深基坑开挖对临近地铁线路的影响分析

佘格格

(三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

对于现代城市深基坑工程施工而言，对其临近建筑物变形影响分析的重要性，已经超过基坑本身[1]。伴随地铁工程在城市建设中重要性的逐渐增高，地铁沿线地区成为城市经济发展的热门[2]。出于对地铁线路本身安全和周边环境保护的考虑，基坑工程实施前，要对其临近的地铁线路进行工程影响评估，确定完工后对地铁线路及周围区域沉降和变形值低于规定允许值。

工程应用中常使用Duncan-Chang模型[3]、弹塑性的Mohr-Coulomb模型[4]和Druker Prager模型[5]等本构模型进行基坑开挖分析。三个模型均为理想模型，参数获取简单，被广泛应用，但未考虑到土体中的固结压力影响，不适宜应用于变形受体积应变影响较大土体模拟计算。HSS模型同时考虑了剪切硬化和压缩硬化，能够反映土体小应变状态下土与结构的相互作用[6]。研究项目所在地区土质压缩性强，土体变形需要考虑固结压力、体积应变、加卸载模量等多重因素，故选用HSS模型。

1 计算模型与参数取值

1.1 HSS小应变模型参数值确定

采用HSS小应变模型计算基坑开挖时，模型参数的取值如下：

1.2 模型建立与计算步骤

项目基坑沿轨道交通某站路停车场出入场线方向分布，基坑与主体纵向尺寸与横向尺寸的比分别为7.2、6.1。研究表明，当基坑、主体结构长宽比大于6时，二维和三维数值分析结果十分类似[7]，因此把此基坑工程简化为平面模型进行分析是合理可行的。

模拟计算时，对于主体结构两侧基坑考虑同步开挖，将坑内潜水位考虑为开挖面，坑外水位为主体覆土顶面标高；回筑、拆撑过程将坑内水位考虑为基底，坑外水位为主体覆土顶面标高。采用Plaxis软件模拟基坑开挖过程及回筑工序见表1。

2 工程概况

案例项目位于武汉某街道路口与武九铁路交汇处，左右地块沿着武汉市轨道交通2号线某站路停车场出入场线方向分布，每个地块均为地下二层。该项目地下一层段基坑围护结构采用1000mm@1300mm钻孔灌注桩，地下两层段采用1200mm@1500mm钻孔灌注桩；一层、二层地下室桩间止水采用高压旋喷桩工艺；基坑设置一道支撑，支撑中心标高20.90m，支撑采用800mm×800mm的混凝土桁架撑，中间设置临时立柱。

表1 基坑开挖及回筑工序

3 工程实例分析

根据断面尺寸，建立断面数值分析模型。基坑临近铁路侧考虑车辆荷载为50kPa，左侧基坑左侧与右侧基坑右侧考虑施工荷载为15kPa。计算断面简图如图1所示。

图1 计算断面简图

3.1 施工基坑围护桩、放坡开挖至第一道支撑时的位移

计算断面垂直位移最大约-3.85mm，表现为超载引起的土体竖向沉降；基坑内土体有最大2mm的土体位移，方向向上。地铁线路停车场周围土体变形较小，竖向沉降不足1mm。

断面最大水平位移发生在停车场左侧，靠近铁路路基边坡，最大水平位移约2.36mm，方向向右，为左荷载引起的土体位移。停车场附近土体基本无水平位移。以主体结构左侧墙为x=0，以顶板(底板)宽度方向为x轴、顶板(底板)垂直位移为y轴建立坐标系，计算结果绘制成曲线图如图2所示。

图2 第一阶段主体结构顶、底板位移图

主体结构平面计算共分6跨，变形主要发生在最左侧和最右侧一跨。顶板最大垂直位移为-0.78mm，底板竖向沉降最大值为-0.79mm，该工况条件下，垂直位移值不足1mm，停车场主体结构整体位移较小。

3.2 布置第一道支撑、开挖至坑底后的位移

随着开挖到达基坑底部，土体位移明显增大。计算断面最大竖向沉降值为-17.5mm。坑底发生隆起，隆起值最大约30.52mm。基坑开挖至坑底时，整个断面水平位移明显增大，其最大位移值位于左侧基坑，约为19.35mm，方向向右；右侧基坑最大位移约为-14mm，方向向左。

主体结构平面计算共分6跨，最大变形发生在最右侧一跨，顶板最大垂直位移-2.37mm，底板竖向沉降最大值为-2.36mm，该工况轨道位置处最大沉降为-1.07mm。如图3所示。

图3 第二阶段主体结构顶、底板位移图

3.3 浇筑底板、拆除支撑后的位移

相对于上一工况，浇筑底板、拆除支撑后，计算断面坑底隆起值和坑外沉降值变化不大。竖向沉降最大值约-20mm，相对于上一工况沉降最大值增大2.5mm，坑底隆起最大值约29.22mm，与上一工况一致。此工况时断面水平位移最大点从基坑底部往上移动，水平位移增大。左侧基坑最大水平位移约32.26mm，方向向右，较上一工况增大约13mm；右侧基坑最大水平位约-24mm，方向向左，较上一工况增大10mm。

停车场主体结构平面计算最大变形发生在最右侧一跨，计算跨度6.9m，顶板最大垂直位移-2.60mm，底板竖向沉降最大值为-2.61mm。该工况轨道位置处最大沉降为-1.1mm，满足要求地铁线路对垂直位移要求。如图4所示。

图4 第三阶段主体结构顶、底板位移图

4 结语

通过对武汉地区某临近地铁深基坑工程的数值模拟，对比、分析深基坑施工后监测变形数据，得出如下结论:

采用HSS本构模型对基坑工程进行数值模拟，得到模拟结果为基坑开挖过程中放坡开挖、布置第一道支撑时，垂直位移值不足1mm，水平位移不足0.1mm，停车场主体结构整体位移较小；开挖至坑底后，该工况条件下轨道位置处最大沉降为-1.07mm；浇筑底板、拆除第一道撑后，轨道位置处最大沉降为-1.1mm。而施工过程中，轨道位置处实际监测值在3个工况条件下，位移均值分别是-0.71、-1.12、-1.17mm。模拟计算采用对称开挖，故结果中主体结构开挖停车场主体结构水平方向受力均衡。计算的成果和监测数据值对比，两者较为接近，验证了HSS本构模型在武汉地区的适用性。