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摘要：城市建设中临近地铁的工程项目越来越多，其基坑工程对既有站及其附属结构的影响日渐凸显。本文以某深大基坑紧邻地铁风道为背景，对该基坑的施工过程进行数值模拟，分析其对既有地铁风道的影响，对基坑设计方案是否合理进行判断。
关键词：基坑工程；密贴风道；结构变形分析
1 工程背景及目的
拟建工程基坑开挖深度为15.5m~16.9m，基坑开挖长度160.6m，宽度81.4m。基坑角部紧邻地铁既有车站风道结构，最小距离仅为1m，该位置基坑深度15.5m。既有站风道为双层风道，出风口采用高风亭出风。
拟建工程基坑与车站及风道、风亭大致平行，基坑与风道、风亭距离为1.01m~4.65m，紧邻既有站风道，其相对位置关系详见图1.1。拟建基坑的底部和风道底板埋深相同。由于其距离过近，两结构之间夹土很少，故无法采用锚拉式支挡结构，基坑支护结构仅能采用支撑式支挡结构。另外由于基坑宽度大，大范围设置对撑需要额外设置临时立柱及配套的支撑体系，经济性较差，因此于紧邻既有风道位置考虑小范围采用大直径钻孔桩复合混凝土斜撑、其他部分采用桩锚的支护结构形式。为验证基坑支护结构方案的可靠性，需要对拟建基坑工程进行三维数值模拟分析，以指导设计工作开展。
图1.1 拟建基坑和地铁位置关系
2 工程地质及水文地质概况
拟建工程场地内地层从上至下依次为杂填土、中粗砂、砾砂、圆砾，其中杂填土层厚4.10m～9.60m，结构松散，性质不均匀，目前处于欠固结状态，物理力学性质差；场地地下水类型属潜水，稳定水位埋深14.90m～15.80m，拟建工程场地内未发现采空区、有害气体、岩溶、地裂缝和地面沉降等不良地质作用，地层分布较稳定，场地稳定，适宜进行工程建设。
基坑工程侧壁及基底地层以中粗砂、砾砂和圆砾为主，为强透水层，且潜水水位位于主体结构开挖深度内，施工前须做好地下水控制工作，适宜采用管井法进行降水。施工中应加强地下水位的监测，防止开挖过程中，发生突水等现象。
3 数值模拟
3.1计算模型
本文采用MIDAS软件对拟建基坑进行数值模拟分析，考虑围岩与结构的共同作用、分步施工，对拟建基坑可能对既有地铁风道、风亭的影响进行三维数值模拟分析。土体本构关系采用修正-摩尔库伦模型，以考虑围岩的非线性变形；用各向同性的板单元模拟地铁结构板、墙，基坑围护桩（围护桩等效为板）等；用梁单元模拟支撑、冠梁、腰梁、车站风道的梁、柱等；用植入式桁架单元模拟锚索，模型边界除顶面为自由边界外，其他面均采取法向约束。
3.2计算假定
本次计算做出以下假设：
1）假定岩土体是均质连续体，且各向同性，不考虑岩土体节理裂隙的方向和发育对应力场的影响；
2）不考虑岩体的地质构造应力，岩体的初始地应力场就是岩体自重应力场；
3）假定地层所用的材料均符合修正摩尔-库伦准则，计算当中通过梁、板单元来模拟围护结构、车站结构、风道风亭结构等。
4 计算结果分析
根据地勘资料显示，场地内地下稳定水位埋深14.90m～15.80m。而基坑最大开挖深度为16.9m，基坑降水至开挖面以下0.5m，即17.9m，需要降水不足2米，水位降深较小。根据工程经验，由基坑降水引起的地层变形值很小，因此本次分析将不再考虑基坑降水对地层变形的影响，主要分析拟建基坑开挖过程引起的地层变形及相关结构的变形。
施工计算步骤严格按照基坑施工顺序进行。土体的开挖是在前一计算步骤所得地应力分布的基础上进行的，根据结构整体刚度的改变，按实际开挖施加地层、释放荷载，并求解开挖后的应力场。计算程序首先计算原始地应力，清除该工况下地层位移，然后打设围护桩，分段逐层（每层开挖厚度不大于1.5m）开挖基坑，施做支撑体系，从而得到施工基坑过程中对既有地铁结构的影响。
拟建基坑按照施做钻孔灌注桩→土方分层分块开挖、施做支挡结构→回筑、拆撑的顺序进行模拟分析，从开始施工到覆土回填完成，共分为27个施工步序。经过计算分析，得到拟建基坑开挖卸荷后风道及风亭结构水平位移及竖向位移云图如图所示。风道结构最终水平位移值1.92mm~4.67mm，最终竖向位移-0.23mm~-3.07mm。风亭结构最终水平位移-4.37mm~-12.75mm，风亭结构最终竖向位移-1.31mm~-3.07mm。
图4.2 既有风道水平位移变化曲线 图4.3 既有风道竖向位移变化曲线
4.2 风亭结构变形分析
施工过程中，风亭结构整体出现朝向基坑侧的水平位移，位移值随基坑的开挖呈现递增现象，风亭顶部的水平位移变形值明显大于其底部的变形值，风亭顶部水平位移值变化速率较快，而底部变形速率相对较小，整个施工过程中风亭顶部的最大水平位移为-13.24mm，风亭底部的最大水平位移为-3.23mm，在各个步序下的风亭结构水平位移曲线如图4.4所示：
施工过程中，风亭结构底部的竖向位移变化趋势与整个风道结构的变化趋势相同，均出现先上浮后沉降的变化特点。风道底部的竖向位移变形大于其顶部，基坑开挖完成时风亭的上浮值达到最大，随着基坑内新结构的施做及部分土体回填，上浮量逐渐减小，并逐渐表现为沉降变形，整个施工过程中风亭顶部的最大竖向位移为-1.83mm，风亭底部的最大竖向位移为-2.48mm，在各个步序下的风亭结构竖向位移曲线如图4.5所示：
图4.4 风亭水平位移变化曲线 图4.5 风亭竖向位移变化曲线
5 结语
根据《城市轨道交通工程监测技术规范》对既有站的结构变形控制值要求，风道、风亭结构在紧邻基坑的施工过程影响下，水平位移、竖向位移及倾斜项目均满足变形控制指标的要求。因此，对于类似基坑紧邻既有站附属结构的工程，通过增加围护结构刚度，合理对基坑工程的开挖深度、步序等进行设计，能够有效的控制既有车站风道、风亭结构的变形，基坑工程的施工对既有站风道、风亭的正常运营影响不大，处于可控范围之内。
另外，由于风亭结构高度较高，达41.3m，而且紧邻基坑并且数值模拟分析结果显示，风亭顶部水平位移向基坑侧变形较大，因此拟建基坑施工过程中应重点关注地面高风亭的监控量测，并有针对性的制定专项的保护方案，确保高风亭的结构安全。
参考文献
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[2] 姚燕明，周顺滑，陈力 深基坑开挖对既有地铁车站影响的计算模式分析[J] 建筑结构，2003，33（10）：57~59
论文作者:田力,朱光亚
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年4期
论文发表时间:2019/6/13
标签：基坑论文; 风道论文; 位移论文; 结构论文; 地层论文; 工程论文; 水平论文; 《建筑学研究前沿》2019年4期论文;