談基坑開挖對既有地鐵風亭結構影響

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【摘要】：考慮基坑開挖對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，運用有限元軟件FLAC3D模擬了連接通道施工對鄰近風亭的變形影響，結構表明：基坑采用鉆孔灌注樁+內支撐的圍護結構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亭結構的變形。

【關鍵詞】：數(shù)值模擬；連接通道；地表沉降；基坑；變形；地鐵；風亭；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)體連接通道建設工程也隨之增多，連接通道施工對鄰近既有地鐵結構的影響問題在實際工程中引起了越來越多的關注［1～3］。如何準確模擬和有效控制施工引起的地表位移和結構形變，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］。本文以長沙地鐵2號線工程某地鐵車站新建連接通道為例，采用有限元軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬，從地面沉降和地鐵風亭結構變形的角度進行分析，為評價基坑支護方案的合理性及對地鐵結構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，南接地鐵2號線某站主體結構側墻，為地下一層箱型混凝土框架結構，全長約13.5m，標準段結構外輪廓寬6.2m、高5.1m,埋深約8.4m。通道西側為地鐵風亭，最小距離為3.2m。連接通道基坑圍護結構采用鉆孔樁+內支撐的支護形式，設計采用直徑為0.8m、樁間距為1.2m的鉆孔樁，樁嵌固深度為5.5m；冠梁部位設置一道直徑0.609m鋼管支撐，支撐間距3.5m。

2數(shù)值計算分析

2.1計算模型

采用巖土工程有限元軟件FLAC3D，模型中預設開挖土體單元，開挖單元及土體單元、風亭結構均采用實體單元，基坑圍護樁采用pile單元，冠梁及鋼支撐采用beam單元。建模范圍包括風亭結構（頂板、底板、側墻、排風井結構）、連接通道基坑及其圍護結構體系（圍護樁、冠梁、鋼支撐），三維模型寬58m、縱向長度18m、深24m，共55950個節(jié)點、51408個單元。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計算參數(shù)

1）土層參數(shù)。根據(jù)地質勘察報告及設計資料，基坑深度范圍內土體均為素填土，天然密度2.00g/cm3、孔隙比0.72、黏聚力15kPa、內摩擦角10°、壓縮系數(shù)0.40MPa-1、變形模量15MPa、側壓力系數(shù)0.35、泊松比0.38。2）結構參數(shù)見表1。

2.3計算工況及初始應力

本次研究主要針對連接通道基坑開挖對地鐵風亭結構的影響，為得到準確的結果，需進行以下工況的研究：1）考慮地層為原始應力狀態(tài)，地鐵風亭結構未施工；2）施工地鐵風亭結構，進行應力平衡計算，作為影響研究的初始狀態(tài)；3）施工連接通道基坑圍護結構，開挖基坑，直至開挖至基坑底，此為最終工序。

2.4計算結果

第一、二工況為初始工序，故不做展開分析，提取相關應力結果作為后續(xù)影響研究的基礎數(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，土體位移導致地鐵風亭結構產(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。對比圖6與圖9b，基坑開挖前后風亭結構最大主應力值由230～967.4kPa變化至225～963.6kPa，最大變化幅度為2.2%，幅度較小，滿足風亭結構的受力要求，較為安全。根據(jù)上述計算結果可知，連接通道基坑圍護結構采用圍護樁+內支撐的形式，較好的控制住了土體變形，從而最大程度減少了對地鐵風亭結構的影響，保證了其結構安全。

3結論

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準內，基坑開挖引起的地鐵風亭結構的變形、應力變化值處于地鐵結構容許變形范圍內，基坑施工不會造成風亭結構產(chǎn)生強度破壞，施工期間的安全基本可控。2）基坑開挖采用鉆孔樁+內支護的支護形式是合理可行的，可有效限制周邊土體位移，確?；蛹班徑罔F風亭結構的安全。

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作者：劉健 李攀 單位：湖南路橋建設集團有限責任公司