基坑开挖对现状长条形地下结构隆起影响分析

2021-06-05黄鼎中

工程建设与设计 2021年8期

黄鼎中

（深圳市综合交通设计研究院有限公司，广东深圳518000）

1 引言

随着我国城市化水平越来越高，近10年城市地下空间的开发利用力度也在逐渐加大，越来越多的工程建设过程中会面对既有地铁、管廊、管线等构造物，因此，基坑开挖对现状构造物的影响一直是目前工程研究的重点及难点。基坑开挖是卸载的过程，会引起基坑的回弹变形，基坑回弹量越大，对现有地下结构的影响就越大，可引发各种工程问题。深入研究基坑回弹并提出实用性强的回弹量计算方案，具有重要的理论意义和工程应用价值[1]。

目前，计算基坑回弹量的方法主要有规范法、经验公式法、理论公式法和数值模拟法。国内专家学者也对基坑隆起对下卧结构的影响进行了深入研究。陈郁[2]等尝试选计算出开挖之后的附加应力，再通过弹性地基梁理论求算隧道隆起的定量计算。李红丽[3]则尝试用MIDAS GTS进行三维有限元计算，得出基坑开挖对下卧地铁结构的影响。本文尝试运用二维有限元模型计算基坑开挖卸载对长条形地下结构的影响，并与规范隆起计算结果进行对比，综合现场情况进行对比分析。

2 工程实例

2.1 工程概况

本工程位于深圳市前海片区海滨大道与月亮湾大道2条快速路的相交节点西南侧，由于河道改线，需在现状电力隧道上方进行基坑开挖，并形成永久河道。永久河道位于现状填土区域，杂填土层较厚，下卧有粗砂层，地质条件较差。河道底面宽13.5 m，两侧采用浆砌片石护坡，护坡坡率为1∶2，河道开挖深度约7.5 m。而现状电力管廊已先行施工完毕，结构顶位于现状地面线以下9.8 m，与河道基坑底相差2.3 m。

2.2 计算方法及土层参数取值

采用GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中的规范法以及Midas GTS NX的二维有限元进行计算。该段区域地勘条件及选取参数表如表所示。

表1 地勘参数选择表

2.3 计算结果

2.3.1 方法一：规范法

根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，本项目无相邻荷载影响，也不考虑河道通水后水压力潮汐的影响，模型不考虑电力管廊的整体刚度对隆起的影响，只将其看成土体的一部分。先根据式（1）计算地基变形计算深度。再计算基坑底面以上土的自重应力，再根据式（2）计算地基土的回填变形量：

式中，Zn为地基变形计算深度，m；b为基础宽度，m。

式中，SC为地基的回弹变形量；ψC为回弹量计算的经验系数；PC为基坑底面以上土的自重压力，kPa；Eci为土体的回弹模量，kPa；Zi、Zi-1分别为基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离，m；a¯i、a¯i-1分别为基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

带入数据计算可得：Zn=13（2.5-0.4ln13）=19.2m。

基坑底卸载相当于在基坑底部加载了与所挖土重力大小相等方向相反的荷载，计算开挖土体的自重应力，计算时忽略卸载后基坑侧向土挤压产生的变形，由此可计算得出基坑底部卸去的均布力p=122.745 kPa。

根据公式（2），由基坑卸载作用引起的基坑回弹量为：

2.3.2 方法二：二维有限元法

本工程采用Midas GTX NX软件进行二维仿真模拟，对电力隧道隆起进行计算，模拟土体卸载特性较好的修正摩尔-库伦模型进行计算。电力管廊及边坡加固措施材料参数如表2所示。

表2 电力隧道参数选择表

计算模型采取二维模型，地面标高为0，整个模型总长150 m，总深度为40 m，基坑长13.5 m，河道边坡坡率1∶2，二维计算忽略了三维空间对其变形的影响，模型计算断面如图1所示，开挖后模型计算断面如图2所示。

图1 二维有限元计算模型

图2 二维有限元开挖后模型

施工阶段分为2部分。一部分为初始地应力适应阶段，另一部分为边坡开挖及边坡加固阶段。开挖后整体模型计算断面如图3所示。

图3 二维有限元开挖计算断面模型

通过提取开挖后的现状地面线总沉降，并以最边缘沉降量为基点进行计算，基坑中部电力管廊隆起约为2.34 cm，电力隧道边坡底边缘隆起约为2.06 cm，第一级边坡平台下方电力隧道隆起约为1.5 cm，边坡顶位置电力隧道隆起约0.8 cm，而一倍基坑深度以外（约10 m）电力管廊隆起量少于0.1 cm，影响已经很小，计算结果如表3所示。