地铁风井基坑施工对邻近河堤结构位移影响的数值分析

高宗祥

(中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250014)

0 引 言

随着城市地铁的大规模建设，受城市地下空间限制，新建地铁隧道邻近既有构筑物(地铁隧道、桥梁、建筑等)难以避免，地铁施工导致邻近既有构筑物结构安全问题愈发普遍。针对该类问题，张治国等[1]较早运用整体有限元法对地铁隧道在基坑施工过程中所产生的影响进行弹塑性分析，分析结果与工程实测吻合良好；高广运等[2]、唐仁等[3]分别采用数值模拟方法建立了三维模型，以此分析了基坑施工对邻近地铁隧道的影响；宫志群等[4]通过三维有限元分析手段研究了地铁车站施工对邻近建筑物的叠加影响。前述工程分析实例表明，数值分析方法是目前开展邻近施工领域常用的分析方法之一。为此本文建立了基坑-土体-河堤结构三维有限元模型，分析地铁风井基坑施工对邻近河堤结构位移的影响，在现行规范下评估河堤结构安全。

1 工程概况

广州地铁十八号线盾构隧道琶洲西区站—冼村站区间中间风井中心里程为ZDK57+379.597，位于珠江前航道以北，北邻临江大道新中轴隧道，南邻猎德-广州大桥河堤。风井基坑宽度37.4 m，长42.8 m，标准段基坑深约41.21～41.47 m，地面平整后的高程约为8.60 m。基坑围护结构采用地下连续墙+六道内支撑，连续墙嵌固深度不应小于2.5 m，总长超过20 m的支撑于中间设置临时中立柱，并于立柱下设置立柱桩。连续墙为C35水下混凝土，抗渗等级P8，墙厚为1 000 mm；内支撑采用C35混凝土，其中第一道支撑、第二～六道支撑截面尺寸分为700 mm×900 mm和800 mm×900 mm，混凝土连梁截面尺寸为400 mm×600 mm，冠梁和腰梁截面尺寸分别为1 000 mm×1 000 mm和1 000 mm×1 200 mm，临时中立柱采用Q235b。

邻近的1级河堤猎德-广州大桥河堤为直立式堤岸，采用抛石基床作为预制沉箱基础，基础采用大开挖断面，临江侧主要为淤泥质土开挖，开挖边坡坡比采用1∶2.0，内侧临时开挖边坡坡比采用1∶2.0。开挖完成后抛填大块石。抛石基床上吊装C30钢筋混凝土U型预制混凝土沉箱，并在沉箱上设2.1 m混凝土现浇胸墙作为护岸，堤顶设人行道及绿化带。

中间风井基坑与邻近1级河堤结构最近的直线距离约19.8 m，侵入河堤保护范围；竖向上，河堤基床底埋深为7.2 m，风井基坑底部埋深约为41.3 m，河堤底部距风井基坑底部约为34 m，两者相对位置关系如图1所示。根据经验中间风井施工影响区域为基坑深度的3～5倍，按3倍计算约为124 m，表明河堤结构处于基坑施工的影响范围内。需要从河堤位移变化的角度分析基坑施工对河堤造成的影响。

图1 风井基坑与邻近1级河提相对位置关系图

2 场地工程地质条件

根据岩土勘察报告该处场地地貌属于珠江三角洲冲积平原，本场地地形较平坦，相对高差较小，地面高程一般为7.6～9.5 m，以水道、道路为主。

通过分析，选取中间风井与邻近河堤处最不利钻孔处的地质作为建模资料，该处地质从地面往下依次为2.6 m的杂填土<1-2>，3.9 m的淤泥质土<2-1B>，3.7 m的粉质粘土<4N-2>，7.2 m的强风化泥质粉砂岩<7-3>，4.2 m的中风化泥质粉砂岩<8-3>，6.1 m的微风化泥质粉砂岩<9-3>，4.5 m的中风化泥质粉砂岩<8-3>，以下是微风化泥质粉砂岩<9-3>，对应的地层参数信息见表1。河堤位于杂填土和淤泥质土中，中间风井基坑坑底位于微风化泥质粉砂岩中，地质条件较好，对邻近河堤的安全与稳定有利。

表1 土体参数信息表

3 三维有限元模型

为有效模拟基坑施工过程综合考虑地质等条件，对三维数值模型的计算条件进行了合理假定，主要包括：(1)根据最不利钻孔的地层参数，假定各土层均为连续、均匀水平层状分布的各向同性体；(2)土体简化为理想的弹塑性体，均采用Mohr-Coulomb模型；(3)将混凝土材料构件简化为理想的线弹性材料，其中河堤预制混凝土沉箱和胸墙采用实体单元模拟，地连墙采用板单元模拟，内支撑、冠梁、腰梁采用梁单元模拟。

根据河提和中间风井的结构、材料参数以及构筑物间的空间立体关系，以及前述合理的假定条件，采用midas GTSNX建立了三维有限元分析模型如图2所示。为避免边界效应的影响，计算区域为240 m(基坑长边方向)×235 m(基坑短边方向)×70 m(深)。模型边界采用位移边界条件，约束模型底部z方向、模型前后面y方向、模型左右面x方向。

图2 三维有限元模型整体图

为考虑基坑施工过程对临近河堤的影响，对基坑主要施工过程进行了动态模拟，共分为10个工况，分别为：工况1初始应力场分析，位移清零；工况2河堤施工，新中轴隧道施工，位移清零；工况3建中间风井地连墙、中立柱、立柱桩；工况4中间风井基坑开挖第一层土体至第一道支撑底0.5 m；工况5架设中间风井冠梁、第一道支撑，基坑开挖第二层土体至第二道支撑底0.5 m；工况6～10重复上一步，直至基坑开挖第六层土体至基底。

4 主要结果分析

通过三维有限元模型计算并对结果提取，统计得到各施工工况下临近河堤结构位移汇总见表2。图3给出了位移最大工况下的河堤结构位移分布云图，分析表2可知。

表2 各施工工况河堤结构位移结果汇总表

图3 各位移最大工况下的河堤结构位移分布云图

(1)河堤水平X位移随着基坑开挖的进行先增大后略有减小，当风井第五道支撑施工时河堤水平X位移达到绝对最大值0.74 mm；(2)河堤水平Y位移总体变化趋势与X位移一致，即随着基坑开挖的进行其值先增大后略有减小，风井第五道、第六道支撑施工工况下河堤水平Y位移最大为-0.40 mm；(3)河堤竖向位移随着基坑开挖的进行逐渐变小，当风井第一道支撑施工时河堤竖向位移达到最大值为-0.24 mm；(4)在河堤三向位移中水平X位移最大、Y位移次之、竖向位移最小，由此导致总位移的最大值与水平位移达到最大值的工况同步，最大位移值为0.80 mm；(5)河堤竖向最大沉降值为0.24 mm，小于《城市轨道交通工程监测技术规程》[5]中城市主干道路基沉降控制值10 mm的要求。

5 结 论

针对前述所开展的三维数值仿真计算结果及分析，可得到结论如下：

(1)地铁中间风井基坑施工诱发的河堤最大总位移为0.80 mm，最大水平位移为0.74 mm，最大沉降为0.24 mm，其中最大沉降值小于规范所规定的城市主干道路基沉降控制值10 mm的限值要求，由此可认为中间风井开挖不会危及既有河堤结构的安全；

(2)中间风井基坑开挖对河堤影响区域主要为与中间风井距离最近点前后10 m范围内，建议在项目后续实施中有针对性的开展监测工作，加强该区域的日常监测。