合肥地铁深基坑开挖对邻近高速公路沉降的影响

孙自强,　曹广勇,　程　桦

(安徽建筑大学 土木工程学院 安徽 合肥　230601)



合肥地铁深基坑开挖对邻近高速公路沉降的影响

孙自强,曹广勇,程桦

(安徽建筑大学 土木工程学院 安徽 合肥230601)

摘要：针对合肥地铁深基坑开挖对邻近高速公路沉降的影响，采用MidasGTS有限元数值计算软件进行分析，建立了考虑高速公路及基坑施工过程的三维有限元模型，研究了邻近高速公路在不同开挖阶段的最大沉降变化以及不同开挖阶段高速公路的路面沉降分布规律，研究表明：路面最大沉降位置始终在离基坑最近的一侧路面，最终沉降量为7.77mm，对路面安全没有造成影响；随着开挖的进行，沉降量和沉降影响范围不断增加，但增加速率越来越缓慢；研究所得到结论可用来指导未来的相似工程。

关键词：深基坑；高速公路；数值模拟；Midas

0引言

深基坑施工过程中，会改变土体的原有地应力场，引起土体的变形，特别是基坑周边土体的变形对邻近构(建)筑物的危害最大，如果没有有效的控制措施，可能使与基坑相邻的构(建)筑物或地下设施开裂，倾斜甚至倒塌，并发生人员伤亡，从而造成巨大的经济损失和严重的社会影响[1-3]。

Terzaghi和Peck等人最早提出了基坑开挖的理论分析方法，在20世纪40年代就对基坑开挖展开了研究，并且提出了理论计算的方法。至今为止，我们还是沿用的这一理论原理，随着研究的不断深入，研究人员也对其理论进行了大量的改进与修正。

Attwell等研究探讨了基坑开挖引起的地表沉降规律以及地表沉降对邻近构筑物和地下管线的的影响。

潘久荣运用FLAC3D软件，通过对邻近建筑物在周围土体加固前、后基坑开挖不同次序的影响程度进行对比模拟分析，总结出基坑开挖对邻近建筑物的影响规律。

本文以合肥地铁深基坑为工程背景，利用有限元数值计算软件MidasGTS分析研究基坑邻近高速公路的绝对沉降和不均匀沉降，分析高速公路路面沉降的规律。

1工程实例

1.1　工程概况

该基坑为地铁附属风井工程的地下部分，位于既有合肥绕城高速公路(50m宽)的北侧，为地下二层结构加部分三层结构，施工时占用部分路基，围护结构采用直径为1.2m和1m的钻孔灌注桩。沿竖向的支撑为第一层混凝土支撑,二到八层为钢管支撑。基坑长边74m，短边13m，与高速公路的位置关系如图1。

图1基坑与高速公路的位置关系

1.2　工程地质

场址范围内上覆第四系全新统冲洪积粘土(Q4al+pl)；上更新统冲积层(Q3al)粘土(膨胀土)；中更新统冲积层(Q2al)粘土；下伏基岩为第三系粉砂岩。地层参数及厚度如表1所示。

表1　土层参数

2数值模拟

2.1　土体模型的建立

该基坑为地下三层结构，基坑开挖深度为26.21m，基坑长边为74m，短边为13m，其中南侧长边临近高速公路，高速公路宽50m，距离基坑最近距离为6.2m。因基坑的对称性，所以沿长边选取中间段10m部分建立模型，这样既满足了计算的准确性，又能提高计算速度[6-7]。根据相关文献可知，一般基坑开挖的影响范围为2到3倍的开挖深度[8-9]，故确立模型各边尺寸如图2所示，长160m，高60m，因沿基坑长边取中间部分10m，故宽度取10m。

图2土体模型

根据地质资料，将土层分为回填土层(路堤)，粘土2,3,4层以及全风化粉砂岩层和强风化粉砂岩层，本构关系采用Mohr-Coulomb基坑以及基坑附近的网格划分为1m的六面体网格，向四周不断扩展为5m的六面体网格，路堤网格加密。

2.2　支护结构的建立及参数的选取

围护结构采用1.2m和1m直径的钻孔灌注桩，基坑南侧桩长45m，基坑北侧桩长44m。竖向采用第一层混凝土支撑加七层钢管支撑，第一层混凝土支撑采用800mm×1000mm的矩形截面混凝土支撑，钢管支撑采用直径为600mm，壁厚为16mm的钢管支撑。为使支撑节点与土体耦合，其竖直间距化简为第一层混凝土支撑至第二层钢支撑间距为4m，其余支撑竖直间距均为3m。

灌注桩以及第一层混凝土支撑均采用c30混凝土材料，各支护结构的材料参数如表2所示：

表2　支护材料参数

支护结构布置如图3所示，桩嵌入设计基底以下18到19m，第一层为混凝土支撑，第二层到第八层为钢管支撑。

图3支护结构

2.3　定义施工阶段

通过整理施工方案及设计资料可知，基坑每次开挖至支撑位置，超挖0.5m到1m后建立支撑，然后再进行下一步开挖，据此，数值模拟的施工步骤如下：

(1)建立初始地应力，将位移场清零；

(2)激活第一层混凝土支撑，开挖至4m；

(3)激活第二层钢管支撑，开挖至7m；

(4)激活第三层钢管支撑，开挖至10m；

(5)后续几步均为激活一层支撑，再开挖3m，直至第八步开挖至坑底。

3计算结果分析

3.1　竖向位移云图

由图4至7可知，坑底随开挖不断隆起，符合工程实际。路面的最大沉降区域始终在基坑最近一侧路面，随着开挖的进行，沉降范围逐渐增大。

图4开挖至4m

图5开挖至10m

图6开挖至16m

图7开挖至基底

由图8可知随着开挖的进行，开挖深度不断增大，路面的最大沉降量也不断增大。由最初的2.19mm增加到最终的7.77mm，每一步开挖后的沉降量见表3。

表3　路面最大沉降变化量

图8不同开挖步骤的路面最大沉降量

可以看出，最大沉降量的变化量随开挖的进行是不断减小的，由最初的-1.16mm的变化量发展到的-0.5mm的变化量。变化量不断减小，表明开挖对路面沉降的影响越来越小。

3.2　路面沉降分析

图9为不同开挖深度，路面沉降的分布情况。由图可知，随着开挖深度的增加，路面沉降的影响范围不断扩大。开挖至4m深时的影响范围为10.88m左右，开挖至7m深时为12.9m左右，开挖至16m深时，影响范围已经覆盖全路面。但通过观察可知影响范围增加的越来越缓慢，最后趋于平缓。

图9开挖至不同深度的路面沉降分布

沉降量沿着路面向远离基坑一侧不断减小。开挖至4m时，最大沉降量在基坑最近一侧路面，大小为2.19mm，当达到10.8m远时减小为0。开挖至基底时的最大沉降量为7.77mm，达到路面边缘时的沉降量减小到1.13mm。根据沉降趋势，可以看出，沉降曲线向远离基坑一侧不断减小分两个阶段，第一阶段的曲率为增大趋势，即沉降的减小比较急速，当达到一定距离后的曲率为减小趋势，表明沉降的减小越来越缓慢，最后趋于平缓。

从曲线上能够看出，沉降的主要影响范围为32m左右，再往远处发展，其沉降值可以忽略不计。

4总结

本文以合肥地铁深基坑开挖为工程背景，采用数值模拟计算法(MidasGTS)研究了基坑开挖对临近高速公路的影响，主要结论和建议如下：

(1)开挖至基底后路面的最大沉降量为7.77mm，离基坑最远端的路面沉降量为1.13mm。对高速公路安全使用没有造成影响；

(2)基坑开挖引起的土体位移对临近高速公路有一定的作用。路面的最大沉降区域始终在离基坑最近的一侧路面，随着开挖的进行，路面的最大沉降量不断增加，但增加速率不断减小。

(3)随着开挖的进行，路面的沉降影响范围不断扩大，开挖至4m深时的影响范围为10.8m，开挖至13m深时的影响范围为28.58mm，开挖至最后的沉降影响范围覆盖整个路面，但其主要影响范围为32m左右，再往远处发展的沉降量可以忽略不计。

(4)在以后的深基坑开挖工程中，对于基坑邻近多构(建)筑物的情况，一定要做好监测工作，离基坑较近一侧的沉降监测应作为重点监测区域。

参考文献

1陈滋雄. 基坑开挖对邻近建筑物的影响研究. 重庆：重庆大学，2012.

2李云安. 深基坑工程变形控制优化设计及其有限元数值模拟系统研究. 岩石力学与工程学报 2001(5):421-421.

3赵延林,高全臣,衡朝阳. 基坑开挖对近邻建筑物沉降影响的数值模拟. 黑龙江科技学院学报 2005(3):106-109.

4Attwell P.B．Soil movement induced by tunneling and their effects or pipelines and structures．Black Chapman and Ha11，1986，20～46．

5潘久龙．地铁车站施工基坑开挖对临近建筑物的影响研究 .南昌：华东交通大学.2012

6王海涛,徐炳雄,纪文武,张会远,易富民. MIDAS/GTS-快速入门与使用技巧. 大连:大连理工出版社 2013.

7李治. MIDAS/GTS在岩土工程中的应用. 中国建筑工业出版社2012

8徐中华，王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择.岩土力学2010(1):258-264.

9李云安,张鸿昌,糜崇蓉. 深基坑工程变形控制及其影响因素的有限元分析. 水文地质工程地质 2001(4):1-4.

Influence of Deep Excavation to The Surface of Adjacent Motorway

SUN Ziqiang, CAO Guangyong

(Anhui Jianzhu Universuty, Civil Engineering, Anhui Hefei, 230601)

Abstract:For the deep foundation pit excavation of subway Hefei effect on adjacent highway settlement, by using the finite element method software-MidasGTS, a three-dimensional finite element model considering the motorway as well as the deep excavation process is established to analyze the influence of the deep excavation on adjacent motorway’s subsidence. The maximum subsidence of the adjacent motorway and the distribution of the subsidence in different steps are studied. The motorway’s maximum subsidence is at the edge of the foundation pit and the maximum subsidence is at 7.77mm were found. It doesn’t damage the motorway’s security. The amount and distribution’ size of subsidence gradually increases as the excavation process, but the speed of the increases gradually reduce. These conclusions can be used to guide the future similar projects.

Key words:Deep Excavation； Motorway； Numerical simulation； Midas

中图分类号：TU411.01

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)02-030-04

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150206

作者简介：孙自强(1987-),男,硕士研究生，主要研究方向为地下结构计算理论与应用。

收稿日期：2014-10-16