行车荷载与基坑开挖对新建及既有基坑坑底和地连墙的影响研究

王钰轲 付宏松 马 露

(1.郑州大学 水利科学与工程学院,郑州 450001;2.安徽科技学院 建筑学院,安徽 蚌埠 233100)

随着我国地下空间开发的不断深入,地下空间开发重点的城市轨道交通建设方兴未艾[1-3],地下空间开发利用对邻近已有构筑物的安全影响日益成为一个焦点问题[4].地铁车站多建于交通繁忙的路段,导致已运营地铁线路周边不可避免地会出现基坑邻近施工的问题[5],施工现场交通情况较复杂[6],一方面基坑施工邻近既有构筑物时,基坑开挖必然会改变土体的原始应力场和位移场,继而引起邻近既有构筑物附加变形和内力[7],从而影响车辆通行；另一方面因为地铁基坑的开挖往往是邻近城市道路,邻近道路侧行车荷载对基坑的安全性会产生影响,因此基坑开挖对周边道路以及邻近构筑物影响的合理预判以及保护变得尤为重要[8].为了保障基坑安全,研究外界耦合因素作用对基坑稳定性的影响就显得尤为重要,而道路上的行车荷载和基坑开挖工序则是地铁施工中常见的两个影响因素,选择研究两者耦合作用对基坑稳定性影响是有必要的.

针对外界因素对基坑稳定性影响的问题,许多学者专家基于不同角度进行了研究.陈萍等[9]针对相邻基坑开挖这一关键问题进行了研究；周勇[10-11]采用实际监测和数值模拟相结合的方法,分析了兰州地铁车站深基坑开挖变形特性和围护结构、周边建筑物及地表沉降的位移变化规律；陈辉[12]结合施工全周期的各项监测数据,研究顺逆结合超大深基坑对称开挖对既有运营地铁区间隧道的影响；王灿等[13]研究软土地基结构性改变对基坑开挖围护墙变形、地表沉降及其邻近地铁隧道位移和弯矩的影响；刘念武等[14]研究了软土深开挖引起地铁车站深基坑工程围护结构及邻近建筑的变形特性；叶帅华等[15]对基坑施工过程中的桩顶水平和竖向位移、地表沉降、钢支撑轴力进行了监测与研究；Zhang等[16]调查了基坑施工过程中相邻建筑物的损坏情况；Amir Reza Beyabanakid等[17]研究了开挖矿坑顺序对既有隧道的影响；郑明新等[18]运用ABAQUS建立二维数值模型,研究了基坑开挖过程中对邻近基坑的桥墩墩台沉降和桩基变形规律；徐俊[19]采用有限元软件从围护结构变形、铁路路基沉降两个方面对基坑开挖施工影响进行研究；李霄辉[20-21]分析了基坑施工对邻近铁路轨道的变形影响.上述成果主要集中于单一因素对地铁基坑稳定性及邻近构筑物的影响,考虑如车辆荷载、基坑开挖等影响因素.鉴于目前地铁基坑施工现场情况复杂,该类计算结果已不能满足当前的工程需求.

为适应工程的发展需求,有必要通过有限元方法模拟耦合作用对基坑稳定性的影响,为城市地铁基坑施工的安全和实际道路运营提供理论支持.因此,本文选取复杂施工条件下的行车荷载和基坑开挖工序两个常见影响因素,通过有限元分析方法建立道路-新建基坑-既有基坑模型,分析不同行车荷载和开挖工序对地铁基坑的地表沉降、围护结构位移等的影响,研究结果可为实际工程提供参考.

1 地铁基坑数值模型建立

1.1 模型概况

为了研究城市中行车荷载和基坑开挖对新建及既有基坑坑底和地连墙的影响,本文借助有限元分析方法,建立道路-新建基坑-既有基坑模型进行计算.模型总长120 m,深40 m；既有基坑宽15 m,深10 m；新建基坑宽40 m,深10 m,分4 层开挖,每层开挖2.5 m,并设置支撑,其中新建基坑设有支撑,既有基坑未设支撑；为方便计算分析基坑稳定情况,设模型分为上下两层土厚度各20 m,上层土体为加固填土,下层土体为砂土,各层土体参数见表1.土体采用能较好反应土体力学性质的Mohr-Coulomb本构模型,相关参数见表1.两基坑均设有地连墙,地连墙宽0.9 m,长1 m,高20 m,弹性模量为20 GPa；道路宽度为12 m,双向四车道；具体模型如图1所示,其中道路未设置沥青或混凝土路面板.

表1 地基土层物理力学参数

图1 道路-新建基坑-既有基坑模型

1.2 新建地铁基坑开挖过程模拟

新建地铁基坑从上往下分4步骤开挖：第1步开挖至地下2.5 m,施作钢筋混凝土支撑；第2步开挖至5 m,施作钢筋混凝土支撑；其中第3 步开挖至地下7.5 m,施作钢筋混凝土支撑；第4步开挖至10 m,施作钢筋混凝土支撑,既有基坑未设置支撑[22].

求解分析步骤：①设置模型的自重应力场,利用软件计算自重应力场平衡；②移除第1层土体单元；③激活地下连续墙单元；④移除第2层土体单元；⑤激活第1道支撑单元；重复④⑤步骤,直至基坑底部.

1.3 路基工作区与边界条件

土体与结构物仅考虑自重荷载,约束模型横向位移并固定模型底部位移.车辆荷载动力部分对基坑变形影响不大[23],为了简化计算,本文选择对道路施加静荷载,且不考虑道路沥青或混凝土路面板的影响；选取道路横断面同时存在4辆重2 t的车辆作为道路最不利情况；经过计算其施加给道路的压强约为1 000 k Pa.鉴于城市道路交通量在一天中,各类道路交通量存在明显变化[24],为了分析不同程度交通量对基坑的影响,选择一天中不同的车辆静力荷载施加在模型道路表面,并通过计算其路基工作区深度来分析其对研究对象的影响,施加在道路表面的压强约为0、250、500和750 k Pa.

路基工作区是指在路基某一深度,当车轮荷载引起的垂直应力与路基自重引起的垂直应力占比为1/10～1/5时,该深度范围内的路基称为路基工作区[25].本文选用车轮荷载引起的垂直应力与路基自重所占比例1/5的范围为工作区,通过有限元软件的Boussingesq解得到如图2所示的路基自重应力与附加应力随深度变化的应力曲线图,通过计算可得路基工作区深度为24、34、40 m.

图2 土体自重应力与附加应力随深度变化图

2 计算结果分析

为了便于分析,将行车荷载0、250、500和750 kPa,根据路基工作区计算结果记为S0、S24、S34、S40.将新建基坑与既有基坑的地下连续墙的从左至右记为W1、W2、W3和W4,具体地连墙在模型中的相对位置如图3所示,对模型计算土体应力分布进行大致分析.

图3 地连墙相对位置图

由图4可知,模型土体自重应力主要集中在新建基坑与既有基坑附近,而随着行车荷载的增加,模型土体的应力开始进行重分布,且随着行车荷载的增加,土体的应力逐渐增长,当行车荷载达到750 k Pa时,土体的应力主要集中在新建基坑附近,为了进一步分析行车荷载和新建基坑开挖耦合对基坑稳定性的影响,接下来将对新建及既有基坑坑底变形来进行分析.

图4 有限元模型的应力分布情况

2.1 行车荷载对两基坑坑底及其地连墙的影响

对既有基坑与新建基坑施工完毕坑底的竖向位移U2进行研究,在既有基坑与新建基坑坑底底部表面设立路径,以基坑坑底左边界为坐标原点,通过有限元分析方法计算得该路径上的竖向位移情况.由图5可知,随着行车荷载的变大,在新建基坑坑底邻近道路侧的变形差别最大,与参照组S0相比,差别达到2 cm 以上,而随着所设路径的距离增加,这种差别迅速减小,在新建基坑中部,行车荷载对基坑变形的影响基本可以忽略.同理,既有基坑因为与道路之间的距离超过40 m,且新建基坑地连墙的加固作用,既有基坑坑底变形基本相同,因此该影响也可以忽略.

图5 不同行车荷载影响下两基坑基底竖向位移图

由上可知新建基坑与既有基坑坑底变形情况,而后针对新建基坑与既有基坑支护结构进行更加深入的研究.在不同行车荷载影响下,随着行车荷载的增加,新建基坑与既有基坑地连墙的横向位移U1也随着增加,如图6所示,新建基坑的地连墙W1、W2和既有基坑的W3、W4的最大横向位移改变量分别为18、4、4与1 mm.从图中可以明显地看出靠近道路侧的新建基坑中的地连墙W1受行车荷载影响,结构变形更加明显,而新建基坑的地连墙W2 与既有基坑W3因相隔较近且距离道路间隔超过40 m,不同行车荷载对其的影响衰减；距离道路最远的既有基坑的地连墙W4最大位移改变量则为1 mm,可以认为其基本不受行车荷载的影响.这说明,道路上施加的行车荷载对邻近周边土体及防护结构变形的影响要相对剧烈,距离道路越远,这种影响会迅速衰减.

图6 不同行车荷载影响下两基坑地连墙横向位移图

为了更好地指导实际工程建设,将对在不同行车荷载作用下的地连墙在剪应力方面进行更加深入的研究,如图7所示.

图7 不同行车荷载深度影响下两基坑地连墙剪应力图

从图7可以看出,在不同行车荷载下,剪应力主要集中在地连墙5～15 m 范围内,与地连墙横向位移图相似,剪应力变化主要体现在地连墙W1上,其余地连墙的剪应力受行车荷载影响较小.就新建基坑的地连墙W1 而言,不同行车荷载对新建基坑地连墙W1的影响主要集中在5～10 m,且行车荷载越大,剪应力变化越明显.新建基坑的地连墙W1承受了主要道路上施加的行车荷载的影响,对于新建基坑地连墙W2和既有基坑地连墙W3、W4,因距离道路较远,行车荷载带来的影响随之减弱,可以认为地连墙W2、W3和W4几乎不受行车荷载影响.以上分析说明道路上施加行车荷载对基坑的影响是有范围的,地连墙与距离是减少这种影响的有效途径,因此实际基坑施工时,对于离行车荷载的道路较近的基坑安全性需要引起重视,而较远处的基坑可以不用考虑行车荷载的影响.

2.2 不同开挖工序对地连墙及道路的影响

选取行车荷载影响较大的行车荷载750 k Pa即S40作为工况,在此条件下,研究不同开挖工序○、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ对基坑及道路稳定性的影响.其中第○步表示土层未开挖,第Ⅰ步表示开挖至地表以下2.5 m；第Ⅱ步表示开挖至地表以下5 m；其中第Ⅲ步表示开挖至地表以下7.5 m；第Ⅳ步表示开挖至地表以下10 m.在不同开挖步下,新建基坑与既有基坑的地连墙的横向位移如图8所示.

图8 不同工序下地连墙横向位移变形图

由图8可知,在不同开挖步下,地连墙的横向位移有明显的差别,且均向基坑内侧发生“弓形”变形,最大变形集中在地连墙顶部,地连墙W1 变形最明显.随着基坑向下开挖,新建基坑的地连墙W1、W2和既有基坑的W3、W4受邻近道路上施加荷载的影响,最大位移改变量为4、7、5和2 mm,W1、W2、W3因邻近开挖基坑,因此受影响较大.就开挖工序对地连墙结构主要变形部位而言,由图7可知,随着开挖深度的增加,墙体水平位移随之增大；对于同一地连墙而言,最大位移改变部位不随开挖深度的增加而改变,且顶部位移受开挖影响较小；对于不同地连墙,新建基坑的地连墙W1、W2和既有基坑的W3、W4最大位移改变量的部位随着道路距离而变化,新建基坑地连墙W1、W2与既有基坑地连墙W3、W4最大位移改变部位分别为地连墙顶部向下10、15、17.5 和20 m 处,且地连墙顶部的位移基本保持不变.由此可见,就地连墙的横向变形而言,行车荷载和路基开挖耦合作用主要对地连墙的下部结构变形产生影响.

为了更加深入地研究行车荷载和路基开挖共同作用下对地连墙的结构影响,选取行车荷载750 k Pa即S40工况新建基坑的W2地连墙进行力学分析.由图9可知,相较于未开挖的○步,随着开挖深度的增加,第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ开挖步的新建基坑地连墙W2所受的最大横向受力F1不断增加；最大受力位置在未开挖时集中在地连墙中下部15 m 左右,随着开挖深度的增加,最大受力位置开始出现在地连墙上部,当达到极值时,地连墙的横向受力开始迅速衰减,这说明一开始地连墙上部承受较大的横向力,随着开挖深度增加,由于上部土体的减少和设置的支撑作用,所以横向力会突然迅速衰减；而且随着开挖深度增加,开始地连墙所受的横向力迅速衰减的位置会向下移动,这使得地连墙局部受力增加,严重危害其安全性.

图9 新建基坑地连墙W2的横向力与剪应力变化情况

继续深入研究W2地连墙的弯矩M分布情况,由图9可知,新建基坑地连墙W2在不同开挖步下中下部的弯矩分布规律相似,自地连墙底部弯矩开始增加,在15 m 左右达到最大值,而后弯矩开始递减,且地连墙中下部的最大弯矩值随着开挖深度的增加而增加,每一个开挖步对弯矩的影响并不是线性叠加而是逐步衰减的.对于地连墙W2中上部,可以发现,此时地连墙中上部往往承受较大的弯矩,不同开挖步中,在设置支撑处,弯矩会出现反弯点,遏制弯矩增加的趋势,这说明在基坑开挖时设置支撑可以有效地减少地连墙的受力,充分发挥地连墙的性能,增强基坑的稳定性与安全性.

研究不同开挖工序对于土体竖向沉降U2的影响.在道路的表面设立路径记为ROAD,在既有基坑坑底设立路径记为JK,在这些路径上分析新建基坑开挖对行驶道路与既有基坑坑底的沉降影响.由图10可知,对于行车道路表面,土体沉降集中在车辆荷载作用处,最大沉降为18cm,地表沉降值由中间向道路边缘逐渐减小；在不同新建基坑开挖的影响下,行车道路表面的沉降基本无变化.而对于既有基坑坑底沉降而言,沉降集中在基坑中心处,最大沉降为3.5 cm；不同新建基坑开挖影响主要集中在新建基坑第一层土体开挖,而之后的开挖工序对基坑底部沉降几乎无影响,这说明基坑开挖对于既有基坑与道路的影响较小,在实际工程中,开挖步对基坑沉降的影响可以只考虑第一步土体开挖.

图10 不同新建基坑开挖工序下土体沉降图

3 结论

本文基于实际工程进行分析,考虑不同行车荷载和新建基坑开挖的作用,利用有限元分析方法分析其对既有基坑坑底沉降、两基坑支护结构位移、应力等的影响,得到了以下结论：

1)不同行车荷载产生的路基工作区深度将会引起土体的应力重分布,土体应力主要集中在新建基坑附近.

2)在行车荷载和基坑开挖的影响下,行车荷载与新建基坑开挖的增加使得新建基坑地连墙的结构中上部受到更大影响,这说明行车荷载和基坑开挖对地连墙存在影响但有范围.

3)在最不利行车荷载的作用下,新建基坑开挖对既有基坑的坑底与道路表面变形的影响可以只考虑新建基坑第一层土体开挖,其余工序几乎无影响.说明地连墙的设立可以有效减少基坑开挖对周边土体变形的影响.

4)在实际工程中,在行车荷载与基坑开挖的作用下,新建基坑与既有基坑应当及时设置防护措施,重点关注新建基坑地连墙的中上部结构,必要时可加设支护结构,这有助于保证基坑具有足够的稳定性.