基坑開挖對鄰近建筑地鐵隧道的影響
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摘要:利用MidasGTSNX對基坑開挖引起的鄰近建筑及地鐵隧道變形情況進(jìn)行三維建模分析，并對減少基坑開挖引起的鄰近建筑物沉降方案進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明:基坑開挖后建筑物地下室整體表現(xiàn)為沉降變形的趨勢，采用單排樁支護(hù)形式，建筑物的傾斜度會(huì)達(dá)到規(guī)范臨界值，研究結(jié)果可為今后類似工程提供一定的借鑒和參考。
關(guān)鍵詞:基坑開挖，鄰近建筑，既有隧道，數(shù)值分
引言
基坑開挖是半無限空間體內(nèi)的動(dòng)態(tài)開挖過程，基坑開挖卸荷會(huì)使得基坑周邊土體產(chǎn)生側(cè)向位移，坑底產(chǎn)生回彈，這些土體卸荷行為均會(huì)影響到周邊建筑物及既有地鐵隧道的安全，因此分析基坑開挖對于周圍環(huán)境的影響成為一個(gè)亟待研究的重要課題。目前有不少學(xué)者展開了多方面的研究并取得了豐碩的成果。韓健勇等［1］通過數(shù)值計(jì)算，得出了在不同工況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與建筑物沉降之間的關(guān)系。范凡等［2］通過理論分析得出了基坑開挖對周邊環(huán)境影響的分區(qū)特征，提出了坑外開挖面深度以上土體沉降分布曲線的簡化計(jì)算公式。陳陽等［3］基于現(xiàn)場實(shí)測得出了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)位移和周邊土體沉降隨時(shí)間及開挖深度的變化規(guī)律。鑒于此，本文以沈陽某基坑工程為背景，利用MidasGTSNX有限元軟件建立三維數(shù)值模型，研究基坑開挖過程中，鄰近建筑物以及既有地鐵隧道受基坑開挖的影響規(guī)律，為后期類似基坑工程的安全施工提供參考。
1有限元模型及參數(shù)
1．1模型建立
擬建基坑開挖深度約為11．5m，基坑北側(cè)有一地鐵風(fēng)亭，距基坑邊8．1m，風(fēng)亭底板標(biāo)高25．71m?；游鱾?cè)有一16層建筑，距基坑邊5．2m，有2層地下室，埋深8m。基坑?xùn)|側(cè)臨近地鐵線路，地鐵線距基坑邊4．2m～16．9m，并且有一豎井緊鄰擬建基坑，地鐵線軌頂標(biāo)高18．696m，豎井底板標(biāo)高13．89m。為保護(hù)既有區(qū)間隧道，控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，采取如下支護(hù)設(shè)計(jì)方案:1)北側(cè):支護(hù)樁+三層角支撐，旋挖成孔，全程護(hù)筒;2)東側(cè):支護(hù)樁+三層錨索，旋挖成孔，上部4．0m采用護(hù)筒(距離小于6．0m的部位全程采用鋼護(hù)筒)。東側(cè)—靠近豎井:支護(hù)樁，旋挖成孔，上部4．0m采用護(hù)筒;3)南側(cè):支護(hù)樁+二層錨索，長螺旋成孔;4)西側(cè):支護(hù)樁+一層錨索，長螺旋成孔。基坑開挖影響寬度約為3倍～5倍的基坑開挖深度，影響深度約為2倍～4倍的基坑開挖深度，因此計(jì)算模型幾何尺寸X，Y，Z分別取211m，211m，35m。模型底部固定，四周約束法向位移，上部為自由邊界，有限元模型如圖1所示，模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，模型共有176904個(gè)單元，計(jì)算模型施工步驟與實(shí)際施工一致。
1．2模型本構(gòu)及計(jì)算參數(shù)
計(jì)算模型中土體采用實(shí)體單元建模，修正摩爾庫侖模型模擬;錨桿采用植入式桁架單元建模，彈性模型模擬;圍護(hù)樁和支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元建模，彈性模型模擬;地鐵隧道襯砌采用板單元建模，彈性模型模擬。本次數(shù)值計(jì)算所采用的巖土力學(xué)計(jì)算參數(shù)依據(jù)該項(xiàng)目勘察報(bào)告確定，具體地層參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，表2。
2模擬結(jié)果分析
2．1基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響
地鐵隧道最終水平和豎向位移計(jì)算云圖如圖3，圖4所示。由圖3，圖4可知，由于基坑開挖會(huì)引起周圍土體擾動(dòng)，使基坑周圍土體向基坑內(nèi)產(chǎn)生側(cè)向位移，地鐵隧道結(jié)構(gòu)隨之產(chǎn)生附加位移和附加變形。當(dāng)?shù)谝粚油练介_挖結(jié)束后，該階段隧道結(jié)構(gòu)水平位移達(dá)到0．42mm，占總水平位移的45%，隧道累計(jì)沉降量達(dá)到1．937mm，累計(jì)上浮量達(dá)到1．871mm;當(dāng)?shù)谄邔油练介_挖結(jié)束，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最終水平位移為0．93mm，指向基坑方向，最終累計(jì)沉降量為1．961mm，累計(jì)上浮量為1．896mm，根據(jù)《沈陽地鐵三號(hào)線一期工程初步設(shè)計(jì)技術(shù)要求》，隧道結(jié)構(gòu)的水平位移、累計(jì)沉降量、累計(jì)上浮量均在預(yù)警值4．2mm內(nèi)，基坑開挖至設(shè)計(jì)深度后，左線隧道結(jié)構(gòu)最大沉降量為1．961mm，右線隧道結(jié)構(gòu)最大沉降量為0．835mm，高差為1．126mm，在預(yù)警值2mm內(nèi)。
2．2基坑開挖對鄰近建筑物的影響
本文通過分析建筑物地下室下角點(diǎn)位移量來判斷基坑開挖對鄰近建筑物沉降的影響，并規(guī)定豎向位移向上為正。圖5為基坑開挖完成后鄰近建筑物地下室沉降云圖。分析云圖可知，基坑開挖后建筑物地下室整體表現(xiàn)為沉降變形的趨勢。地下室寬度方向兩個(gè)下角點(diǎn)的沉降分別為－5．69mm和－5．26mm，其沉降差為0．43mm。根據(jù)現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，傾斜度為基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)沉降差與其距離的比值。本工程中，建筑物高48m，因此建筑物的傾斜度為0．43/72=0．0059，規(guī)范要求的限值為0．006，滿足規(guī)范要求，但接近規(guī)范臨界值，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，需要采取合理手段減少建筑物的沉降。
3結(jié)論與建議
本文通過有限元軟件數(shù)值分析，研究了基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，得出了以下結(jié)論:1)基坑開挖至設(shè)計(jì)深度后，隧道結(jié)構(gòu)的水平位移、累計(jì)沉降量、累計(jì)上浮量均在預(yù)警值4．2mm內(nèi)，且左線隧道結(jié)構(gòu)與右線隧道結(jié)構(gòu)的高差為1．126mm，在預(yù)警值2mm內(nèi)。2)基坑開挖后建筑物地下室整體表現(xiàn)為沉降變形的趨勢，采用單排樁支護(hù)形式，建筑物的傾斜度達(dá)到規(guī)范臨界值。
參考文獻(xiàn):
［1］韓健勇，趙文，關(guān)永平，等．近接淺基礎(chǔ)建筑物深基坑變形特性及關(guān)鍵參數(shù)［J］．東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2018，39(10):1463-1468．
［2］范凡，陳錦劍，章紅兵，等．基坑開挖引起緊鄰建筑物沉降的簡化計(jì)算方法［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37(S2):61-64．
［3］陳陽，趙文，賈鵬蛟，等．砂土地區(qū)深基坑穩(wěn)定性評價(jià)及力學(xué)效應(yīng)分析［J］．東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2018，39(9):1353-1357．
作者：陳立敏 單位：中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司基坑開挖對鄰近建筑及地鐵隧道的影響研究