談基坑開挖對(duì)既有地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)影響
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【摘要】：考慮基坑開挖對(duì)周邊既有建筑造成的安全隱患，文章以某站新建連接通道基坑工程為例，運(yùn)用有限元軟件FLAC3D模擬了連接通道施工對(duì)鄰近風(fēng)亭的變形影響，結(jié)構(gòu)表明：基坑采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可較好地控制連接通道基坑開挖過程中引起的地表沉降及地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)的變形。
【關(guān)鍵詞】：數(shù)值模擬；連接通道；地表沉降；基坑；變形；地鐵；風(fēng)亭；開挖
隨著城市軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，既有地鐵車站與地下商業(yè)體連接通道建設(shè)工程也隨之增多，連接通道施工對(duì)鄰近既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響問題在實(shí)際工程中引起了越來越多的關(guān)注［1～3］。如何準(zhǔn)確模擬和有效控制施工引起的地表位移和結(jié)構(gòu)形變，確保施工和既有地鐵安全，已成為城市地下空間開發(fā)工程中需要解決的重要課題［4～5］，而數(shù)值模擬方法是探究該類問題常用的方法之一［6～8］。本文以長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線工程某地鐵車站新建連接通道為例，采用有限元軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，從地面沉降和地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)變形的角度進(jìn)行分析，為評(píng)價(jià)基坑支護(hù)方案的合理性及對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的安全性提供理論依據(jù)并提出建議性處理措施。
1工程概況
擬建地下連接通道北連商業(yè)體地下車庫(kù)，南接地鐵2號(hào)線某站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻，為地下一層箱型混凝土框架結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)約13.5m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外輪廓寬6.2m、高5.1m,埋深約8.4m。通道西側(cè)為地鐵風(fēng)亭，最小距離為3.2m。連接通道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁+內(nèi)支撐的支護(hù)形式，設(shè)計(jì)采用直徑為0.8m、樁間距為1.2m的鉆孔樁，樁嵌固深度為5.5m；冠梁部位設(shè)置一道直徑0.609m鋼管支撐，支撐間距3.5m。
2數(shù)值計(jì)算分析
2.1計(jì)算模型
采用巖土工程有限元軟件FLAC3D，模型中預(yù)設(shè)開挖土體單元，開挖單元及土體單元、風(fēng)亭結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，基坑圍護(hù)樁采用pile單元，冠梁及鋼支撐采用beam單元。建模范圍包括風(fēng)亭結(jié)構(gòu)（頂板、底板、側(cè)墻、排風(fēng)井結(jié)構(gòu)）、連接通道基坑及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系（圍護(hù)樁、冠梁、鋼支撐），三維模型寬58m、縱向長(zhǎng)度18m、深24m，共55950個(gè)節(jié)點(diǎn)、51408個(gè)單元。模型四周法向約束，底部固定約束，頂面自由。見圖1-圖3。
2.2計(jì)算參數(shù)
1）土層參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及設(shè)計(jì)資料，基坑深度范圍內(nèi)土體均為素填土，天然密度2.00g/cm3、孔隙比0.72、黏聚力15kPa、內(nèi)摩擦角10°、壓縮系數(shù)0.40MPa-1、變形模量15MPa、側(cè)壓力系數(shù)0.35、泊松比0.38。2）結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
2.3計(jì)算工況及初始應(yīng)力
本次研究主要針對(duì)連接通道基坑開挖對(duì)地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)的影響，為得到準(zhǔn)確的結(jié)果，需進(jìn)行以下工況的研究：1）考慮地層為原始應(yīng)力狀態(tài)，地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)未施工；2）施工地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)，進(jìn)行應(yīng)力平衡計(jì)算，作為影響研究的初始狀態(tài)；3）施工連接通道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，開挖基坑，直至開挖至基坑底，此為最終工序。
2.4計(jì)算結(jié)果
第一、二工況為初始工序，故不做展開分析，提取相關(guān)應(yīng)力結(jié)果作為后續(xù)影響研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。見圖4-圖6。由圖7-圖9可知，連接通道基坑開挖會(huì)引起周邊土體產(chǎn)生水平和豎向位移，最大水平位移為11.24mm，最大豎向位移為3.73mm，土體位移導(dǎo)致地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏向基坑方向的變形，最大水平變形0.9mm，最大豎向變形0.8mm，變形滿足控制要求。對(duì)比圖6與圖9b，基坑開挖前后風(fēng)亭結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力值由230～967.4kPa變化至225～963.6kPa，最大變化幅度為2.2%，幅度較小，滿足風(fēng)亭結(jié)構(gòu)的受力要求，較為安全。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，連接通道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐的形式，較好的控制住了土體變形，從而最大程度減少了對(duì)地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)的影響，保證了其結(jié)構(gòu)安全。
3結(jié)論
1）地鐵連接通道基坑開挖引起的本身基坑的位移及地表沉降處于變形控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，基坑開挖引起的地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力變化值處于地鐵結(jié)構(gòu)容許變形范圍內(nèi)，基坑施工不會(huì)造成風(fēng)亭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)度破壞，施工期間的安全基本可控。2）基坑開挖采用鉆孔樁+內(nèi)支護(hù)的支護(hù)形式是合理可行的，可有效限制周邊土體位移，確保基坑及鄰近地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)的安全。
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作者：劉健 李攀 單位：湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司