基坑开挖对地下通道结构影响的数值模拟分析

李 鑫

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

0 引言

随着我国城市化进度的加深，对于地下空间的开发利用越发迫切，地下管廊、地下空间、地下环路、地铁等地下设施建设如火如荼，市区内的基坑工程开挖建设必须考虑对周边建筑、地下建筑的影响。其中，地铁隧道是地下交通的生命线，其重要性和安全性至关重要，基坑设计的合理性直接影响到地铁隧道的安全[1]，数值模拟基坑开挖对地铁隧道变形的影响，可以定性的为基坑设计方案提供指导和参考，本文将通过Autodesk Robot Structural Analysis数值模拟上海地区某市政项目基坑开挖对地下通道变形的影响，通过数值分析优化设计方案，为后续类似工程项目提供一些参考。

1 工程概况

本工程位于上海市普陀、静安两区交汇处，拟建地块基地总面积16 016 m2，其拟建主体建筑为一幢21层办公楼和5层裙楼、一幢2层110 kV变电站等，整体设地下2层地下室，主体建筑采用框筒结构、桩筏基础。基坑形状不规则，长边方向约220 m，短边方向宽约68 m，总面积约10 366 m2，基坑周长约528 m，开挖深度约12.0 m。

拟建基坑南侧紧邻某地下通道，基坑主楼区地下室拟与地下通道通风井连通，地下通道采用多层多孔箱涵结构，开挖深度约20.0 m～26.00 m，距离围护边线最近约1.2 m，在本基坑施工前完成并覆土。本项目基坑开挖过程中利用地下通道结构外墙，基坑开挖对于地下通道的影响是本项目技术难点，分析的重点。

基坑开挖深度约12.0 m，开挖深度较大，周边环境复杂，尤其北侧临近地铁站出口及盾构区间，南侧紧邻地下通道，环境保护等级一级，需重点保护。地下连续墙刚度较大、整体性好，自身具有防水效果(除接缝位置)，适用于开挖深度较深、环境保护要求高区域(临近地铁、历史保护建筑等)，地下连续墙+混凝土内支撑是比较常规的方案，地区工程经验多，理论计算方法比较成熟，变形较小，比较适合拟建基坑工程的要求。围护结构800 mm厚地下连续墙(借用地下通道原有围护)，长度约33.5 m,首道支撑选用800 mm×800 mm钢筋混凝土支撑，支撑相对标高2.50 m，第二道支撑选用1 000 mm×900 mm钢筋混凝土支撑，支撑相对标高-0.70 m，第三道支撑选用1 000 mm×900 mm钢筋混凝土支撑，支撑相对标高-4.30 m，典型剖面见图1。

拟建场地内主要土层为①1层填土、②3层灰色砂质粉土、④层灰色淤泥质粘土、⑤1层灰色粉质粘土、⑤1T层灰色粘质粉土、⑥层暗绿～黄色粉质粘土、⑦1层灰黄色砂质粉土，主要参数如表1所示。

表1 土层分布及性质

2 数值模拟

本项目基坑南侧与已建地下通道紧邻，基坑开挖过程中对通道结构影响难以预估，目前尚无定量的设计方法，为了更好评估这一影响，通过ROBOT进行数字模拟，预评估基坑开挖的影响，积极采取应对措施。

2.1 模型建立

取断面1 m宽板带，将箱涵结构简化为平面框架，支撑反力等效为集中荷载和弯矩，地层对结构的抗力作用采用一系列弹簧支座进行仿真，竖向弹簧的刚度取为10 000 kN/m3，侧向弹簧刚度取为10 000 kN/m3，并考虑地墙作用，结合基坑分区，分别选取典型剖面进行模拟计算(如图2所示)。

荷载分类。作用在地下结构上荷载，如表2所示进行荷载分类。

表2 荷载分类表

1)结构自重。结构自重按25 kN/m3(抗浮计算按24 kN/m3)。2)地层压力。a.竖向压力：竖向地层压力按全部覆土压力计算。b.水平压力：结构使用阶段按水土分算，取静止土压力，静止侧压力系数取0.8。3)侧向地层抗力和地基反力。侧向地层抗力和地基反力的大小和分布规律，按结构形式及其在荷载作用下的变形、结构刚度、地层的水平及垂直基床系数、施工方法、回填与压浆情况以及土层的变形性质，根据所采用的结构计算简图和计算方法加以确定。4)浮力及静水压力。地下水位按地表以下0.5 m考虑。5)地面建筑物荷载。在计算隧道上部和破坏棱体范围的设施和建筑物压力时，对已有或已经批准待建的建筑物压力在结构设计中均将考虑。6)施工荷载。结构设计中考虑下列施工荷载之一或可能发生的几种情况的组合：a.设备运输及吊装荷载；b.施工机具荷载；c.地面堆载、材料堆载；d.注浆所引起的附加荷载。7)地面超载。地面超载一般按20 kPa计算，重车运输地段按实际荷载考虑并不小于30 kPa；同时考虑地面超载扩散后作用在地下结构上。对于覆土厚度特别小的地下结构，其地面超载则按有关规范的规定确定。8)混凝土收缩作用。外露的超静定结构及覆土小于1 m或截面厚度较大的隧道结构考虑混凝土收缩的影响。

荷载组合按GB 50009—2012建筑结构荷载规范要求进行。其中：

恒载：

①结构自重=25×结构厚度；

②吊顶装饰=1.5 kPa；

③顶板覆土重=19×(覆土厚度)；

④侧向水土压力(按水土分算)；

⑤水浮托力=10×(地面标高-底板底高程-0.5)；

活载：

⑥顶面活载=20 kPa；

⑦侧面活载=20×0.8=16 kPa；

⑧行车荷载=16.7 kPa；

⑨温度荷载。

标准组合计算工况：

标准组合1——重力工况①+②+③+④+⑥+⑦+⑧；

标准组合2——正常使用期工况①+②+③+④+⑤+⑥+⑦±⑨×0.44；

标准组合3——使用期水反力工况①+③+④+⑤。

通过启明星计算支撑反力，将支撑反力等效作用于地下通道结构，结合不同荷载组合对结构模型进行分析，左侧为正常使用状态下地下通道模型，右侧为考虑基坑荷载作用下地下通道模型，两种对不同工况下模型进行对比分析(如图3所示)。

2.2 模拟结果

不同工况荷载作用下，通过两种模型对比分析结构内力，提取结构弯矩、剪力等信息，验算基坑荷载作用下地下通道结构是否满足受力及变形要求，优化设计方案。

从图4中可以看出，在基坑荷载作用下地下通道结构弯矩包络图与原地下通道结构弯矩包络图相近，特别是最大弯矩亦相近，基坑荷载作用下弯矩有所增加，由3 883.3 kN·m增加至3 987.1 kN·m，相对增加量约2.5%，经验算地下通道配筋满足弯矩要求。

从图5中可以看出，在基坑荷载作用下地下通道结构剪力包络图与原地下通道结构剪力包络图相近，最大剪力方向有所改变，基坑荷载作用下剪力有所增加，由1 788.5 kN增加至1 767.4 kN，相对增加量约1.2%，经验算地下通道配筋满足抗剪要求。

3 结论

本文通过Autodesk Robot Structural Analysis数值模拟上海地区基坑开挖对已建地下通道的影响，通过计算表明：

1)基坑支撑荷载作用下，原有结构的抗弯、抗剪性能满足要求，充分发挥了地下通道箱涵结构优势；

2)本次模拟计算为拟建基坑设计提供参考价值，可以优化基坑设计；

3)拟开挖基坑利用原有建筑结构的方案是可行的，可利用原有结构减少围护结构，节约工程造价。

基坑开挖对已建地下通道结构影响分析相对较小，尚需不断的结合工程实践，完善分析方法，设计理念。同时，随着我国地下空间的不断开发，拟建建筑利用原有地下通道箱涵结构是一种趋势，可以节约工程造价，充分利用原有结构，节能环保。