复杂条件下基坑开挖对邻近地铁结构的影响分析

2020-07-09□文/胡鑫刘健

天津建设科技 2020年3期

□文/胡鑫刘健

随着地铁周边商业不断开发，邻近地铁的基坑逐渐增多，在许多轨道交通较发达的城市，新建工程邻近地铁结构的情况增多[1～2]。基坑开挖在卸载过程中会影响周边土体应力及位移，因而，不仅要严格控制自身的变形[3]，还需要通过各种措施，确保邻近地铁结构的安全，在复杂条件下控制基坑变形并最大限度减小对邻近地铁结构的影响显得尤为重要[4～5]。

目前，长沙地区地铁发展较快，邻近地铁周边基坑也不断增多，本文以长沙地铁4号线一期工程圭塘站周边某基坑为背景，充分考虑土体开挖的时空效应，制定了围护桩+内支撑支护方案，结合实际场地的水文工程地质条件，建立三维数值模型，对施工过程进行动态模拟，通过现场监测对比分析，对周边结构进行安全性评价，以期对类似基坑工程的设计和施工起到指导和借鉴意义。

1 工程概况

长沙市轨道交通4号线一期工程圭塘站位于劳动东路与万家丽路交叉路口东侧，与长沙地铁5号线劳动东路站进行通道换乘，设有3 个出入口、2 组风亭，其中1号出入口靠近旭辉国际广场。由于旭辉国际广场需与圭塘站进行无缝对接，考虑到两项目平面位置关系，拟在1号出入口与旭辉国际广场地下商业间增设一地下通道。通道标准段外宽为7 m，距离旭辉国际广场地下室约2 m，最小距离仅1.36 m。见图1。

图1 地下通道与圭塘站平面关系

旭辉国际广场负一层埋深约5 m，负二层埋深约8.7 m，1 号出入口埋深约11.6 m。地下通道工程内设置楼扶梯，将两者连接起来，提升高度约6.6 m，其中最大埋深约15.7 m。见图2。

图2 地下通道纵剖面

车站范围内地质由上至下依次是人工填土、含砾粉质黏土、强风化砂砾岩及中风化泥质粉砂岩。地下水为第四系松散层上层滞水、孔隙潜水和基岩裂隙水。

地下通道基坑深5.6～15.8 m，宽7 m，采用直径0.8 m、间距1.1 m钻孔灌注桩作为围护结构，围护桩嵌固深度3.5～4.5 m，竖向设置2 道直径609 mm、壁厚12 mm的钢支撑，水平间距3.5 m。

2 计算模型

2.1 模型建立

三维数值计算采用岩土工程有限差分软件FLAC3D，开挖单元及土体单元、1 号出入口及地下商业结构均采用实体单元，基坑围护桩采用pile 单元模拟，冠梁及钢支撑采用beam 单元模拟。建模范围内包括1 号出入口及地下商业结构（顶板、中板、底板、侧墙等）、通道基坑及其围护结构体系（围护桩、冠梁、钢支撑），模型宽75 m、纵向长50 m、深25 m、共有107 100 个节点，99 950 个单元，可以满足计算精度要求。模型四周法向约束，底部固定约束，顶面自由，见图3和图4。

图3 三维计算模型

图4 基坑围护体系模型

2.2 计算参数

1）土层参数见表1。

2）结构参数。1 号出入口顶、底板厚700 mm，侧墙厚600 mm，地下商业结构侧墙及底板厚300 mm，中板厚200 mm。见表2。

表1 岩土体参数

表2 计算结构参数

2.3 计算工况及初始应力

为研究连接通道基坑开挖对1号出入口及既有地下商业结构的影响，拟进行以下工况的研究。

1）初始地应力：考虑地层为原始应力状态，1号出入口及既有地下商业结构未施工。

2）施工1 号出入口及既有地下商业结构，进行应力平衡计算，作为影响评估的初始状态。

3）施通道基坑围护结构，开挖基坑至基坑底，此工况为最终工序。

对工况一、工况二不做展开分析，仅提取相关应力结果作为后续影响评价的基础数据，见图5和图6。

图5 1号出入口结构最大主应力分布

图6 地下商业结构最大主应力分布

初始状态时1 号出入口结构最大主应力为1 200 kPa，地下商业结构最大主应力为793 kPa。

2.4 通道基坑开挖的影响分析

通道基坑开挖后，土体位移导致1 号出入口、地下商业结构产生偏向基坑方向的位移，见表3和表4。

表3 周边土体、结构位移及支撑轴力计算结果要求

表4 结构应力计算结果

由表3 可知，通道基坑开挖后，钢支撑轴力最大值为488.5 kN。基坑开挖引起周边土体产生水平和竖向位移，最大水平位移为4.04 mm，最大竖向位移为6.06 mm，满足GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》＜30 mm的控制要求。由表4可知，土体开挖引起的结构位移较小，主应力变化幅度最大为8.4%,均在规范允许范围内。

基坑围护结构采用围护桩+内支撑的形式，较好地控制住了基坑周边土体位移，从而最大程度减少了对1号出入口及地下商业结构的影响，保证了结构安全。