重庆国泰广场项目深基坑边坡对轻轨隧道安全性影响研究

张 虎，余向前，秦胜菊

（太原王孝雄建筑设计院重庆分院，重庆400015）

重庆国泰广场项目深基坑边坡对轻轨隧道安全性影响研究

张 虎，余向前，秦胜菊

（太原王孝雄建筑设计院重庆分院，重庆400015）

深基坑边坡与已建相邻重要建(构)筑物相互影响问题一直都是岩土工程中的一个热点问题和难点问题。由于建立在极限平衡原理基础上的各种岩土体分析方法均没有考虑基坑开挖引起的岩土体应力场和位移场等的变化，所以不能反映深基坑边坡工程的实际情况。该文结合重庆某工程实例，采用国际通用的大型有限元程序ANSYS、MIDAS/GTS分析深基坑边坡开挖过程中基坑周围岩土体的应力场、位移场、内力及塑性区分布等的变化情况，另采用已建相邻工程进行类比分析，来评估深基坑边坡与相邻重要建(构)筑物相互影响程度，以及工程的安全性、可行性。

深基坑边坡；弹塑性有限元分析；桩锚支护方案；位移；应力

1 前言

某公司拟在重庆市渝中区解放碑修建重庆国泰广场项目工程。根据拟建建筑物平面图可知，拟建场区将进行基坑开挖，开挖深度约30.5m，±0.000绝对标高为243.00m，地下室地坪标高为212.50m。拟建场区上部为广场，下部为地下建筑物，其层数为5F，建筑面积约为9.5万m2。建筑场地地下室开挖后，将在四周形成长约620m，高约29～30.5m的岩质边坡，其中EF段基坑边坡与轻轨交通二号线临江门车站隧道相邻，临江门车站隧道毛洞净宽23.040m，净高20.578m。据渝中区政府拆迁范围线可知，拟建建筑物边线与轨道交通二号线临江门车站隧道二次衬砌外缘最小水平距离为6.2m。

综合考虑以上条件，该项目建筑结构外侧与轨道交通二号线二次衬砌外缘线安全距离的取值及相应基坑边坡支护方案的选取就成为影响两者安全的关键问题。针对此问题，有专家建议基坑局部范围逆作，即先预留19m岩墙厚度（含红线与洞室外边线10m），采用顺作法，然后靠隧道侧第一开间（10～19m范围）利用楼层梁板体系支顶，逆作基坑边坡；也有专家建议基坑全断面逆作，即指利用楼层梁板体系支顶，逆作基坑边坡，仅保留原红线与洞室外缘的岩墙；然而，考虑到重庆地区实际情况，多数专家倾向于桩锚支护方案(详见图1)，即先支挡后开挖（重庆市设计院现设计方案），同时安全距离拟定为10m。

图1 桩锚支护方案示意图

为了确保已建轻轨隧道及拟建基坑边坡的安全性，我们围绕10m的安全距离及桩锚支护方案，从以下三个方面进行分析与研究：

（1）在10m，12m，14m，17m，20m安全距离及桩锚支护方案前提下，采用国际通用的大型有限元程序ANSYS模拟和预测在基坑边坡施工时及竣工后，该处轨道交通隧道位移、应力场、内力及塑性区分布等的变化情况。

（2）在10m安全距离及桩锚支护方案前提下，采用国际通用的大型有限元程序MIDAS/GTS模拟和预测在基坑边坡施工时及竣工后，该处轨道交通隧道位移、应力场等的变化情况。

（3）收集已建相邻基坑边坡相关资料，从基坑深度，安全距离，基坑支护方案及地质参数四个方面进行工程类比分析。

最后，通过以上三个方面的分析与研究，来评估10m的安全距离及桩锚支护方案的安全性、可行性。

2 数值模拟分析与研究

2.1 计算参数研究

2.1.1 岩体弹塑性破坏准则

理论分析与实践经验均表明，Druker-Prager准则(简称D-P准则)是目前有限元分析中能较好地模拟岩体力学特性的岩体弹塑性破坏准则，一方面它克服了库仑准则在角点处导数不连续的问题，另一方面也很容易与库仑准则结合起来确定计算参数。因此，该工程计算中岩体弹塑性破坏准则采用D-P准则。

表1 国泰广场项目岩土工程勘察报告岩土体物理力学参数建议值

表2 临江门暗挖车站隧道修建技术研究报告采用的岩土体物理力学参数值

2.1.2 岩土体物理力学参数研究

计算分析有关参数根据地勘报告、临江门暗挖车站隧道修建技术研究报告及相关规范取值，详见表1、表2。

该项目所在场地基岩岩性主要为中风化砂岩和中风化泥岩，在分析中地基岩体均按实际情况模拟。对于有锚固系统的岩体，一般认为锚固作用的主要机理是提高围岩的整体性，从而改善岩体的受力性能。研究表明，锚固作用使岩体材料的C、Φ值都得到了提高。根据研究成果和实际工程经验，数值计算中为了简化起见，可将锚固效应考虑成岩体的内聚力C值提高10%～20%来模拟。本次数值模拟分析仅考虑轨道交通隧道二次衬砌的作用，不考虑隧道锚杆的锚固效应，可视为安全储备。

图2 国泰广场项目与轨道交通二号线剖面关系图

2.2 弹塑性有限元分析

项目平面位置位于轨道交通二号线保护线之内，该项目建筑结构外侧距轨道交通二号线二次衬砌外缘线安全距离拟定为10m，同时拟采用桩锚支护方案。该工程弹塑性有限元分析简化为平面问题进行计算，详见图2。

2.3 计算模型简介

计算模型取A-A断面（详见图2）的实际尺寸，模型顶为隧道所处的埋深，土层按荷载考虑，为了减小边界效应，设置隧道边缘至模型边缘的距离为隧道宽度的2.5倍，隧道底部至模型边缘的距离设置为隧道高度的2.5倍，模型的尺寸为58×100m。计算模型左、右边界为X方向约束，底部边界为Y方向约束，顶部边界为自由面。计算模型剖面关系图详见图3。模型采用平面实体单元PLANE42模拟围岩，BEAM3 2-D弹性梁单元模拟桩，LINK8 2-D杆单元模拟锚索和锚杆。该项目采用国际通用的大型有限元程序ANSYS、 MIDAS/GTS分别进行模拟分析。

2.4 ANSYS计算结果分析

车站隧道拱顶、拱腰、拱脚、墙中、墙底和仰拱中心等衬砌关键位置的节点编号详见图3。

图3 车站隧道衬砌节点编号

图4 A-A剖面围岩最大(最小)主应力云图

图5 A-A剖面全断面开挖隧道衬砌弯矩、剪力及轴力图

2.4.1 计算位移

采用桩锚支护方案，安全距离取为10m，12m，14m，17m，20m分别进行数值模拟计算，计算分析结果详见表3、表4。表3是A-A剖面（图2）车站隧道衬砌关键点在不同安全距离情况下的附加水平位移增加值和收敛值表，表4为竖向位移变化表。

表3、表4表明：桩锚支护方案前提下，安全距离取为10m，12m，14m，17m，20m，拱顶、拱腰、拱脚、墙中、墙底及仰拱中心的水平位移（或竖向位移）增加值差别都较小。

2.4.2 计算应力及内力

应力和内力计算结果详见图4～图5。图4为10m安全距离下，A-A剖面桩锚计算方案的最大、最小主应力云图；图5为10m安全距离下，A-A剖面桩锚计算方案隧道衬砌的弯矩图、剪力图及轴力图。

2.5 MIDAS/GTS计算结果分析

国际上通常采用多软件分析同一重要工程问题，以便进行相互验证，于是我们围绕10m的安全距离及桩锚支护方案，采用另一大型有限元程序MIDAS/GTS模拟和预测在基坑边坡施工时及竣工后，该处轨道交通隧道位移及应力场等的变化情况。

表3 不同安全距离关键点水平位移增加值（mm）

表4 不同安全距离关键点竖向位移增加值（mm）

图6 水平位移变化图

图7 竖向位移变化图

图8 第一主应力变化图

图9 第三主应力变化图

图10 剪应力变化图

2.5.1 水平位移及竖向位移变化

位移计算结果详见图6、图7。各工况定义为：第一步（边坡开挖10m，其中5m为土层按荷载考虑），第二步（边坡下挖5m），第三步（边坡下挖5m），第四步（边坡下挖5m），第五步（边坡下挖5m），第六步（边坡下挖5m，到基坑底）。

图6、图7表明：隧道拱竖向位移较小，边坡开挖将产生约3mm的外倾水平位移，同时使隧道内侧产生约2.5mm的水平位移。

2.5.2 应力（第一、三主应力及剪应力）分析

应力计算结果详见图8~图10。各工况定义为：边坡未开挖时及边坡开挖完毕。

图8~图10表明：隧道开挖后顶部出现少量拉应力区，最大拉应力仅为100kPa，其余均处在压应力区，最大压应力仅为1600 kPa，边坡开挖对隧道周边主应力影响不明显，边坡开挖完毕后坡脚出现剪应力集中区，最大剪应力仅为256 kPa。

3 工程类比分析

世贸中心与临梯干道支洞人防工程洞室地基工程及世贸中心与临江门车站洞室地基工程与国泰广场项目临近。我们将这些工程从基坑深度、安全距离、支护方案及地质参数四个方面进行类比分析，类比结果详见表5。

表5表明：三个项目地质参数相当接近，该项目基坑深度虽略大，但安全距离较大。前两个工程已竣工多年，在施工和使用期间，工程都是安全的。

4 结语

该工程系重庆地区很有代表性的深基坑边坡工程，我们结合ANSYS、MIDAS/GTS模拟的基坑开挖过程中基坑周围岩土体的应力场、位移场、内力及塑性区分布等的变化情况以及工程类比结果，并征求了多位岩土专家的意见和建议，最终按本文所推荐方案进行施工。

表5 类比分析表

通过本文的研究可得到以下结论及建议：（1）采用弹塑性有限元程序来分析深基坑边坡工程中坑周岩土体应力场和位移场等的变化来评估深基坑边坡的安全性是可行的；（2）本文针对岩土体本身的变形特性进行平面应变的二维分析，从而得到的应力、位移、内力及塑性区的空间分布情况对类似工程具有很好的指导意义；（3）本文在分析时，未考虑水对地基岩体和隧道围岩强度的弱化作用，故在地面建筑施工和运营期间必须做好地表水体下渗的防排措施，对已有钻孔应采取有效的封孔措施，并使地表水体构筑物与隧道保持较远距离。

目前，该工程已顺利实施且竣工，在施工和使用期间，对基坑边坡关键部位进行了监测，监测值均在合理范围之内。实践证明：本文所推荐方案符合实际，工程安全，可供借鉴。

[1]郑永仁，龚晓南．岩土塑性力学基础[M].北京：中国建筑工业出版社,1998.

[2]周维垣．高等岩石力学[M].北京：水利电力出版社,1990.

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[5]王焕定，吴德伦．有限元法及实用程序[M].北京：中国建筑工业出版社,1997.

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[7]潘别桐，黄润秋．工程地质数值法[M].北京：地质出版社,1994.

[8]岩土工程手册编写委员会．岩土工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1995.

[9]重庆大学建筑设计研究院．重庆国美商业项目工程和轻轨二号线临江门车站隧道建设可行性安全论证报告[R]. 2009.10.

责任编辑：孙 苏

施工经验

混凝土冬季施工的加热法

1．蒸汽加热法

蒸汽加热法，就是将被养护的混凝土构件或结构置于有塑料薄膜覆盖的低矮棚架或保温罩内，用小锅炉、管道通入蒸汽进行保湿、保温养护，使其在极短时间内(1～3d)达到预期要求的强度。

2．电加热法

电加热法，就是利用电能加热养护。包括电极加热法、电热毯加热法、工频涡流加热法、线圈感应加热法和红外线加热法等。

(1)电极加热法，就是用钢筋作电极，利用电流通过混凝土时所产生的热量来加热养护混凝土。(2)电热毯加热法，就是混凝土浇筑后，在其表面或模板外覆以柔性电热毯，通电加热对其养护。(3)频涡流加热法，就是利用安装在钢模外侧的钢管，内穿导线线圈，通以交流电后产生涡流电加热钢模板，从而对混凝土进行加热养护。(4)线圈电磁感应加热法，就是利用缠绕在构件模板外侧的绝缘导线线圈。通以交流电后，在钢模板和混凝土内的钢筋中产生电磁感应，对混凝土进行加热养护。(5)红外线加热法。红外线也是一种电磁波，红外线加热就是利用新拌制混凝土有较好的吸收红外线能力，使混凝土不断获得热量实施养护。

需要特别强调指出的是：采用电加热法时，务必对所用导线的绝缘性能作认真、细致的检测；在实施电加热法期间，应派专人守护，作业区外围要设置安全防护围栏和"防触电"醒目标志，严防漏电、触电事故发生。

3．暖棚法

暖棚法，就是将被养护的混凝土构件或结构置于搭设好的棚架中，在棚架内设散热器、电热器或火炉等加热棚内空气，使混凝土处于正温环境下养护的方法。采用此法也要特别注意防火、防触电；当采用燃料加热器(油、煤等炉子)且置于棚内时，会产生较多CO2，容易使混凝土表面形成碳化硬壳，所以要用炉筒将烟气排至暖棚外。

（摘自：《建筑工人》。请作者速告地址，即付稿酬。）

Study on Impact of Deep Foundation Pit Slope of Chongqing Guotai Square Project on Light Rail Tunnel Safety

The impact of deep foundation pit slope on adjacent buildings has been a hot and thorn problem in geotechnical engineering.Since various rock-soil analysis methods with ultimate balance theory take no consideration into the change of stress field and displacement field of rock-soil caused by foundation pit excavation,the real situation of deep foundation pit slope project cannot be reflected.Based on a practical case in Chongqing,the changed situation of the stress field,displacement field,inner force and plastic area distribution of the surrounding rock-soil of foundation pit under construction are analyzed with ANSYS and MIDAS/GTS.And compared with adjacent projects,the interactive impact of deep foundation pit slope on adjacent buildings is evaluated.

deep foundation slope;elastic-plastic finite element analysis;pile-anchor support;displacement，stress

U213.1+3

A

1671-9107（2014）02-0042-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.02.042

2013-11-13

张虎（1981-），男，四川宜宾人，工程师，主要从事房屋建筑结构设计、边坡设计工作。

余向前（1976-），男，重庆人，研究生，高级工程师，主要从事房屋建筑结构设计等工作。

秦胜菊（1989-），女，重庆人，本科生，助理工程师，主要从事房屋建筑结构设计等工作。