太原市市政工程设计研究院 山西太原 030002
摘要：在基坑开挖过程中，由于开挖扰动、地层损失和固结沉降等因素会引起地层产生变形和位移，导致地表邻近建筑物结构基础发生移动。本文通过某地铁车站基坑开挖对临近附属用房安全性影响的研究，预测基坑开挖对附属用房的影响程度及可能带来的危害，从而对基坑工程的施工及设计方案提出指导性意见，对危险部位预先采取防范措施，回避风险。
关键字：基坑开挖，数值模拟，土体沉降变形
0.引言
近年来，基坑工程周边施工环境复杂程度逐渐加大，建筑物、构筑物密集，自然地质环境多变。对于此类工程环境问题的研究，目前仍处于以工程经验总结为依据的阶段，对基础理论数字化、模型化的研究成果尚欠缺。对于基坑施工对其邻近结构的影响多采用经验法判定，但其结果常常难以满足使用要求[1-2]。特别是在既有结构物附近涉及基坑开挖施工时，若不能正确评估基坑开挖对周边既有结构物带来的潜在危险，则造成的经济损失及社会影响将难以估量。因此，科学地预测基坑开挖对周边环境的安全性及影响程度具有重大意义。
本文重点研究了某地铁车站连接口基坑开挖过程中对车站附属用房结构产生的变形和沉降。因地铁已建成并投入使用多年，为保证其正常运营，基坑开挖对车站附属用房造成的变形允许值极为严格，故对其沉降变形预测的重要性非同一般。
1、工程概况
本文研究对象为某地产项目与某地铁车站连接口基坑，拟建扶梯采用桩基础。桩顶标高随扶梯坡度为南低北高，建筑设计标高±0.000m相当于大沽标高3.200m。现场地平均高程约为3.200m，基坑深度同样随扶梯坡度为南深北浅，基坑最深处为5.2m。基坑北侧邻近既有道路，外墙距道路18m；南侧为空地；东侧贴建主体支护结构地连墙，主体基坑已经施工至±0.000m；西侧为地铁及配套设备，是重点分析对象。扶梯结构与地铁车站附属设备用房外墙距离约为3.3m，该建筑为一至三层钢筋混凝土框架结构，基础采用钢筋混凝土柱下条形基础。扶梯结构距离地铁车站距离约19m，与地铁区间结构距离约31m。地铁车站与区间结构与连接口基坑距离均大于3倍基坑深度，因此，本文仅研究连接口基坑开挖对地铁车站附属设备用房的影响。详细工程平面位置见图1-1。
图1-1 工程位置平面图
2、有限元计算模型介绍
2.1计算模型概况
本次工程数值模拟采用大型岩土有限元分析软件 PLAXIS 3D AE建立整体三维有限元模型进行计算分析[3]。以基坑南侧边界方向为X 轴，以垂直基坑南侧边界方向为Y 轴，竖直方向为Z 轴建立三维模型计算分析，为消除模型边界效应，X 轴方向取150m，Y 轴方向取150m，Z 轴方向取80m。模型计算采用10 节点四面体单元，共划分单元197522个，节点282700个。模型中具体几何关系和空间位置等来自相关图纸信息，在此不再赘述。简化模型整体网格图见图2-1，既有结构及基坑围护结构网格图见图2-2。
图2-1计算模型网格图1 图2-2计算模型网格图2
2.2计算假设及模型边界条件
有限元数值模拟基于一定的假设和模型简化进行的，假定如下：1、认为各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内；2、计算按照考虑坑内降水的塑性不排水计算类型计算，模型中的降水只考虑坑内疏干降水。模拟方法为：坑外水头始终不变，开挖前将坑内水头降低至开挖面以下，并对开挖面至围护墙底部之间的坑内土体水头进行线性差值计算，以此来模拟坑内疏干降水对水头变化的影响。3、因考虑到基坑开挖是一个相对短期的过程，并未充分考虑固结。
本模型的边界条件如下：模型顶面为自由面，无约束；模型底面每个方向均约束；模型四个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。
2.3计算参数
为了更好地反应基坑开挖过程中地铁车站附属设备用房结构的变形、位移影响，计算中土体本构模型采用HS-Small 模型（小应变硬化模型）[4-5]。土体相关参数均来自工程地质勘查报告和工程经验取值，见下表2-1。
表2-1 模型计算土体参数（HS-Small 本构）
分析中假定这些结构均处于弹性阶段。计算模型中，地下连续墙、工法桩和地下空间结构使用板单元模拟；车站附属设备用房条基采用梁单元模拟；水平支撑均采用梁单元模拟。混凝土结构重度均为25kN/m3，表中不再进行描述。
3、计算结果分析
选取基坑开挖各主要工况进行土体沉降及对地铁车站附属设备用房结构的影响分析。在进行分析时，结构基础的影响将决定其对上部结构的影响，如果结构基础的变形在规定范围内，则对应的上部结构的变形也在控制范围内。其中，地铁附属用房的基础形式为条基结构，仅分析对条基的影响。重点考虑基坑开挖完毕后的沉降变形影响。
3.1土体沉降分析
从图3-1土体竖向变形云图可知，基坑开挖到坑底后坑外沉降主要集中在车站附属设备用房东侧基础边缘，最大沉降值为6.85mm。其主要原因是靠近附属设备用房东南角处基坑开挖深度较大，此位置处的围护结构出现了较大的变形，从而导致围护结构后侧土体沉降变形增大；最大隆起值出现在基坑内靠近附属用房一侧最深开挖底面处，最大隆起值为15.4mm，其主要原因也是由于这一侧围护结构变形较大，挤压这一侧土体，从而导致坑底出现较大隆起。
图3-1基坑开挖完成后土体变形图
3.2土体水平方向变形分析
从图3-2和图3-3可以得出，x方向土体水平位移最值出现在车站附属设备用房靠近基坑较深一侧坑底，最大位移值为10.76mm，方向指向坑内。y方向土体水平位移最值出现在车站深基坑一侧坑底，最大位移值为8.35mm，方向指向坑内，而连接口出地面一侧水平位移值相对较小，最大值出现在连接口最深处，最大位移值为5.07mm，方向也指向坑内。
图3-4基坑开挖完成后车站附属用房条基z方向变形图
4、结论
1、基坑工程完成后，会对周边地铁车站附属设备用房结构产生一定影响。
2、数值模拟计算结果表明，基坑开挖过程中，在土体变形传递效应的影响下，地铁车站附属设备用房结构产生一定的沉降和水平位移，但各项变形指标数值均处在变形控制标准之内。车站附属结构：基坑工程距附属风机房最小净距为3.256m，在0.7H（H为基坑深度）范围内，属于基坑主影响区域，且基础采用柱下条形基础。在地铁站连接口基坑开挖过程中，该附属设备用房水平位移低于控制值及报警值，绝对沉降值在控制值及报警值范围之内，但已接近报警值，需要引起注意。
3、为确保基坑施工期间对既车站附属设备用房结构运营安全，根据既有结构现状，结合控制变形与报警变形值，建议采取一定的预处理及应急措施以控制基坑施工对既有结构的影响，确保地铁运营安全。
4、采用小应变土体硬化本构模型进行三维数值分析能够更好地反映基坑开挖对周边既有结构变形和内力的影响，其计算结果能够与实际工程经验更好地吻合。考虑到土质条件的变化、土体参数的空间差异、实际施工过程与数值模拟的差异等原因，应最终以信息化施工、适时修正为指导施工的原则。
参考文献：
[1]孙钧.市区基坑开挖施工的环境土工问题.地下空间.1999.19(4)。
[2]张尚根,陈志龙,曹继勇.深基坑周围地表沉降分析.岩土工程技术.1999(4)。
[3]俞建霖,赵荣欣,龚晓南.软土地基基坑开挖地表沉降量的数值研究.浙江大学学报(自然科学版).1998,32(1):95-101。
[4]刘建航,侯学洲主编.基坑工程手册.中国建筑工业出版社.1999:7217-225。
[5]郑刚,杜一鸣等. 基坑开挖引起邻近既有隧道变形的影响区研究[J].岩土工程学报，2015：1-15。
论文作者:关千军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
标签：基坑论文; 结构论文; 附属论文; 模型论文; 车站论文; 位移论文; 方向论文; 《防护工程》2018年第2期论文;