地铁基坑开挖对临近地下通道的影响规律研究

印长俊，阳文胜，马鹏远

(1.湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)



地铁基坑开挖对临近地下通道的影响规律研究

印长俊1，阳文胜1，马鹏远2

(1.湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

以长沙市地铁3号线某明挖车站为依托，采用土工有限元软件Plaxis8.2模拟基坑开挖对地下通道的影响，分析基坑与地下通间隔距离参数变化情况下，地下通道的变形规律.计算结果表明，基坑开挖明显改变了邻近地下通道的变形场.随着间隔距离减小，地下通道的最大水平位移变化较为明显，最大竖向位移变化不大.

地铁基坑；地下通道；数值分析

0 引 言

目前，随着全国地铁工程的发展，其与邻近既有地下通道之间的影响日益增加.地铁工程周围环境一般较为复杂，而地铁基坑的开挖不可避免的会造成周围地层中地下水以及初始应力场的改变，从而引起邻近地下通道的附加位移和受力，严重的甚至会引起地下通道的开裂破坏影响地下通道的正常使用.故研究基坑开挖对地下通道的影响很有必要.

国内外岩土工程界就深基坑工程对邻近管线及建筑物的影响问题展开了研究.如Poulos等[2]运用有限元和边界耦合方法研究黏土层中由于基坑开挖引起土体侧向位移对邻近桩基的影响，分析了各种影响因素并编制了设计表格，其在缺乏详细的现场工程资料时有很好的参考价值.陈福全等[5]利用运用有限元方法研究了基坑开挖时各种影响因素对邻近桩基水平位移和弯矩的影响.提出了邻近桩基距开挖面的距离较小时，对桩基影响很大.

本文依托长沙地铁3号线某地铁车站，采用弹性有限元方法，建立模拟基坑开挖过程的数值模型，研究地铁车站基坑开挖邻近地下通道的影响，并讨论地下基坑与地下通间隔距对控制地下通道附加位移的作用.

1 工程概况

长沙地铁3号线某地铁车站外包总长202m，标准段总宽20.7m.该站采用明挖法，基坑埋深约为16.26～18.40m.基坑分两级开挖：上部按坡率1∶1放坡开挖,开挖高度约7.5～8.0m,采用土钉墙护坡，土钉水平间距1.5m，竖向间距1.2m，坡面设100mm厚网喷混凝土；下部采用钻孔灌注桩+内支撑围护型式开挖，开挖深度约7.5～9.4m，灌注桩Ø800@1000,采用两道内支撑，第一道为钢筋混凝土撑水平间距9m，第二道为Ø609，t=16钢管支撑水平间距3m.地铁基坑开挖面距地下通道3.2m，基坑支护结构与地下通道结构型式如图1所示.

图1 横剖面图

根据地勘资料揭露显示，自上而下分布土层主要有：素填土、粉质粘土、泥质粉砂岩，各层土物理力学指标详见表1.基坑深18.26m，位于泥质粉砂岩，地下水水位为地面以下4.3m.

表1 地层物理力学指标

注：带*的为试验统计结果.

2 数值分析

2.1 原理及方法

为了分析地铁基坑开挖对地下通道的影响，采用连续介质有限元法对基坑开挖过程进行模拟分析，该方法考虑土与结构的共同作用，可以将基坑围护以及周围土体作为一个整体进行建模计算.此外，本文使用Plaxis8.2土工有限元软件，采用摩尔库伦模型来模拟土的本构关系，该模型是一种可以考虑土体刚度随深度变化的一阶模型，可以较好地描述土的破坏应力状态.

2.2 基本假定

忽略纵向边界条件的影响，采用二维有限元分析.将灌注桩等效为板桩，按下式计算等效后的板桩弹模.

(1)

式中，Ep—灌注桩的弹性模量；Es—土的弹性模量；d—桩直径；u—相邻桩的中心距离.将桩体等效为板桩，忽略桩间的绕流，使得在基坑开挖过程中，土层的水平位移产生的水平作用均作用在桩身上，这有可能使土层水平位移比实际略小，而桩身水平位移比实际略大，但被动土拱效益分析结果表明[4]，当桩中心间距小于3倍桩径时，由于开挖引起的土层侧向位移，在被动桩附近产生的侧压力90%以上由桩承担，既该灌注桩可以等效为板桩.

忽略桩身尺寸效益，桩体采用板单元离散，为提高土体精度，土体采用高精度的15节点三角形单元离散.与此想匹配，土钉采用5节点的具有轴向刚度而无弯曲刚度的土工格栅单元离散.同时利用Plaxis8.2的界面模拟土钉与土，桩与土体之间的相互作用，相互作用的糙率，通过截面合适的界面的强度折减因子Rinter的值来模拟，将桩墙的摩擦力和黏聚力与土体的强度相互联系起来[1],分析时不考虑灌注桩施工对土体的影响.边界条件采用标准固定边界，约束左右水平约束和底边界固定约束.图2为二维有限元模型.

图2 有限元模型

2.3 计算荷载步

地铁基坑在开挖之前场地存在初始应力场，该初始应力场考虑地下通道施工对土体自重的影响.故需要在土体自重应力场的基础上考虑地下通道的作用，基坑开挖可以作为后续施工步骤，且二者之间无变形的相互影响，所以在上述应力场的基础上，初始化所有的位移与应变为零仅保存其变化的应力场作为基坑开挖模拟的初始条件如图3、图4所示.具体计算工况如下：

工况1：土体初始应力状态计算.

工况2：放坡开挖一级基坑施做土钉墙(-5.90m).

工况3：施做围护桩与内撑.

工况4：开挖二级基坑挖到基坑底部(-18.26m).

图3 初始剪应力场

图4 初始正应力场

2.4 计算结果

根据实际施工情况，进行数值模拟计算.从图5、图6可知地铁基坑在开挖过程中会引起土体侧向移动导致地下通道产生附加位移，基坑开挖引起地下通道变形表现为整体下沉和向基坑内侧移动.不同的支护型式对土的影响不同，刚度小的土钉墙对土的约束较小，产生的土体侧向移动较大，引起地下通道的附加位移也较大，而刚度大的桩加内支撑的支护型式，产生的土体位移较小，同时引起地下通道的地下附加位移较小.图7为地下通道随开挖深度位移曲线图，可以看出随着基坑开挖深度的增加，地下通道附加位移变大，其中附加的地下通道竖向位移受开挖深度影响较水平位移更为明显.

图5 工况2土体水平位移

图6 工况4土体水平位移

图7 地下通道位移曲线

3 地下通道距开挖面的距离对地下通道的影响

为了控制地下通道的变形，保证地下通道距开挖面的距离十分必要，不仅能较好的控制地下通道的附加位移，更能获得最佳的经济效益.

分析在实际工程荷载作用下，计算不同间距工况下，地下通道的附加位移情况.具体计算工况如表2所示.

表2 计算工况

在上述模型基础上，运用控制变量法分析不同间距对邻近地下通道结构变形的影响.选取地下通道侧墙和底板附加变形进行分析.不同间隔距离下地下通道侧墙水平位移与底板竖向位移曲线如图8、图9所示.

从图8、图9可知，地下通道的变形场受到地铁基坑开挖的影响，二者间隔距基坑越近，地下通道变形越明显.距开挖面为7m时，引起地下通道最大竖向位移为6.67mm，最大水平位移为2.9mm；距开挖面为5m时，分别为7.29mm、5.15mm，距开挖面为3m时，分别为8.1mm、7.36mm；距开挖面为1m时，分别为8.74mm、9.55mm.随着距间隔距离的减小，引起地下通道水平位移变化明显，从7m到1m时，增幅3.3倍；而引起地下通道最大竖向位移变化不大，可见，间隔距离对控制地下通道变形效果明显.

图8 通道侧墙水平位移曲线

图9 通道底板竖向位移曲线

4 结 论

采用土工有限元软件Plaxis8.2分析土钉墙与内支撑联合支护基坑开挖对邻近地下通道的影响，并考虑地下通道距开挖面距离，对地下通道附加位移的影响，可以得到以下结论：

(1)邻近地下通道的变形场明显受到基坑开挖的影响，具体规律体现为：随着基坑开挖深度增加，邻近地下通道变形越明显，其中竖向位移增加速率略大于水平位移.

(2)当支护结构型式发生改变时，地下通道附加位移发生明显变化，刚度小的支护型式产生的附加位移较大.

(3)随着地下通道与基坑开挖面距离的增大，引起地下通道水平位移变化明显，而地下通道最大竖向位移变化不大.

(4)保证地下通道与基坑的间距能够有效的控制地下通道的变形以及地下通道的正常使用.

[1] 北京金土木软件技术有限公司.Plaxis岩土工程软件使用指南[M].人民交通出版社,2010.

[2] POULOS H G,CHEN L T.Pile Response Due to Unsupported Excavation-induced Lateral Soilmovement[J].Canadian Geotechical Journal,1996,33(6)：670-677.

[3] 郭典塔,周翠英.基坑开挖对接近地铁车站的影响规律研究[J].现代隧道技术,2015,22(1):156-162.

[4] 陈福全,杨 敏.地面堆载作用下邻近桩基性状的数值分析[J].岩土工程学报,2005,27(11):1286-1290.

[5] 陈福泉,汪金卫,刘毓氚.基坑开挖时邻近桩基形状的数值分析[J].岩土力学,2008,29(7):1971-1976.

Research on Effect Rule of Subway Foundation Pit Excavation Operation in Adjacent Underpass

YIN Chang-jun1,YANG Wen-sheng1，MA Peng-yuan2

(1.College of Civil Engineering andmechanics,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd,Beijing 100055,China)

Based on the study of Changshametro Line 3of one open-cut station,the geotechnical finite element numerical analysis software Plaxis 8.2is used to simulate the influence of construction of foundation pit on adjacent underpass,and to analyse the deformation law of adjacent underpass under different net distance between excavation and underpas.The research result shows that the construction of foundation apparently changes the deformation field of adjacent underpass.And with the net distance distancing,themaximum horizontal displacement change ismore obvious,and themaximum vertical displacement change is less.Keywords:metro excavation; underpass; numerical analysis

2015-09-04基金项目：湖南省教育厅科研资助项目(10C1286)；湖南省科技厅一般项目(2010CK3035).作者简介：印长俊(1977-)，男，博士，副教授,研究方向：复合地基的基本理论.

TU91

A

1671-119X(2016)01-0087-04