紧邻地铁结构深基坑半逆作法施工方案的三维数值分析

2012-07-26伍尚勇杨小平刘庭金

铁道建筑 2012年11期

伍尚勇，杨小平，刘庭金

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640;2.亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510640)

随着我国城市地下空间的高密度开发和城市轨道交通的快速发展，紧邻地铁结构的深基坑工程越来越多。对这种环境状况下的基坑工程，设计方经常通过采用支护结构与主体结构相结合的逆作法或半逆作法方案以减小基坑施工对周边环境的不利影响。董月英等［1］结合工程实例对基坑施工顺序由“顺作法”改为“半逆作法”时围护设计中遇到的问题进行了探讨和计算分析，指出基坑按半逆作法施工能有效缩短总工期，并能有效缓解深基坑施工对周边环境的不利影响和解决施工场地狭小的问题。芮瑞等［2］基于三维有限元，对采用“逆作法”施工的地下连续墙深基坑进行了设计方案研究，提出了按变形控制的设计方法。钟铮等［3］以工程实例为背景，介绍了该基坑工程的逆作法设计内容，针对周边特殊环境进行了数值模拟计算，并对主要监测结果作了分析。徐中华等［4］分析了上海软土地区的一个全逆作法深基坑施工对周边三幢历史保护建筑物的影响。

在广州益丰小区三期项目深基坑工程中，基坑围护结构外壁与地铁隧道结构的最小水平距离仅4.4 m，深基坑开挖将对紧邻地铁隧道结构产生不利影响。为此，本文结合深基坑工程及紧邻地铁结构的场地工程地质条件及基坑支护结构设计特点，采用有限元软件建立三维数值分析模型，分别按半逆作法和顺作法对基坑施工的全过程进行动态模拟。研究深基坑工程采用不同的施工工艺时围护结构的变形及对紧邻地铁结构的影响，并探讨相应的控制措施，以期为类似工程提供一定的借鉴意义。

1 工程概况

益丰小区三期项目位于广州市海珠区江南大道，规划总用地面积约2 289 m2，总建筑面积约44 312 m2。项目为商住楼，地上28层，地下4层，其基础为人工挖孔桩。项目基坑周长约为234 m，近似呈长方形，基坑开挖深度为14.9 m，原设计为人工挖孔桩+内支撑及桩锚组合支护。

本项目地块东侧为江南大道中小学，该小学地上5层，无地下室;南侧紧邻佳兆业项目深基坑工程，该基坑开挖深度为15.0 m左右，设4层地下室，其基础形式为人工挖孔桩，目前该项目地下室已完工;西侧为一排单层商铺，商铺与基坑开挖边线距离较近，商铺下方有正在运营的广州地铁二号线江南西—市二宫区间隧道;北侧为地铁二号线市二宫地铁车站及其风亭结构。深基坑平面、立面布置及其周边环境见图1、图2。本项目场地原始地貌为剥蚀残丘地貌单元，局部有少量冲积土层分布，场地地层的主要物理参数如表1所示。

2 基坑支护方案

图2 深基坑立面(单位:mm)

表1 土层物理力学参数

本项目基坑设计采用φ1200@2500 mm人工挖孔灌注桩围护，半逆作法施工，地下室负一层为顺作，负二至负四层为逆作，在基坑长边方向设一道φ600@7500 mm钢管(t=12 mm)作为负一层顺作时的临时水平支撑。对于东侧邻近地铁隧道一侧，考虑到部分原人工挖孔半桩嵌固深度较小，为确保地铁隧道安全，在原人工挖孔半桩桩间新增旋挖灌注桩φ1200@2500 mm，要求进入相邻地铁隧道底下不小于3 m;紧贴佳兆业项目的南侧拟利用佳兆业已施作的旋挖桩作为围护结构;西侧利用原已施工半桩作为现基坑围护并在桩下部新增锁脚锚索;北侧由原施工人工挖孔桩和新增一道预应力锚索支护。基坑止水形式采用深层水泥土搅拌桩，并在靠近地铁隧道侧增加桩间三管旋喷桩止水。

2.1 基坑前期原半圆形旧围护桩的利用

为了满足业主要求，本工程现主要利用原已施工的人工挖孔半桩作为围护结构，由于现基坑开挖深度为14.9 m，故原部分围护桩的嵌固深度将不足0.6 m，基坑超短嵌固深度围护桩的安全性将是本工程应该关注的重点，如何在利用原围护桩取得经济效益的同时保证工程的安全也是本工程的难点。在设计计算时，原围护半桩按照原施工桩长、C25混凝土、φ800@2500、主筋18φ25考虑，围护桩与地下室侧墙通过植筋联结为整体，并通过在东侧及西侧围护桩顶冠梁上设置压顶梁以保证地上结构施工时竖向荷载的可靠传递。由于旧围护半桩距今已有7年多时间，故在本工程施工前应根据相关规定对原人工挖孔半桩桩身长度、完整性、强度、配筋等进行检测、验证，以保证在工程安全的前提下取得合理的经济效益。

2.2 锁脚锚索的应用

本工程利用原半圆形人工挖孔桩(φ1200@2500 mm)作为现基坑的主要围护结构，且基坑东侧围护结构全部为原人工挖孔半桩，原围护桩本设计用于开挖深度为10.70 m的原基坑，由于现基坑开挖深度达14.9 m，按施工记录揭示，原围护桩所对应嵌固深度仅为0.50～5.90 m，故基坑开挖过程风险较大。加之基底软质泥岩通常具有吸水膨胀特性和软化特性，若基坑开挖到底后，暴露时间过长，则基坑东侧的超短嵌固深度围护桩有可能会发生“踢脚”而造成严重安全事故，故设计在基坑开挖至－14.0 m时，在桩脚设置一道预应力锁脚锚索，使桩脚所受土压力转化为基岩内力，以提高基坑开挖过程东侧围护桩的稳定性。

3 基坑开挖的三维数值计算与分析

3.1 有限元三维数值模型

采用岩土隧道专用有限元分析软件Midas/GTS建立三维数值模型，重点分析基坑围护结构的变形规律及基坑施工对紧邻地铁隧道结构变形的影响。为简化计算，在三维数值分析中做了如下假设:

1)在土体小应变范围内［5］，土体采用线弹性模型，有利于提高进行数值模拟时的计算效率;

2)三维有限元计算模型中的地层自上而下依次简化为等厚的成层土，土层厚度依据场地内各土层埋深的变异性及起伏性，经综合考虑确定。

三维有限元模型的尺寸为320 m×250 m×64 m。采用板壳单元模拟基坑围护结构、地铁结构、隧道衬砌和地下室结构，采用梁单元及植入式桁架单元模拟基坑支护结构体系;模型采用不均匀网格，共307 912个单元，48 560个节点。计算模型上表面为自由边界，底部为竖向位移约束，各侧面均为对应方向的位移约束。

3.2 半逆作法施工计算结果分析

根据基坑实际开挖过程，基坑按半逆作法施工的主要步骤如下:①场地初始应力分析;②施作地铁车站结构;③施作盾构及矿山法隧道;④施作地铁南端风亭及共建商铺结构;⑤施作益丰原支护结构;⑥开挖基坑至－8 m后回填;⑦佳兆业基坑开挖并回筑地下室结构;⑧施作益丰基坑新围护桩和结构柱及临时钢支撑;⑨开挖基坑至－5.5 m并施作负一层地下室;⑩开挖基坑至－8.8 m并施作负二层地下室;⑪开挖基坑至－12.1 m并施作负三层地下室;⑫开挖基坑至－14.0 m并施作锁脚锚索;⑬开挖基坑至底并施作负四层地下室。图3和图4分别为基坑施工过程基坑西侧和东侧围护结构的侧向变形，图5为基坑施工过程紧邻基坑西侧右线隧道结构的水平位移。

图3 基坑西侧围护结构的侧向变形

图4 基坑东侧围护结构的侧向变形

图5 右线隧道结构的水平位移

由图3和图4可以看出基坑围护结构的变形规律如下:①按半逆作法施工时，当第一层土体开挖后，围护桩顶出现较大水平变形，但当负一层地下室楼板施工完成后，再向下开挖过程中，围护桩顶基本不产生水平变形，说明地下室楼板平面内的刚度是非常大的，能很好地限制围护结构的侧向变形;②随着基坑开挖深度的增加，围护桩最大侧移的位置开始下移，基坑围护结构出现了“腰鼓”现象，基坑开挖至－14.9 m深度时，最大侧移位置出现在－7.5 m深度左右，最大侧移量为3.2 mm，说明按半逆作法施工，基坑围护结构的水平变形能得到很好控制;③由于基坑西侧存在超载，基坑开挖过程侧向土压力通过水平支撑的传递，使基坑东侧的围护桩顶发生了向坑外的变形;④基坑开挖到底后，东侧超短嵌固深度原围护桩脚的水平变形较小，对原围护桩用预应力锚索进行及时“锁脚”后，将能有效控制原围护桩发生“踢脚”事故。

由图5可知，基坑按半逆作法施工造成紧邻区间隧道结构发生朝向基坑方向的水平位移，并且隧道结构的水平位移随着基坑开挖深度的增加而不断增加，但隧道结构的水平位移较小，最大只有1.5 mm。计算还表明，由于基坑施工过程未采取应对竖向卸载的有效措施，故隧道结构发生了较大的竖向隆起，且随着开挖深度的增加而不断增大，基坑开挖到底时发生了最大竖向位移4.0 mm。

基坑开挖对隧道水平和竖向位移影响较大范围都主要集中在基坑开挖区域附近，对基坑开挖范围以外的隧道结构影响甚小。

3.3 两种不同施工工艺的变形对比分析

基坑早期的支护方案为采用一排φ1200@2500 mm的旋挖桩对基坑形成整体围闭，设两道混凝土内撑，按顺作法施工，不考虑原围护半桩的挡土作用。

图6和图7分别为基坑按两种不同施工工艺开挖到底时基坑围护结构的水平侧移对比和隧道结构右线的水平位移对比。

图6 两种不同施工方式基坑围护结构侧向变形

图7 两种不同施工方式右线隧道结构水平位移

由图6可知，相对于顺作法，基坑采取半逆作法施工可以明显减小围护结构的侧向变形，基坑围护结构的最大侧移减小了43%，故认为逆作法施工对于控制基坑围护结构的侧向变形是十分有效的。由图7可知基坑采取半逆作法施工能有效减小紧邻隧道结构的水平位移。对比分析可知，限制地铁结构侧基坑围护结构的侧向变形能有效减小地铁结构的水平变形。

综上可知，半逆作法以结构梁板作为水平支撑体系，大大增强了支撑体系的平面内刚度，能有效控制围护结构变形，保护周边环境，特别是对基坑周边环境较为复杂时更能发挥它的重要作用。因此，半逆作法作为一种很有发展前途和推广价值的施工工艺，不仅能更好地控制基坑施工时对周边环境的影响和缩短总工期，在设计方案合理，施工组织科学的前提下，还能节约成本和资源。