相邻基坑相互影响的数值分析

张军,李昌辉,罗朝荣

(长沙理工大学 土木工程学院,湖南 长沙 410114)

近年来,地铁及各类地下商场、地下通道、地下停车场等同时建设的现象越来越多,由于城市地铁和地下空间的开发都处在商业中心地带,建筑物密集,地铁深基坑与邻近建筑物近距离施工相互影响,可能影响既有建筑物的正常使用。

针对基坑开挖引起的应力场和位移场变化,Mana A.L.分析了围护结构最大水平位移与基坑开挖深度及坑底土体抗隆起安全系数的关系；刘建航等的研究表明深基坑开挖未设置支撑的时间、基坑的空间尺寸等都会影响基坑的稳定性；刘燕分析了邻近基坑开挖对老车站地连墙沉降的影响；李志高等分析发现既有基坑的存在会对新开挖基坑位移场产生一定遮挡作用；高广运等指出地基加固体和地下结构物对邻近基坑开挖产生的位移传递具有阻断作用；吴水根等指出开挖对围护结构及土体的影响深度约为2倍开挖深度,土体及围护结构的最大位移随着开挖深度的增大而增大,最大位移点逐渐下移,位移曲线近似呈弓形；张启斌等研究发现基坑开挖卸荷后,基坑外侧土体无论土的类别及历史成因如何,其三轴试验的抗剪强度指标均有所降低；刘锡儒等指出基坑分区开挖能控制地铁隧道的变形；张国庆等分析发现随着深基坑开挖深度的增大,周边建筑的沉降增加,但开挖到一定深度后变形不再增大；谢沃等认为数值模型能较好地反映基坑变形特性。该文以两邻近基坑开挖为研究对象,通过三维数值分析,探讨施工先后顺序及基坑间距等对相邻基坑变形的影响。

1 工程概况

长沙市南湖路地铁车站基坑与某大型写字楼基坑最近距离为10 m。车站基坑全长191.9 m,深度21.96～23.75 m,两端头井宽度为22.8 m,标准段宽度为18.9 m。两基坑的位置关系见图1、图2。

图1 两基坑位置平面图

图2 两基坑位置剖面图(A′2－B′2截面,单位：mm)

根据勘察报告,地下水主要集中在卵石层中。各层土的主要物理力学指标见表1。

车站支护结构采用地下连续墙＋内支撑,地下连续墙厚度为1 000 mm、深度为25 m,车站内支撑采用钢支撑和砼支撑。写字楼基坑采用环梁、立柱、内支撑、围檩的支护形式。

表1 土层的物理力学性质

2 基坑开挖数值模拟

利用有限元软件MIDAS GTS建立三维数值计算模型,根据实际开挖过程设置不同施工工况,本构关系采用莫尔－库伦模型。

2.1 有限元几何模型的建立

建模时,x、y、z轴方向取基坑深度的3倍,靠近开挖区域内的土体网格划分较密,远离开挖区域的土体网格划分稀疏(见图3)。土体采用实体单元,地下连续墙采用板单元,钢支撑采用桁架单元,砼支撑采用梁单元。计算参数采用勘察报告中的数值。

图3 基坑数值计算几何模型

2.2 数值分析方法

设置2种工况分析两基坑开挖过程中的相互影响：1)车站基坑为既有基坑,只考虑写字楼基坑的开挖；2)考虑两基坑先后施工,车站基坑先于写字楼基坑开挖,两基坑间距分别为8、13、18、23 m。

2.3 计算结果分析

2.3.1 既有基坑对新建基坑围护结构水平位移的影响

如图4所示,写字楼基坑远侧A1、A2、A3点的水平位移大于近侧B1、B2、B3点的水平位移；写字楼基坑远侧围护结构发生正的水平位移指向坑内,近侧围护结构发生负的水平位移指向坑外；写字楼基坑两侧土压力不一致。

图4 车站基坑远侧和近侧各点的水平位移

2.3.2 既有基坑对新建基坑围护结构竖向位移的影响

如图5所示,写字楼围护结构A2、B2、C2、D2点均有一定抬升,其中C2、D2、A2点的沉降量与抬升量相差不大,但B2点相对较大,车站基坑的存在对近侧B2点影响较大。

图5 写字楼围护结构各点的竖向位移

2.3.3 既有基坑对新建基坑围护结构后土体沉降的影响

如图6所示,在前几个工况中,写字楼基坑周围的土体均有一定沉降,随后出现回弹,靠近地铁车站一侧的B2B2′断面沉降减小,最大沉降发生在两基坑之间；A2A2′、D2D2′、C2C2′断面沉降量相差不大。

图6 写字楼基坑周围土体的沉降

2.3.4 新建基坑施工对既有基坑水平位移的影响

如图7所示,地铁车站基坑地连墙的水平位移上部较大,下部较小；基坑两侧远离写字楼处的水平位移随深度变化不大,而靠近写字楼处的水平位移随深度变化较大。

图7 地铁车站近侧和远侧各点的水平位移

2.3.5 新建基坑施工对既有基坑竖向位移的影响

如图8所示,车站基坑各点的沉降量都不大。开始几个工况各点有一定沉降,其中a1、a2点沉降量较小,抬升现象明显；其他位置的沉降量相对较大,且相差不大。写字楼基坑开挖对车站围护结构靠近写字楼一侧的沉降影响很小。

图8 车站基坑各点的沉降

2.3.6 间距对基坑位移、沉降的影响

车站基坑先于写字楼基坑开挖时,分析基坑间距分别为8、13、18、23 m(最近距离为5、10、15、20 m)时两基坑的位移,结果见图9～13。

图9 不同基坑间距时车站基坑沿深度方向的水平位移

图10 不同基坑间距时写字楼基坑的竖向位移

图11 不同基坑间距时车站基坑的竖向位移

从图9可看出：远离车站基坑A2点的水平位移基本不受基坑间距的影响,靠近车站基坑B2点的水平位移随基坑间距的增大而增大。

从图10可看出：不同基坑间距下写字楼基坑远侧A1、A2、A3点的抬升量基本一致,基坑间距对写字楼远端的影响很小；而近侧B1、B2、B3点的抬升量随基坑间距的增大而减小。

图12 不同基坑间距时车站基坑围护结构沿深度方向的水平位移

从图11可看出：车站基坑围护结构a1、a2、b1、b2点的沉降量随着基坑间距的增大而增大,对基坑间距的变化较敏感；车站围护结构a3、a4、b3、b4点的沉降量基本不受基坑间距变化的影响。

图13 不同基坑间距时地表沉降

从图12可以看出：车站基坑围护结构两侧a2、b2点的水平位移较接近,其值都随着基坑间距的增大而减小。

从图13可看出：最大沉降发生位置随两基坑间距的增大离写字楼基坑围护结构越远,两基坑间土体最大沉降量随着基坑间距的增大而增大。

3 结论

(1)存在车站基坑的情况下,写字楼基坑围护结构近侧和远侧的土压力、水平位移相差较大。

(2)两相邻基坑之间土体沉降小于其他土体断面的沉降,且最大沉降量位于两基坑之间。

(3)开挖过程中,写字楼基坑围护结构会发生一定回弹,但回弹值不大。

(4)写字楼基坑施工会对相邻车站基坑造成一定影响,车站围护结构整体处于下沉且呈指向写字楼基坑变化的趋势。

(5)随着两基坑距离的增大,车站基坑对土体沉降的阻碍作用越来越弱。