深基坑开挖对下卧地铁的影响数值分析

姚孟洋

0 引言

随着地下空间的开发和利用,超大深基坑开挖面临的周边环境会越来越复杂,其中之一就是深基坑开挖卸荷对下卧隧道的影响。在软土地层中开挖基坑引起的基坑底隆起会同步带动下方地铁隧道隆起[1,2],可能会导致地铁隧道产生附加弯矩、应力和变形,严重则将引起地铁隧道的破坏。因此,研究深基坑开挖对下卧地铁的影响具有重要意义。本文运用三维有限元分析软件,对广州市某复杂地质和周边环境下的深基坑施工过程进行模拟,计算基坑开挖对地铁6号线的影响,评估该支护方法的可行性,为该基坑的设计和开挖施工提供指导。

1 工程概况

1.1 场地概况

本项目位于广州传统商业中心区,越秀区泰康路以南、北京南路139号以西、海味街以北地段,紧邻北京路商业步行街、地铁6号线和1号线站点。拟建工程为骑楼建筑形式五层商业楼,在广州市轨道交通6号线海珠广场至北京路区间右线隧道结构上,现阶段右线隧道已建成,左线隧道还未施工至此。场地周边已建或在建的建筑物如图1所示。

1.2 基坑概况

该项目一期基坑(浅坑)开挖边线周长约 346m,面积约2230m2,开挖深度约9.4 m。二期基坑(深坑)开挖边线周长约710.5 m,面积约9836m2,开挖深坑约16.8 m。本项目基坑采用1 m厚地下连续墙+内支撑支护体系。浅坑第一道、第二道支撑中心标高分别是-1.4 m,-5.5 m;深坑第一道、第二道、第三道支撑中心标高分别是-1.4 m,-5.5 m,-10.1 m(基坑顶面标高为±0.00),基坑冠梁、腰梁、内支撑梁L1,L2,L3截面尺寸分别为1.0m×1.0m,1.0m×1.0m,1.0m×1.0m,1.0m×1.2 m,0.8 m×0.8 m。

2 基坑施工过程三维数值模拟分析

2.1 地层模型

目前,已有大量的基坑三维有限元计算工程实例[3,4]。本文直接在 Midas/GTS中建模,主要地层包含:杂填土、淤泥、淤泥质粉细砂、中风化含砾粉砂岩。

2.2 材料参数

本文三维模型中内支撑结构采用梁单元模拟,连续墙采用板单元模拟,两者都为线弹性材料,弹性模量E取3×104MPa。土层力学参数见表1。

表1 土层力学参数

2.3 分析工况与基本假定

本次分析以地铁隧道在基坑施工过程中的安全性为主要分析对象,将不同的施工步骤用不同的字母代替,具体如下:A为右线隧道;B为左线隧道;C为一期基坑连续墙;D为一期基坑内支撑;E为二期基坑支护结构;F为一、二期地下室主体结构及裙楼施工。在综合考虑地铁隧道施工进度与基坑(包括地下结构)施工进度的情况下,本次分析工况如表2所示。

表2 分析工况

分析过程中采用以下基本假定:

1)不考虑基坑分部开挖,且不考虑土体流变影响;2)不考虑地下水的影响。

2.4 有限元网格及边界条件

考虑基坑平面影响范围约4倍开挖深度[5],坑底以下影响深度约为开挖深度的2.0倍～2.5倍[6],取模型尺寸为500m×400m×60m。隧道及连续墙采用板单元,支护结构采用梁单元,土体、转换板采用实体单元。模型侧面约束相应法线方向的水平位移;模型底面约束X,Y,Z轴三个方向位移;顶面边界为自由边界。

3 数值模拟结果

该项目场地环境复杂、基坑施工对地铁6号线的影响是分析重点,计算结果主要包括基坑支护结构及广州地铁6号线(左、右线)隧道水平位移、竖向位移。

1)基坑支护结构及地铁左右线位移极值计算结果汇总见表3。

表3 基坑支护结构及地铁左右线位移极值 mm

从表3可知:a.本项目基坑开挖施工过程中,支护结构最大位移为22.73mm,位置在粤海泰康路工程基坑东侧(工况1)。b.本项目基坑施工引起的地铁6号线上抬最大值为6.35mm,位置在浅坑(一期)底部隧道;地铁水平位移为2.08mm。

2)不同工况下基坑开挖对地铁右线隧道的影响。a.从基坑与隧道的相对关系可知,右线隧道在一期基坑底部,隧道中心线标高与二期基坑底部标高相近,故右线隧道受基坑施工影响最大,一期、二期基坑施工均对隧道结构的位移有一定影响。一期基坑施工引起隧道上抬最大值为3.79mm,水平侧移最大值为0.78mm;二期基坑施工引起隧道上抬最大值为2.56mm,水平侧移最大值为1.30mm。b.本项目一期基坑连续墙长脚部分已经入岩,上部结构(裙楼)荷载通过一期基坑底部厚板(2m)向两边连续墙传递,两边连续墙再传递给基岩,因此,虽然右线隧道顶距离基坑底部最近处仅为7.9 m(基坑东侧),但裙楼荷载对右线隧道位移的影响较小,裙楼荷载引起隧道下沉最大值为0.72mm。

3)不同工况下基坑开挖对地铁左线隧道的影响。

a.左线隧道平面位置在本项目基坑东侧(与一期基坑连续墙净距为2.5 m),标高位于邻近一期基坑底以下7.9 m,受一期基坑开挖的影响较小,隧道上抬最大值为1.96mm,水平侧移最大值为0.52mm。由于一期基坑连续墙的作用,二期基坑开挖对左线隧道的影响更小,隧道上抬最大值为1.05mm,水平侧移最大值为1.5mm。

b.上部结构(裙楼)荷载通过一期基坑底部厚板(2m)向两边连续墙传递,两边连续墙再传递给基岩,裙楼荷载对左线隧道位移的影响较小,裙楼荷载引起隧道下沉最大值为0.74mm。

4 结语

1)通过有限元计算结果可知,本项目工况1为最不利工况;工况3为最有利工况。

2)通过在隧道顶部设置转换板,裙楼荷载对地铁6号线左右线隧道的影响很小,采用转换板将裙楼荷载传递给连续墙这种方法可行。

[1]刘国彬,黄院雄,侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J].岩石力学与工程学报,2001,20(2):202-207.

[2]陈 郁,张冬梅.基坑开挖对下卧隧道隆起的实测影响分析[J].地下空间,2004(12):748-751.

[3]万 顺,莫海鸿,陈俊生.深基坑开挖对邻近建筑物影响数值分析[J].合肥工业大学学报,2009,32(10):1530-1533.

[4]李家平.基坑开挖卸载对下卧地铁隧道影响的数值分析[J].地下空间与工程学报,2009(5):66-67.

[5]夏明耀.地下连续墙的变形机理与环境问题对策[J].同济大学学报(自然科学版),1991,19(1):59-66.

[6]邓指军,贾 坚.地铁车站深基坑卸荷回弹影响深度的试验[J].城市轨道交通研究,2008(3):52-55.