基于MIDAS的深基坑开挖变形及其对邻近地铁隧道的影响研究

2020-03-03石显祥

矿产与地质 2020年6期

石显祥

(福建岩土工程勘察研究院有限公司，福建福州 350108)

0 引言

随着我国城市化和建筑技术的飞速发展，城市地下空间发挥着越来越重要的作用[1]，近些年深基坑工程[2-4]屡见不鲜。随着基坑规模和开挖深度的不断变大，加之周边环境的复杂多变，施工中对其变形的要求越来越严格[5-6]。一方面，基坑的施工要保证自身安全稳定[7-9]；另一方面，要尽可能减少其对周边地铁隧道和管线等建(构)筑物的影响[10-11]。因此研究和控制深基坑在施工中的变形具有重要意义。本文结合临近地铁隧道的某写字楼基坑开挖，利用有限元研究了各施工步骤中其自身的变形及对临近隧道的影响，计算结果可有效指导现场施工，保证基坑和地铁结构安全。

1 工程概况

拟建工程为某商业写字楼，该工程包括地下3层和地上28层，为框剪(筒)结构。该建筑场地南侧为地铁2号线，其用地红线为25 m，新建写字楼地下室外墙与地铁2号线的严格控制线距离为2.3 m。本建筑基坑为临时性工程，其开挖深度为12.5 m，安全等级为一级。在基坑施工时，选用两层水平混凝土支撑和钻孔灌注桩进行支护，并在其四周设置止水帷幕。根据现场钻探资料可知该地层由上至下分别为杂填土、黏土、粉质黏土夹粉土、粉土夹粉质黏土、粉细砂、强风化砂岩，其深度及力学参数见表1。

2 有限元模型的建立

本文基于有限元软件MIDAS进行仿真计算，研究基坑开挖过程中其自身变形及对临侧地铁的影响。在考虑基坑开挖引起的初始应力后，本基坑的施工步骤可以被划分为分析初始应力、施工围护墙和格构柱、开挖第一层(至0.8 m)、设置混凝土支撑和冠梁(第一道)、开挖第二层(至8.0 m)、设置混凝土支撑和冠梁(第二道)、开挖第三层(至12.5 m)、施工地板、结构主体的施工。施工中各结构材料参数见表2。

表1 地层构成及力学参数Table 1 Stratum composition and mechanical parameters

表2 各结构材料参数Table 2 Material parameters of each structure

本文建立的有限元模型实体单元数为76 600，网格节点数为56 082。有限元模型的荷载主要包括房屋荷载、测量荷载及自重荷载。开挖前后的有限元模型见图1。

3 深基坑开挖内力变形分析

3.1 混凝土支撑轴力分析

开挖完成第三层后，两道混凝土支撑的轴力云图见图2。

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

图2 混凝土支撑轴力云图Fig.2 Cloud diagram of concrete support axial force

根据有限元计算结果可知，第一道和第二道混凝土支撑的最大轴力分别为520 kN和1270 kN，均在安全范围内。两道混凝土支撑轴力的最大值均出现在开挖结构、底板施工时。相比于第一道混凝土支撑，第二道混凝土支撑承受的轴力更大，最大值出现在基坑的拐角处。因此，第二道混凝土支撑对基坑的稳定和安全比较重要，在施工和监测中应重点关注。

3.2 围护结构水平位移分析

图3为开挖第一、二、三层水平位移计算云图。由图3可知，随着基坑开挖深度的增大，维护结构的水平位移有如下特点：

1)在开挖基坑前，维护结构水平位移基本为0；第一步开挖后，最大水平位移较小仅为2.0 mm。

2)随着开挖的推进，维护结构的水平位移越来越大，第二步的最大值为7.2 mm，但小于《建筑基坑支护规程》(JGJ 120-2012)中规定的0.25%h=32 mm(h为基坑开挖程度)，说明围护结构处于稳定和安全的状态。

3)随着开挖的进行，围护结构最大水平位移出现的位置不断下移，最终在施工完成后呈现中间大两头小的状态。

4)基坑开完后，围护结构的水平位移可能会随着应力重分布发生较小的变化，但处于稳定状态。

图3 不同开挖阶段围护结构水平位移云图(图中数字为位移值，单位为m)Fig.3 Cloud diagram of horizontal displacement of the envelope structure at different excavation stages(Digit is displacement value in m)

3.3 土层地表沉降分析

支护结构的坑底隆起及水平变形均会使地面发生沉降变化[12-13]，基坑开挖引起的地表沉降有限元云图见图4。图5为各个开挖步骤对应的地表沉降值。

图4 基坑开挖后地表沉降云图(图中数字为位移值，单位为m)Fig.4 Cloud image of ground settlement after foundation ditch excavation(Digit is displacement value in m)

图5 不同开挖阶段地表沉降曲线Fig.5 Surface settlement curves at different excavation stages

综上，当基坑开挖，尚未设置支撑时，由于土体被移除，造成侧向土压力引起周围土体向坑内的位移，沉降最大值出现在坑壁处，地层的沉降曲线呈“三角形”。设置支撑后，最大沉降出现的位置远离基坑，位移最大值为1.45 cm，小于规范规定容许值。

4 基坑开挖对地铁隧道的影响

4.1 地铁隧道位移分析

建筑基坑的开挖会引起2号地铁隧道水平方向的位移，不同开挖步骤对应的水平位移云图见图6。

由图6可知，随着开挖的进行，水平位移值不断变大，第一步、第二步和第三步基坑开挖对应的水平位移值分别为1.7 mm、4.9 mm和7.0 mm，小于10 mm，出现最大水平位移的部位均为靠近基坑开挖侧隧道的中部。

不同开挖步骤对应的竖向位移云图见图7。随着开挖的进行，竖向位移值同样不断变大，第一步、第二步和第三步基坑开挖对应的水平位移值分别为1.9 mm、4.3 mm和6.2 mm，小于10 mm，满足安全标准，出现最大水平位移的部位均为远离基坑开挖侧隧道的拱顶处。

图6 不同开挖阶段地铁隧道水平方向位移云图(图中数字为位移值，单位为m)Fig.6 Cloud diagram of horizontal displacement of subway tunnels at different excavation stages(Digit is displacement value in m)

图7 不同开挖阶段地铁隧道竖向位移云图(图中数字为位移值，单位为m)Fig.7 Cloud diagram of vertical displacement of subway tunnels at different excavation stages(Digit is displacement value in m)

4.2 地铁隧道变形的原因分析

1)地铁隧道埋深的影响。基坑开挖会对不同埋深的隧道产生不同的影响[14]，本文利用有限元计算了埋置深度分别为8 m、10 m、12 m和14 m地铁隧道水平和竖向位移，结果见图8。由图8可知，随着埋置深度的增大，隧道水平和竖向位移均不断减小。但当埋置深入大于一定的范围后，其对位移的影响逐渐减小。因此合理控制地铁隧道埋深制度可以有效控制变形。

2)地铁隧道距基坑距离的影响。为了研究基坑对不同距离隧道的影响，本文利用有限元计算了基坑与隧道间距分别为8 m、10 m、12 m和14 m对应的地铁隧道水平和竖向位移，结果见图9。由图9可知，与埋置深度类似，基坑与隧道距离越近，其水平和竖向位移变形越大。但距离超过一定距离范围后，地铁位移减小的效果不明显。