基坑施工对轨道交通影响有限元分析①

2018-12-27

佳木斯大学学报（自然科学版） 2018年6期

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601)

0 引言

随着我国城市的快速发展，交通拥堵、用地紧张等问题日趋明显，人们对于城市地下空间的开发利用日益变大。其中基坑工程和城市地下隧道工程是目前比较常见的。但日益错综复杂的地下系统，也增加了施工的难度和风险。对于既有轨道交通建(构)筑物，临近新建基坑施工会对其产生扰动和附加变形影响。基坑开挖和支护是土体卸荷产生应力释放及另一个应力场重新分布的过程，进而引起围护体的变形，这种变形贯穿于施工全过程。以合肥市瑶海区北苑小区二期基坑施工对轨道3号线结构影响为例，采用三维有限元分析方法，考虑土体非线性因素，模拟基坑支护体系与土体间的相互作用，预测基坑开挖对临近隧道结构使用安全不产生影响。

1 工程概况

1.1 工程背景

北苑小区二期工程项目位于合肥市瑶海区临泉路与嘉山路交口西南角,总建筑面积约2.72万m2,工程计划于2018年7月开始基坑施工，整体基坑面积约4300m2,南北向长约134m,东西向宽约42m,基坑北侧毗邻轨道交通3号线阜阳路站-淮南路站区间。该段区间于2017年8月开始施工,目前右线区间已于2018年3月贯通,左线区间2018年4月贯通，左、右线区间均尚未铺轨。目前盾构区间内管片状态良好,无裂缝及漏水情况发生,施工监测数据正常。轨道交通3号线阜阳路站-淮南路站区间采用盾构法施工,区间结构直径6m,线间距12m,区间埋深约13.4m～14.0m,基坑围护桩外侧与阜阳路站-准南路站区间右线隧道结构外壁水平距离约9.78m,垂直距离约7.7m。基坑工程开挖深度为4.4～6.4m，基坑北侧靠近区间隧道处采用双排桩支护形式，东侧南段采用土钉墙支护，其余采用悬臂桩+上部放坡支护形式,区间与北苑小区基坑位置关系及地层信息见图1～图2。

图1 北苑小区基坑与区间隧道平面位置关系图

1.2 工程地质及水文地质概况

1.2.1 工程地质概况

根据地质勘探报告，场地为第四纪地貌形态属南淝河支流板桥河一级阶地地貌单元。地基土构成层序自上而下为：①层杂填土、②1层粘土、②2层粘土、③层粉质粘土夹粉土、④1层粉土夹粉质粘土、④2层粉土、粉细砂夹粉质粘土、⑤1层强风化砂岩、⑤2层中风化砂岩。

1.2.2 水文地质概况

根据钻探揭露,拟建场地①层杂填土中埋藏有上层滞水型地下水,一般无稳定的自由水面,主要受大气降水和地表水渗入补给；③层粉质粘土夹粉土、④1层粉土夹粉质粘土和④2层粉土、粉细砂夹粉质粘士中埋藏有层问型地下水,具有承压性,其水量较大,并与拟建场地旁的板桥河发生水利联系；⑤1层强风化砂岩中埋藏有裂隙水,其水量较小。

2 数值模拟

2.1 计算假定及参数

2.1.1 计算假定

根据实际情况,有限元计算模型进行如下假定:不考虑岩土体的构造应力,自重应力是唯一的初始地应力；结构周围的土体为连续、均质、各向同性的弹塑性体,采用硬化模型进行计算；鉴于基坑开挖是临时工程,施工时间较短,在模拟计算时未考虑土体长期性的影响,忽略了土体的固结和蠕变等因素。

2.1.2 计算参数选取

表1 土层物理力学参数值

2.2 三维有限元计算分析

2.2.1 计算边界及网格划分

根据圣维南原理,模型在纵向和横向应取基坑开挖深度的2～3倍。计算时的边界条件为:x轴方向采用x向约束,y轴方向采用y向约束,底部采用竖向约束,上表面为自由面。计算建模及网格划分见图3。

2.2.2 计算工况

根据施工先后次序,计算中应包括如下计算工况：工况1：初始地应力平衡,位移清零；工况2：施作区间隧道结构；工况3：施作第一级放坡的土钉及细石混凝土喷射面层,完成第一级土层开挖(地表至围护桩顶标高)；工况4：施作围护桩,开挖至基坑底；

各工况三维模型示意图见表2：

表2各工况三维模型示意图

2.2.3 位移计算分析

各工况下邻近区间隧道结构位移情况见图4～图5。

图2 北苑小区基坑与区间隧道剖面位置关系图

图3 三维建模示意图

基坑施工各工况对邻近区间隧道结构的位移影响汇总见表3

表3 各施工阶段对区间结构的位移影响(累计值)

a) 水平位移 b) 竖向位移

a)水平位移 b) 竖向位移

a)工况3 b) 工况4

图7 区间隧道结构弯矩图(工况3)

图8 区间隧道结构弯矩图(工况4)

由数值模拟结果知,受基坑开挖卸载的影响,邻近基坑右线区间隧道结构局部会发生水平及竖向位移,左线区间隧道受到影响较小,可忽略不计。其中右线隧道在里程右DK22+400.012～DK22+451.012为受开挖I级主要影响区,在里程右DK22+408.063处最大水平位移约1.70mm,最大隆起量约1.02mm。在里程右DK22+381.012～DK22+400.012及里程右DK22+451.012～DK22+491.012范围内为Ⅱ级次要影响区,水平位移计竖向隆起均低于0.5mm。综上,区间隊道水平位移、竖向位移均低于控制值10mm。

在工况3、工况4计算结果中提取区间隧道沿纵向分布的位移数据,从小里程方向开始取8组数据,根据变形特点,采用多项式函数y=ax3+bx2+cx+d对上述数据进行拟合分析,再根据曲率半径计算公式ρ=(1+y′2)3/2|y″|求得隧道变形的最小曲率半径。经计算,工况3隧道变形的最小曲率半径为2.12×105,工况4隧道变形的最小曲率半径为9.24×104,最大轨向高差约0.04mm。均低于控制值1.5×104。沿轨道纵向于曲率半径最小处,取10m长度,计算最大轨向高差。经计算,工况3最大轨向高差约0.03mm,工况4最大轨向高差约0.05mm。

各工况下轨道道床结构位移情况见图6。

由图可见,基坑施工期间,轨道横向高低略有不同。工况3轨道横向最大高差约0.29mm;工况4轨道横向最大高差约0.41mm。均低于控制值2mm。综上,基坑开挖对邻近轨道交通结构有一定影响,但总体上不利影响在可控范围内。

2.2.4 区间隧道结构承载力及抗裂验算

各工况下，区间隧道结构弯矩分布图见图7～图8。

各工况下,区间隧道结构的最大弯矩、承载力及抗裂验算详见表4。