新建基坑對近臨地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的安全影響分析

張萬龍

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司城建設(shè)計院，上海200070）

新建基坑對近臨地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的安全影響分析

張萬龍

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司城建設(shè)計院，上海200070）

隨著城市高層建筑的施工，基坑開挖必然引起周圍土層的移動，從而引起周邊既有結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，對既有結(jié)構(gòu)的正常使用造成嚴(yán)重影響?，F(xiàn)以某城市商業(yè)大廈基坑開挖對近臨地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)影響為工程背景，結(jié)合大型ANSYS有限元數(shù)值分析模擬，主要內(nèi)容包括：（1）不考慮土釘、考慮土釘兩種工況下土體位移及襯砌位移分析；（2）不考慮或考慮土釘兩種工況下土體應(yīng)力、襯砌應(yīng)力分析及地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)安全性分析。結(jié)果表明：在最不利情況（不考慮土釘支護(hù)）下，基坑開挖后，原有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)安全性滿足要求。

新建基坑；地鐵；區(qū)間結(jié)構(gòu)；安全分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.023

1 引言

隨著城市地鐵的快速發(fā)展，極大地帶動了地鐵沿線商業(yè)大廈、居民住宅的建設(shè)，然而隨著其基坑的開挖直接影響了既有地鐵盾構(gòu)區(qū)間的結(jié)構(gòu)變形，從而對隧道結(jié)構(gòu)安全和地鐵列車正常運(yùn)營產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[1]。目前國內(nèi)外一些學(xué)者已就基坑開挖對臨近隧道管線影響的這一工程問題進(jìn)行了研究[2～4]，很大程度上對相應(yīng)工程提出了許多指導(dǎo)借鑒的理論實(shí)際支撐?，F(xiàn)以某城市商業(yè)大廈基坑開挖為工程背景，采用ANSYS大型有限元軟件模擬基坑開挖對近臨地鐵盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)的安全影響分析。商業(yè)大廈基坑長65m，開挖最大寬度30m，開挖深度18.5m，圍護(hù)樁長23m。基坑右側(cè)距離盾構(gòu)隧道左側(cè)15m。

2 計算模型及參數(shù)的確定

2.1 計算模型

基坑開挖在水平方向的影響范圍為基坑開挖邊界外3～5倍開挖深度，而豎向的影響范圍則為基坑底部向下2～4倍開挖深度。為減少邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，二維計算模型左側(cè)取至基坑外20m，右側(cè)邊界距右側(cè)區(qū)間隧道20m，距基坑右側(cè)支護(hù)樁55m(三倍基坑深度)，模型X方向?yàn)?40m，下側(cè)邊界考慮到基坑開挖的影響范圍，取基坑底以下55m(3倍基坑深度)，模型Y方向?yàn)?3.4m。結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖1所示。

圖1 計算模型

模型中土層用2D實(shí)體Plane42單元，連續(xù)墻（基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)按抗彎剛度等效原理換算成連續(xù)墻）和既有區(qū)間隧道管片選Beam3單元模擬，錨索和土釘均用Link1單元進(jìn)行模擬，土釘抗拉屈服強(qiáng)度為310MPa，土釘共設(shè)十排，第一排為地面下2m，其余豎向間隔為1.5m，按照設(shè)計圖紙圍護(hù)樁上設(shè)冠梁和腰梁各一道為兩道錨索的錨固點(diǎn)，錨索預(yù)應(yīng)力分別為489kN和494kN，計算選取D-P模型。

地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工循環(huán)進(jìn)尺1.5m（一節(jié)管片寬度），地鐵區(qū)間隧道在支護(hù)是圍巖應(yīng)力釋放率選取25%；基坑開挖方式采用分層開挖，第一層深度為2m，以下每層開挖深度為1.5m。

2.2 參數(shù)的確定

根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范及地質(zhì)勘察報告資料，模型中地層物理力學(xué)參數(shù)可見表1，支護(hù)參數(shù)見表2。

表1 標(biāo)準(zhǔn)斷面地層的主要物理力學(xué)指標(biāo)

表2 支護(hù)參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 位移結(jié)果分析

3.1.1 不考慮土釘工況下的計算結(jié)果

不考慮土釘情況下土體位移情況如圖2、圖3所示。

圖2 基坑開挖完成后土體水平位移（m）

圖3 基坑開挖完成后土體豎直位移（m）

從圖中我們可以看到基坑開挖完成后周圍土體最大水平位移發(fā)生在基坑邊墻中部最大值為3.6cm，基坑坑底隆起15cm。

地鐵區(qū)間隧道襯砌處的位移如圖4～7所示。

圖4 基坑開挖前襯砌水平位移（m）

圖5 基坑開挖前襯砌豎直位移（m）

圖6 基坑開挖完成后襯砌水平位移（m）

圖7 基坑開挖完成后襯砌豎直位移（m）

根據(jù)計算結(jié)果，在基坑開挖前地鐵區(qū)間隧道邊墻水平收斂5mm，拱頂沉降13.5mm，仰拱隆起18.5mm。

基坑開挖完成后左側(cè)隧道（近臨基坑）左側(cè)邊墻向基坑方向移動了14mm，右側(cè)邊墻向基坑側(cè)移動了13.4mm，由于基坑開挖使左側(cè)隧道(近臨基坑側(cè))水平收斂外擴(kuò)0.6mm；右側(cè)隧道（遠(yuǎn)離基坑側(cè)）左側(cè)邊墻向基坑方向水平平移8.7mm，右側(cè)邊墻向基坑方向水平平移8.0mm，由于基坑開挖使右側(cè)隧道（遠(yuǎn)離基坑）水平收斂外擴(kuò)0.7mm。

基坑開挖完成后左側(cè)隧道(近臨基坑)拱頂沉降從13.5mm減少為6mm，仰拱隆起從18.5mm增長到26mm，左側(cè)隧道(近臨基坑)整體上移7.5mm；右側(cè)隧道(遠(yuǎn)離基坑)拱頂沉降從13.5mm增加到21.5mm，仰拱隆起從18.5mm減少到10.5mm，右側(cè)隧道（遠(yuǎn)離基坑）整體下沉8mm。

3.1.2 考慮土釘工況下的計算結(jié)果

基坑開挖完成后周圍土體位移如圖8、圖9所示。

圖8 基坑開挖完成后土體水平位移（m）

圖9 基坑開挖完成后土體豎直位移（m）

根據(jù)計算結(jié)果，在考慮土釘?shù)那闆r下基坑開挖完成后周圍土體水平位移發(fā)生在基坑中間部位，最大位移值為3.2cm，比不考慮土釘?shù)那闆r下降低了4mm，基坑底部隆起13cm比不考慮土釘?shù)那闆r下減少了2cm。

襯砌結(jié)構(gòu)位移情況如圖10～圖13所示。

圖10 基坑開挖前襯砌水平位移（m）

圖11 基坑開挖前襯砌豎直位移（m）

圖12 基坑開挖完成后襯砌水平位移（m）

圖13 基坑開挖完成后襯砌豎直位移（m）

如圖在基坑施工前襯砌位移情況與不考慮土釘情況下位移相同，在基坑開挖前地鐵區(qū)間隧道邊墻水平收斂5mm，拱頂沉降13.5mm，仰拱隆起18.5mm。

對比基坑開挖完成后與基坑開挖前地鐵隧道襯砌位移云圖可知，在考慮土釘情況下左側(cè)隧道(近臨基坑)左側(cè)邊墻向基坑方向移動了10mm，右側(cè)邊墻向基坑側(cè)移動了10.3mm，由于基坑開挖左側(cè)隧道(近臨基坑)水平收斂增加0.3mm；右側(cè)隧道(遠(yuǎn)離基坑)左側(cè)邊墻向基坑方向水平平移6.4mm，右側(cè)邊墻向基坑方向水平平移6.4mm，水平收斂基本無變化。

基坑開挖完成后左側(cè)隧道(近臨基坑)拱頂沉降從13.5mm減少為8mm，仰拱隆起從18.5mm增長到24mm，左側(cè)隧道(近臨基坑)整體上移5.5mm，比不考慮土釘情況下減少2mm；右側(cè)隧道(遠(yuǎn)離基坑)拱頂沉降從13.5mm增加到22mm，仰拱隆起從18.5mm減少到10mm，右側(cè)隧道(遠(yuǎn)離基坑)整體下沉10mm，比不考慮土釘情況下增加了2mm。

通過上面分析可知計算模型中考慮土釘與不考慮土釘情況下對地鐵區(qū)間隧道襯砌位移影響不大。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力及隧道結(jié)構(gòu)安全性分析

3.2.1 不考慮土釘情況下的應(yīng)力結(jié)果

不考慮土釘情況下地鐵區(qū)間隧道主應(yīng)力情況如圖14～圖17所示。

圖14 基坑施工前隧道襯砌第一主應(yīng)力（Pa）

圖15 基坑施工前隧道襯砌第三主應(yīng)力（Pa）

圖16 基坑完成后隧道襯砌第一主應(yīng)力（Pa）

圖17 基坑完成后隧道襯砌第三主應(yīng)力（Pa）

基坑施工前地鐵隧道第一主應(yīng)力發(fā)生在拱頂位置，其值為7.31MPa，第三主應(yīng)力發(fā)生在跨中位置其值為10.8MPa。

在基坑開挖完成后第一主應(yīng)力發(fā)生在拱部位置（略有偏轉(zhuǎn)），其值為9.36MPa，第三主應(yīng)力同樣發(fā)生在跨中位置（略有偏轉(zhuǎn)），其值增大到12.7MPa。

3.2.2 考慮土釘情況下的應(yīng)力結(jié)果

不考慮土釘情況下地鐵區(qū)間隧道主應(yīng)力情況如圖18～圖21所示。

圖18 基坑施工前隧道襯砌第一主應(yīng)力（Pa）

圖19 基坑施工前隧道襯砌第三主應(yīng)力（Pa）

圖20 基坑完成后隧道襯砌第一主應(yīng)力（Pa）

圖21 基坑完成后隧道襯砌第三主應(yīng)力（Pa）

在考慮土釘支護(hù)情況，基坑施工前地鐵區(qū)間隧道第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力分布情況與不考慮土釘情況下相同最大值分別為7.31MPa與10.8MPa。

在基坑開挖完成后第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力最大值位置與無土釘工況相同，其值為8.94MPa和12.4MPa，比不加土釘支護(hù)情況下分別減少了0.42MPa和0.3MPa。

3.2.3 隧道結(jié)構(gòu)安全性分析

根據(jù)上面分析可知基坑開挖完成后在加土釘與不加土釘兩種情況下位移差別不大，根據(jù)應(yīng)力結(jié)果分析可知基坑開挖完成后不加土釘情況下第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力均比加土釘情況下略有增加，現(xiàn)在對不加土釘情況下襯砌安全性進(jìn)行檢算。結(jié)構(gòu)計算內(nèi)力如圖22所示。

圖22 結(jié)構(gòu)計算內(nèi)力

根據(jù)圖22可知襯砌受力最大部位近臨基坑隧道左側(cè)邊墻處，彎矩為154.47kN·m，軸力為571.1kN。此處安全系數(shù)也是最小的為3.42。根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不得小于2.0。計算結(jié)果表明，襯砌結(jié)構(gòu)各截面安全。滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，襯砌結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，裂縫寬度允許值為0.2mm，由計算結(jié)果可知裂縫寬度最大值為0.16mm，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

1)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)情況下，由于基坑開挖左側(cè)隧道(近基坑側(cè))整體向基坑方向平移約10mm，整體抬升5.5mm；右側(cè)隧道(遠(yuǎn)基坑側(cè))整體向基坑方向平移約6.4mm，整體下沉10mm。

2)設(shè)計圍護(hù)參數(shù)下，基坑開挖后臨近基坑側(cè)隧道第一、三主應(yīng)力分別比基坑開挖前增加1.63MPa和1.6MPa。

3)對最不利情況（不考慮土釘支護(hù)）下隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)與裂縫寬度了進(jìn)行檢算，結(jié)果表明基坑開挖后隧道結(jié)構(gòu)安全性滿足要求。

【1】葛世平，廖少明，陳立生，等.地鐵隧道建設(shè)與運(yùn)營對地面房屋的沉降影響與對策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008,27（3）：550-556.

【2】唐孟雄，趙錫宏.深基坑周圍地表任意點(diǎn)移動變形計算及應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1996，24(3)：238-244.

【3】李鏡培，丁士君.近臨建筑荷載對地下管線的影響分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，32(12)：1553-1557.

【4】王衛(wèi)東，吳江斌，翁其平.基坑開挖卸載對地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2004，25（增刊2）：251-255.

Analysis on the Safety Influence of the New Foundation Pit on the Near Metro Section Structure

ZHANG Wan-long
(Urban Construction Design Institute,China Railway Shanghai Design Institute Group Co.Ltd.,Shanghai200070,China)

With the construction of urban high-rise buildings,foundation pit excavation inevitably led to the movement of surrounding soil,which caused the uneven settlement of existing structure of surrounding,and then caused serious impact on the normal use of the existing structure.The ANSYS finite element is used to analyze the numerical simulation in the paper,with a project as the background,mainly including:(1)the analysis of soil displacement and lining displacement;(2)the analysis of the soil stress,lining stress and the security of railway section structure,and both of the concept is considered with soil nailing and without soil nailing.Result shows that the safety of the original metro section structure meets the requirements when the foundation pit is starting to be excavated in the worst case(without soil nailing).

new built foundation pit;railway;section structure;safety analysis

TU94+2

A

1007-9467（2016）08-0044-04

2016-07-26

張萬龍(1982～)，男，黑龍江雙鴨山人，工程師，從事城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。