近接城市地铁隧道的深基坑支护结构设计研究

2020-03-01李星宇

建筑施工 2020年9期

李星宇

中铁十九局集团第五工程有限公司辽宁大连 116199

在紧邻地下结构的深基坑施工时，近接的地下结构会对其相邻土体起到一定的稳固作用，导致传统理论公式计算的基坑支护结构设计相对保守，因此从考虑地下结构的存在入手来优化此类型的地下基坑结构设计，对提升地下结构建设的经济合理性具有重要意义。

巫茂寅[1]以某基坑工程为研究对象，基于软件模拟优化设计，分析变形及沉降规律，证明模拟设计值与监测值之间存在富余，进而进行优化设计，在保证安全的前提下降低了造价；陈哲[2]通过数值模拟，分析了邻近地下结构基坑工程的土压力受地下结构的影响机理，将模拟结果与实际监测和理论计算作对比，说明了地下结构对其周围土体的稳固作用，并验算了优化方案的基坑结构设计；匡俊安[3]进一步以土压力模型为研究对象，对基坑支护过程中外部地下结构对基坑支护的影响进行研究，呈现了支护结构的位移场及应力场，结合规范与工程实践，为深基坑支护提供了更合理的支护方案。

本文基于上述研究，进一步研究近接地铁隧道对基坑支护结构的影响。

1 工程概况与试验设计

1.1 工程概况

厦门市建兴大厦基坑支护工程邻近地铁莲花路口站，基坑支护设计使用年限24个月，安全等级为一级，重要性系数为1.1。基坑支护长度约700 m，开挖深度为22 m±1.5 m。基坑段落某侧附近存在一城市地铁隧道，其拱顶埋深约为16 m，隧道结构外径6.0 m。拟建建筑地下室支护结构边缘距离地铁隧道衬砌结构距离最近处为5.0 m。根据相关规范及施工要求，由基坑开挖引起的轨道垂直及水平位移均不得超过3 mm。在运用传统的朗肯土压力计算沿深度方向的主动土压力时，由于忽略了附近地铁隧道的支护结构对该基坑区段支护的稳固作用，致使基坑设计较为保守。为在保证工程安全性的前提下，提升类似工程的经济效益，拟对此类工程进行进一步的优化设计。

1.2 试验设计

1）因基坑较好的深层地层情况与较深的嵌固深度，故发生绕底位移的可能性较小；据相关研究，绕顶端发生位移与平移位移时土的压力线重合度较大，且后者更加偏于保守，综合考虑基坑刚性挡土墙最有可能发生的位移形式，最终选择刚性挡土墙的位移模式为平移位移。

2）将挡土墙及地铁隧道视为刚性结构；墙后土体为不考虑渗流施工影响的砂性土，且服从摩尔-库仑强度准则。

3）支护结构与地铁隧道采用FLAC软件的zone实体单元模拟，支护厚度为2 m，利用null空单元模拟开挖过程。

4）底部为未分化基岩，施加完全约束，竖向约束左边界，完全约束右边界；对土体深度1 m范围内的点施加指令产生水平向左速度，以达到支护结构的水平位移。

2 试验结果分析

2.1 地铁隧道对支护土压力影响分析

数值模型分析数据如图1所示，图中空白对照组为根据经典公式计算的土压力。可以看出，朗肯土压力理论计算值比模拟分析中的2种情况的支护土压力更大。因此，用理论公式计算基坑支护结构设计的方案偏于保守。在数值模拟分析中，模拟该工程近接间距d为5 m的地铁隧道情况下，其沿深度方向上的支护土压力较不考虑地铁隧道情况下更小。因此，近接的地铁隧道对基坑支护确实能起到稳固的积极作用。在0～10 m的计算深度内，3种情况的支护土压力较为接近，可以不考虑地铁隧道对支护结构设计的影响。随着计算深度的增加，地铁隧道组的支护土压力较同深度下的其他2组减小较多，这种影响在12～22 m范围内最为显著，最多可造成支护土压力减小40%～50%的幅度；而随着深度继续增加，地铁隧道对支护土压力的影响作用逐步减弱，当深度超过25 m后，3条土压力曲线趋于集中，此时地铁隧道对支护结构的影响可忽略。

2.2 近接距离对土压力系数影响分析

选取模拟分析中同一截面不同深度处的4个计算点，按深度由浅到深分别为1号点、2号点、3号点、4号点，对其土压力系数受地铁隧道与基坑支护结构近接距离的影响作用进行分析（图2）。

图1 地铁隧道对支护土压力的影响分析

图2 典型点的土压力系数随近接距离变化曲线

选取的典型点包括了大部分计算深度有代表性的点，其土压力系数为0.2～0.6，对照组的朗肯土压力系数为0.49，1号、2号、3号点（深度较浅且1号＜2号＜3号）的土压力系数在近接距离较小时，随近接距离的扩大而增大，当近接距离增至10 m以上时，土压力系数变化趋势趋于平缓；而4号点（深度较深）的土压力系数随近接距离的扩大而保持平缓，可见地铁隧道的存在只能在一定深度范围内对周围的土压力产生影响，进而影响支护结构设计。

2.3 近接距离对土压力合力影响分析

通过模拟分析可知，地铁隧道的存在对支护土压力及土压力系数在一定深度范围内起到相当大的影响作用，可致支护土压力及土压力系数降低40%～50%。在对支护结构进行合理设计时，作用在支护结构上的土压力合力是一个重要的指标。土压力合力随地铁隧道与支护结构近接距离的变化规律如图3所示。变化趋势线表明：随着近接距离的扩大，土压力合力逐步上升，且随着近接距离进一步的增大，土压力合力向着无地铁隧道的土压力分布线逼近。

2.4 近接距离对支护土压力影响分析

图4为地铁隧道与支护结构的近接距离变化对支护结构沿深度方向上的支护土压力影响关系曲线。地铁隧道与支护结构的近接距离即为两者之间土体的宽度，当其近接距离d较小时，如d＝3 m及d＝5 m，地铁隧道对支护结构在深度10～22 m范围内的影响尤为显著，在这个范围内，土体的压力相对无地铁隧道存在时降低了30%～60%，随着近接距离逐步增加，地铁隧道对支护土压力的折减影响作用逐渐减小；当d＝7 m及d＝9 m时，在10～22 m范围内的支护土压力相对空白组的折减程度仅为10%～20%；当近接距离继续扩大时，该影响作用曲线与空白组趋于重合，地铁隧道对支护土压力的影响作用可忽略。

图3 近接距离对土压力合力的影响分析

图4 近接距离对支护土压力的影响分析

3 结语

本文结合工程特点，按照相关工程规范对经典公式与本次数值模拟土压力数据分别加以计算，根据计算结果可知：因为地铁隧道的存在，在此次模型的计算结果下，设计支护结构的钻孔与钢绞线的工程量得到大幅节省，可达50%左右，与此同时，总工程成本可减少20%左右。由此可见，在近接城市地铁隧道的基坑结构设计时，可考虑地铁隧道的存在，以保证工程的经济性。