基于有限元的基坑施工对周边轨道设施影响分析

黄林江，张瀚宇，曹献华

(1.深圳招商房地产有限公司,广东 深圳 518067; 2.金地集团武汉房地产开发有限公司,湖北 武汉 430000)

茶光工业区升级改造(茶光总部园区)项目二期(现更名为:南山智谷大厦)场地位于深圳市南山区,项目涵盖茶光路、沙河西路、西丽南支路及文光路所围合的区域,地理位置优越,拟将其打造成“工业化、智慧化、绿色化”的标杆示范项目,是深圳南山区招商引资和拓展产业发展空间的重要项目。项目建筑面积约20.67万m2,为西丽片区地标性建筑,最高建筑高度259.4 m。该项目共有3层地下室,-1层为商业+停车场,-2层和-3层为停车场+冰蓄冷机房,基坑深度为14 m～15 m。基坑东侧临近沙河西路及深圳地铁7号线,离地铁7号线最近处为20.44 m[1]。

本项目桩基施工、土方开挖、基坑降水及拆换撑施工等施工过程,可能导致周边一定范围内土体位移及应力改变,进而对周边轨道设施造成一定影响。因此项目基坑支护设计和施工方案同时兼顾基坑支护结构和轨道设施的安全,本项目由于周边有重要的地铁设施7号线,因此基坑支护设计要着重考虑周边7号地铁设施运营安全。

参照建筑地基基础设计规范[2]及深圳市地铁集团有限公司制定的轨道设施相关管理办法,地铁设施变形(隧道变形和钢轨变形)安全允许值如表1所示。变形值若超过规范标准,会给地铁轨道交通设施带来较大安全质量隐患,因此基坑施工过程中,要确保轨道设施安全。项目开工前,提前考虑项目施工全部工况,利用岩土工程有限元软件zsoil.pc v2016对不同工况地铁设施变形情况进行仿真计算,针对不利工况制定相应的安全防范措施,有利于确保周边轨道设施安全。

表1 地铁设施变形允许值

zsoil.pc v2016软件不仅操作简单而且功能强大,基本可以解决在岩土工程中可能遇见的受力和位移问题,其计算结果可靠和有效,在国内工程行业被广泛认可和运用。本文分析思路如下:以南山智谷大厦项目详勘报告、设计方案、地铁7号线设施详细情况等资料为基础,采用zsoil.pc v2016对项目地基基础施工过程中地铁设施相关参数变化情况进行模拟分析。提前掌握不利工况并做好对应预防措施,确保周边环境及市政基础设施安全。

1 计算原理

1.1 土体模拟

土体在各种开挖工况中岩土力学变化情况非常复杂。因此,模拟土体在各种开挖工况时运用合适的本构模型,仿真模拟结果才可能与实际施工过程相近。综合考虑,本次模拟采用小应变硬化土(HSS)模型[3]。

1.2 结构模拟

1)支护结构模拟。采用Shell单元对项目支护结构(混凝土咬合桩)进行模拟。采用此种类型单元模拟,模拟的咬合桩刚度和强度较为符合实际情况。2)内支撑体系模拟。依据设计相关资料,对于支护结构的梁、柱采用Beam单元进行仿真模拟。3)接触面模拟。考虑支护结构和周边土体之间的相对滑动(接触部分的位移不连续)等现象,决定采用无厚度的Goodman单元进行模拟。另外采用软件的独特算法,可以用于消除不利影响——接触面单元“嵌入”结构过大现象,仿真结果更为真实有效。4)立柱桩模拟。采用Pile单元对项目立柱桩(钢+混凝土组合)进行仿真模拟。5)基坑开挖施工降水模拟。基坑开挖施工降水可采用“飞井”(flying well)进行模拟。根据场地地层分布情况、支护结构、地铁结构的不同渗透系数,通过流-固耦合计算,分析基坑水位的变化对支护结构、周边环境及地铁设施的影响。

1.3 地层空间分布模拟

本项目地层空间仿真模拟采用软件的三维地质钻孔空间插值技术进行非线性(指数型、高斯曲线型)模拟,通过输入钻孔的数据(坐标、地层的厚度等)自动运算生成。

2 工程案例应用

2.1 项目概况

南山智谷大厦项目采用“钢筋混凝土荤素咬合桩+2道内支撑”的基坑支护形式。咬合桩荤素直径均为1.2 m,相邻桩咬合深度为0.3 m,桩的混凝土强度等级为C30。基坑共设置2道内支撑(冠梁标高区域+腰梁标高区域),基坑开挖深度约14 m～15 m。

坑东侧临近沙河西路及深圳地铁7号线,离地铁7号线最近处为20.44 m。

2.2 主要参数和计算条件设定

岩土材料主要计算性能参数见表2。

表2 岩土材料参数表

结合南山智谷大厦项目的基坑开挖深度、周边地铁市政设施等布置,选取计算模型尺寸为400 m×380 m×50 m。模型总节点数为287 549个。采用六面体实体单元,总个数为26 846个。渗透单元数为14 364个,板单元194 422个,梁单元2 994个。

计算模型如图1所示。

2.3 工况设定

共选取项目12种工况进行仿真模拟计算,不同工况描述如表3所示。

表3 仿真工况计算表

2.4 计算结果

根据相关计算参数,生成不同工况下隧道结构变形和地铁钢轨变形云图进行分析,隧道变形最不利工况为工况7,如图2所示。

临坑侧钢轨结构水平变形和垂直变形的变形云图,如图3所示,最不利工况也为工况7。

经过有限元软件仿真计算,对12种工况下隧道结构和钢轨变形云图及变形历时曲线的结果进行分析:地铁隧道结构的最大水平变形为4.24 mm,最大垂直变形为2.94 mm;地铁钢轨结构的最大水平变形为3.64 mm,最大垂直变形为2.21 mm,均发生在临近地铁侧。

由于基坑施工降排水与土方施工卸荷的耦合作用,地铁隧道结构及钢轨结构变形的最大发展工况,均发生在基坑挖土卸载至坑底,即工况7。此时土方卸荷完成,对周边土体和地铁设施的扰动较大。在此工况下,变化量(水平和垂直变形)与相关地铁变形规范对比结果如表4所示。其中,地铁钢轨结构水平位移变形较大,但未超过规范允许值;地铁隧道结构水平和垂直变形、地铁钢轨结构垂直变形相对于规范值变化较小,远低于规范值。

表4 各坑侧隧道结构变形和钢轨结构变形量汇总表(最不利工况7)

而工况8—工况12,即基坑的地下室结构施工及周边换撑结构施工工况,由于换撑板的设置、基坑周边肥槽的回填以及地下室侧墙、桩、梁、板柱组成的整体结构刚度等因素,换撑过程中围护结构产生的变形增量较小。因此,地铁隧道结构及钢轨结构的变形增量也较小。

根据模拟仿真计算及与规范允许值对比结果,在项目基坑施工期间,临近侧地铁7号线隧道结构变形和钢轨结构变形均在规范值允许范围内,基坑施工过程中,周边地铁设施(7号线)受施工影响较小,轨道和隧道结构安全。

3 结论及建议

3.1 结论

根据模拟仿真计算结果,地基基础施工导致地铁设施变形的增加值均在规范要求范围内。因此,按本工程基坑支护设计方案,以及施工单位编制的合理施工方案进行实施,对周边地铁(7号线)设施及运营影响较小,结构安全可控。

3.2 建议

1)基坑施工必定会对周边环境和设施造成影响,但影响程度大小与基坑形状、支护结构形式、基坑降排水方案等综合因素密切相关。因此,本项目基坑施工前需要充分考虑所有施工因素,确定合理的施工方案和应急措施。2)支护结构采用旋挖机进行施工,施工过程中会对地铁结构造成一定程度的扰动,需严格控制减少其影响;另外,本场地砂层较厚,基坑的截水措施是减小基坑开挖及降水对周边环境影响的重要措施之一,因此咬合桩的施工质量控制尤为重要。3)根据仿真结果,土方开挖过程中地铁形变增量值较大。因此应充分考虑土石方工程施工方案,开挖过程应严格遵循“土方开挖原则”,尽量降低其施工影响。4)由于基坑中砂层较厚,即使采用明排,土方开挖也必然引起水位下降,因此,要掌握基坑周边地层水位变化情况,密切关注水位监测数据,指导基坑降排水进行。