基坑開挖對鄰近建筑地鐵隧道的影響

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摘要:利用MidasGTSNX對基坑開挖引起的鄰近建筑及地鐵隧道變形情況進(jìn)行三維建模分析，并對減少基坑開挖引起的鄰近建筑物沉降方案進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明:基坑開挖后建筑物地下室整體表現(xiàn)為沉降變形的趨勢，采用單排樁支護(hù)形式，建筑物的傾斜度會達(dá)到規(guī)范臨界值，研究結(jié)果可為今后類似工程提供一定的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞:基坑開挖，鄰近建筑，既有隧道，數(shù)值分

引言

基坑開挖是半無限空間體內(nèi)的動態(tài)開挖過程，基坑開挖卸荷會使得基坑周邊土體產(chǎn)生側(cè)向位移，坑底產(chǎn)生回彈，這些土體卸荷行為均會影響到周邊建筑物及既有地鐵隧道的安全，因此分析基坑開挖對于周圍環(huán)境的影響成為一個亟待研究的重要課題。目前有不少學(xué)者展開了多方面的研究并取得了豐碩的成果。韓健勇等［1］通過數(shù)值計算，得出了在不同工況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與建筑物沉降之間的關(guān)系。范凡等［2］通過理論分析得出了基坑開挖對周邊環(huán)境影響的分區(qū)特征，提出了坑外開挖面深度以上土體沉降分布曲線的簡化計算公式。陳陽等［3］基于現(xiàn)場實測得出了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項位移和周邊土體沉降隨時間及開挖深度的變化規(guī)律。鑒于此，本文以沈陽某基坑工程為背景，利用MidasGTSNX有限元軟件建立三維數(shù)值模型，研究基坑開挖過程中，鄰近建筑物以及既有地鐵隧道受基坑開挖的影響規(guī)律，為后期類似基坑工程的安全施工提供參考。

1有限元模型及參數(shù)

1．1模型建立

擬建基坑開挖深度約為11．5m，基坑北側(cè)有一地鐵風(fēng)亭，距基坑邊8．1m，風(fēng)亭底板標(biāo)高25．71m?；游鱾?cè)有一16層建筑，距基坑邊5．2m，有2層地下室，埋深8m?；?xùn)|側(cè)臨近地鐵線路，地鐵線距基坑邊4．2m～16．9m，并且有一豎井緊鄰擬建基坑，地鐵線軌頂標(biāo)高18．696m，豎井底板標(biāo)高13．89m。為保護(hù)既有區(qū)間隧道，控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，采取如下支護(hù)設(shè)計方案:1)北側(cè):支護(hù)樁+三層角支撐，旋挖成孔，全程護(hù)筒;2)東側(cè):支護(hù)樁+三層錨索，旋挖成孔，上部4．0m采用護(hù)筒(距離小于6．0m的部位全程采用鋼護(hù)筒)。東側(cè)—靠近豎井:支護(hù)樁，旋挖成孔，上部4．0m采用護(hù)筒;3)南側(cè):支護(hù)樁+二層錨索，長螺旋成孔;4)西側(cè):支護(hù)樁+一層錨索，長螺旋成孔?；娱_挖影響寬度約為3倍～5倍的基坑開挖深度，影響深度約為2倍～4倍的基坑開挖深度，因此計算模型幾何尺寸X，Y，Z分別取211m，211m，35m。模型底部固定，四周約束法向位移，上部為自由邊界，有限元模型如圖1所示，模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，模型共有176904個單元，計算模型施工步驟與實際施工一致。

1．2模型本構(gòu)及計算參數(shù)

計算模型中土體采用實體單元建模，修正摩爾庫侖模型模擬;錨桿采用植入式桁架單元建模，彈性模型模擬;圍護(hù)樁和支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元建模，彈性模型模擬;地鐵隧道襯砌采用板單元建模，彈性模型模擬。本次數(shù)值計算所采用的巖土力學(xué)計算參數(shù)依據(jù)該項目勘察報告確定，具體地層參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，表2。

2模擬結(jié)果分析

2．1基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響

地鐵隧道最終水平和豎向位移計算云圖如圖3，圖4所示。由圖3，圖4可知，由于基坑開挖會引起周圍土體擾動，使基坑周圍土體向基坑內(nèi)產(chǎn)生側(cè)向位移，地鐵隧道結(jié)構(gòu)隨之產(chǎn)生附加位移和附加變形。當(dāng)?shù)谝粚油练介_挖結(jié)束后，該階段隧道結(jié)構(gòu)水平位移達(dá)到0．42mm，占總水平位移的45%，隧道累計沉降量達(dá)到1．937mm，累計上浮量達(dá)到1．871mm;當(dāng)?shù)谄邔油练介_挖結(jié)束，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最終水平位移為0．93mm，指向基坑方向，最終累計沉降量為1．961mm，累計上浮量為1．896mm，根據(jù)《沈陽地鐵三號線一期工程初步設(shè)計技術(shù)要求》，隧道結(jié)構(gòu)的水平位移、累計沉降量、累計上浮量均在預(yù)警值4．2mm內(nèi)，基坑開挖至設(shè)計深度后，左線隧道結(jié)構(gòu)最大沉降量為1．961mm，右線隧道結(jié)構(gòu)最大沉降量為0．835mm，高差為1．126mm，在預(yù)警值2mm內(nèi)。

2．2基坑開挖對鄰近建筑物的影響

本文通過分析建筑物地下室下角點位移量來判斷基坑開挖對鄰近建筑物沉降的影響，并規(guī)定豎向位移向上為正。圖5為基坑開挖完成后鄰近建筑物地下室沉降云圖。分析云圖可知，基坑開挖后建筑物地下室整體表現(xiàn)為沉降變形的趨勢。地下室寬度方向兩個下角點的沉降分別為－5．69mm和－5．26mm，其沉降差為0．43mm。根據(jù)現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，傾斜度為基礎(chǔ)傾斜方向兩端點沉降差與其距離的比值。本工程中，建筑物高48m，因此建筑物的傾斜度為0．43/72=0．0059，規(guī)范要求的限值為0．006，滿足規(guī)范要求，但接近規(guī)范臨界值，存在一定風(fēng)險，需要采取合理手段減少建筑物的沉降。

3結(jié)論與建議

本文通過有限元軟件數(shù)值分析，研究了基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，得出了以下結(jié)論:1)基坑開挖至設(shè)計深度后，隧道結(jié)構(gòu)的水平位移、累計沉降量、累計上浮量均在預(yù)警值4．2mm內(nèi)，且左線隧道結(jié)構(gòu)與右線隧道結(jié)構(gòu)的高差為1．126mm，在預(yù)警值2mm內(nèi)。2)基坑開挖后建筑物地下室整體表現(xiàn)為沉降變形的趨勢，采用單排樁支護(hù)形式，建筑物的傾斜度達(dá)到規(guī)范臨界值。

參考文獻(xiàn):

［1］韓健勇，趙文，關(guān)永平，等．近接淺基礎(chǔ)建筑物深基坑變形特性及關(guān)鍵參數(shù)［J］．東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2018，39(10):1463-1468．

［2］范凡，陳錦劍，章紅兵，等．基坑開挖引起緊鄰建筑物沉降的簡化計算方法［J］．巖土工程學(xué)報，2015，37(S2):61-64．

［3］陳陽，趙文，賈鵬蛟，等．砂土地區(qū)深基坑穩(wěn)定性評價及力學(xué)效應(yīng)分析［J］．東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2018，39(9):1353-1357．

作者：陳立敏 單位：中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司