向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生“弓形”變形,最大變形集中在地連墻頂部,地連墻W1 變形最明顯.隨著基坑向下開挖,新建基坑的地連墻W1、W2和既有基坑的W3、W4受鄰近道路上施加荷載的影響,最大位移改變量為4、7、5和2 mm,W1、W2、W3因鄰近開挖基坑,因此受影響較大.就開挖工序?qū)Φ剡B墻結(jié)構(gòu)主要變形部位而言,由圖7可知,隨著開挖深度的增加,墻體水平位移隨之增大；對(duì)于同一地連墻而言,最大位移改變部位不隨開挖深度的增加而改變,且頂部位移受開挖影響較?。粚?duì)于不同地連墻,新建基坑的地連墻W1、W2和既有基坑的W3、W4最大位移改變量的部位隨著道路距離而變化,新建基坑地連墻W1、W2與既有基坑地連墻W3、W4最大位移改變部位分別為地連墻頂部向下10、15、17.5 和20 m 處,且地連墻頂部的位移基本保持不變.由此可見,就地連墻的橫向變形而言,行車荷載和路基開挖耦合作用主要對(duì)地連墻的下部結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響.

為了更加深入地研究行車荷載和路基開挖共同作用下對(duì)地連墻的結(jié)構(gòu)影響,選取行車荷載750 k Pa即S40工況新建基坑的W2地連墻進(jìn)行力學(xué)分析.由圖9可知,相較于未開挖的○步,隨著開挖深度的增加,第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ開挖步的新建基坑地連墻W2所受的最大橫向受力F1不斷增加；最大受力位置在未開挖時(shí)集中在地連墻中下部15 m 左右,隨著開挖深度的增加,最大受力位置開始出現(xiàn)在地連墻上部,當(dāng)達(dá)到極值時(shí),地連墻的橫向受力開始迅速衰減,這說明一開始地連墻上部承受較大的橫向力,隨著開挖深度增加,由于上部土體的減少和設(shè)置的支撐作用,所以橫向力會(huì)突然迅速衰減；而且隨著開挖深度增加,開始地連墻所受的橫向力迅速衰減的位置會(huì)向下移動(dòng),這使得地連墻局部受力增加,嚴(yán)重危害其安全性.

圖9 新建基坑地連墻W2的橫向力與剪應(yīng)力變化情況

繼續(xù)深入研究W2地連墻的彎矩M分布情況,由圖9可知,新建基坑地連墻W2在不同開挖步下中下部的彎矩分布規(guī)律相似,自地連墻底部彎矩開始增加,在15 m 左右達(dá)到最大值,而后彎矩開始遞減,且地連墻中下部的最大彎矩值隨著開挖深度的增加而增加,每一個(gè)開挖步對(duì)彎矩的影響并不是線性疊加而是逐步衰減的.對(duì)于地連墻W2中上部,可以發(fā)現(xiàn),此時(shí)地連墻中上部往往承受較大的彎矩,不同開挖步中,在設(shè)置支撐處,彎矩會(huì)出現(xiàn)反彎點(diǎn),遏制彎矩增加的趨勢(shì),這說明在基坑開挖時(shí)設(shè)置支撐可以有效地減少地連墻的受力,充分發(fā)揮地連墻的性能,增強(qiáng)基坑的穩(wěn)定性與安全性.

研究不同開挖工序?qū)τ谕馏w豎向沉降U2的影響.在道路的表面設(shè)立路徑記為ROAD,在既有基坑坑底設(shè)立路徑記為JK,在這些路徑上分析新建基坑開挖對(duì)行駛道路與既有基坑坑底的沉降影響.由圖10可知,對(duì)于行車道路表面,土體沉降集中在車輛荷載作用處,最大沉降為18cm,地表沉降值由中間向道路邊緣逐漸減小；在不同新建基坑開挖的影響下,行車道路表面的沉降基本無變化.而對(duì)于既有基坑坑底沉降而言,沉降集中在基坑中心處,最大沉降為3.5 cm；不同新建基坑開挖影響主要集中在新建基坑第一層土體開挖,而之后的開挖工序?qū)拥撞砍两祹缀鯚o影響,這說明基坑開挖對(duì)于既有基坑與道路的影響較小,在實(shí)際工程中,開挖步對(duì)基坑沉降的影響可以只考慮第一步土體開挖.

圖10 不同新建基坑開挖工序下土體沉降圖

3 結(jié)論

本文基于實(shí)際工程進(jìn)行分析,考慮不同行車荷載和新建基坑開挖的作用,利用有限元分析方法分析其對(duì)既有基坑坑底沉降、兩基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力等的影響,得到了以下結(jié)論：

1)不同行車荷載產(chǎn)生的路基工作區(qū)深度將會(huì)引起土體的應(yīng)力重分布,土體應(yīng)力主要集中在新建基坑附近.

2)在行車荷載和基坑開挖的影響下,行車荷載與新建基坑開挖的增加使得新建基坑地連墻的結(jié)構(gòu)中上部受到更大影響,這說明行車荷載和基坑開挖對(duì)地連墻存在影響但有范圍.

3)在最不利行車荷載的作用下,新建基坑開挖對(duì)既有基坑的坑底與道路表面變形的影響可以只考慮新建基坑第一層土體開挖,其余工序幾乎無影響.說明地連墻的設(shè)立可以有效減少基坑開挖對(duì)周邊土體變形的影響.

4)在實(shí)際工程中,在行車荷載與基坑開挖的作用下,新建基坑與既有基坑應(yīng)當(dāng)及時(shí)設(shè)置防護(hù)措施,重點(diǎn)關(guān)注新建基坑地連墻的中上部結(jié)構(gòu),必要時(shí)可加設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu),這有助于保證基坑具有足夠的穩(wěn)定性.