摘要：本文通过有限元模拟分析广州某深基坑施工对紧贴的地铁车站存车线结构的变形影响，得到了基坑开挖过程中时间、空间效应对变形的影响规律。
关键词：基坑开挖；地铁结构变形；实测数据；数值模拟
前言
目前地铁正飞速发展，地铁保护工作的重要性也日益突出。基坑开挖土体卸荷必然引起周围地层移动，导致隧道位移变化，严重威胁地铁安全[1]。地铁结构的变形要求极其严格，结构绝对最大位移不能超过20 mm，变形曲线的曲率半径不小于15000 m，相对弯曲不大于1/2500[2]。整体有限元方法[3]是临近基坑施工对地铁隧道影响分析的主要方法。
1 工程概况
广州某深基坑位于天河区，该某深基坑北侧紧贴地铁五号线猎德站单层和双层存车线结构，并处于地铁五号线珠江新城站～猎德站区间隧道结构保护范围内。其地下室为3层，分为两期施工，一期基坑开挖深度为13.5米，基坑周边总长约600米；二期基坑开挖深度为12.97~13.17米。
离地铁较近的一期基坑采用排桩加两道砼支撑的支护方案，北侧紧贴存车线结构处与地铁共用围护桩，西北侧距离区间隧道结构的最小水平距离约为10m。基坑底面开挖标高高于猎德站存车线结构底面标高约3.5m。
本工程范围内的地层主要有：①人工填土层；②冲积土层（②-1淤泥及淤泥质土、②-2粉质粘土、②-3粉细砂、中砂和②-4粉质粘土）；③残积粉质粘土；④-1强风化泥质粉砂岩层；④-2中风化泥质粉砂岩层；④-3微风化泥质粉砂岩层。其中地铁区间隧道、地铁单层存车线和双层存车线负2层周边地层以强风化和中风化泥质粉砂岩为主，而双层存车线负1层则处于冲积残积土层。
2 数值模拟预测
本文采用MIDAS-GTS三维岩土有限元软件，预测基坑开挖卸荷对紧贴的已建地铁存车线结构的变形。
2.1 整体有限元模型
三维模型的尺寸选取405m×245 m×45m，并采用3D实体单元来对土体进行应力变形分析，采用2D板壳单元模拟围护桩、隧道衬砌和存车线主体结构。模型如图2.1所示。
对于各种材料的本构关系，土体采用弹性模型[4]，隧道衬砌以及存车线主体结构假定为弹性体。各地层计算参数详见表2.1。
2.2 施工过程动态模拟
对于基坑开挖施工过程，通过激活和钝化相应网格组来模拟实际的开挖过程，施工工况按照实际施工步骤分层分区开挖。根据基坑的施工设计，施作完围护桩后，先开挖第一层土至地面下3m，一边开挖一边从A区向L区施工第一道内支撑，内支撑的施作与土体的继续开挖保持3个区的流水施工空间，即A区与B区之间的第一道内支撑施工时，第一层土的D区也开挖完毕。同样按照此流水施工步骤开挖土体至第二道内支撑标高和基坑底，并且在开挖至基底后增加浇筑地下室底板和施作地下室的施工工序。
2.3 数值模拟预测结果
2.3.1沿存车线纵向变形发展趋势 以沿存车线纵向每隔15m设置的监测断面的B点，作为典型变形点，模拟得到一系列监测点在基坑开挖过程中水平的发展趋势，如图2.1所示。
图2.1 沿存车线纵向B点的水平变形发展趋势
由图2.1可知，1）在浇筑底板之前，存车线结构朝向基坑方向的水平位移随开挖的进行以最大每工况0.3mm左右的幅度增长，而在浇筑底板后位移值的增长放缓甚至回落，先进行底板和地下室施作的A区尤为明显，说明基底反压加载对抑制存车线结构的侧移效果较为明显；2）朝向基坑的水平位移最大值为1.87mm，出现在距存车线端头60m断面处。
竖向位移分析，整体上随着土体的继续开挖，竖向隆起在距存车线端头60m断面处最大值达到3.99mm。
数值模拟表明，紧贴地铁的基坑局部开挖所引起的地铁结构局部变形，竖向位移敏感度大于水平位移；并且数值模拟能较好的反映存车线结构在紧贴其施工的基坑开挖过程中的工况变化情况。
2.3.2 存车线横剖面变形特点：
由于存车线侧向的开挖卸载，造成存车线两侧的土压力不平衡，使存车线结构发生朝基坑方向的水平位移和竖向隆起变形，但由于存车线结构及其左右侧围护桩的存在，阻挡了基坑开挖引起的位移传递[5]，使竖向隆起在近基坑端大于远离基坑端。最大变形值都发生在侧墙中部偏上位置，单层存车线最大变形值为4.55m，双层存车线最大变形值为3.69mm。
3 预测结果与实测数据比较
由于各种因素，监测断面上仅B、C测点的监测数据较为全面，以下仅对B点进行比较分析。B点的有限元预测结果与实测数据如图3.1所示。
图3.1 工况10下的水平变形规律
从图3.1 中可知，1）实测值几乎都小于有限元预测值；
通过预测结果与工程实测数据的分析比较，认为三维整体有限元模型对此类工程具有较好的适用性，计算参数取值合理，可为实际工程的设计和施工方案的优化提供一定的参考。
5 结论
本文分析了深基坑施工对紧贴的地铁存车线结构的变形影响。主要结论如下：
1）紧贴地铁的基坑局部开挖所引起的存车线结构局部变形，竖向位移敏感度大于水平位移；
2）为提高预测计算的正确性，应加强信息化施工，为反分析提供大量的实测数据，不断提高参数取值的正确性，最终较好地指导设计和施工。
参考文献
[1]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.
[2]高 盟，高广运，冯世进，余志松.基坑开挖引起紧贴运营地铁车站的变形控制研究[J].岩土工程学报，2008，30（6），818~823.
[3]张治国，张谢东，王卫东.临近基坑施工对地铁隧道影响的数值分析[J].武汉理工大学学报，2007，29（11），93~97.
[4]陆培炎，熊丽珍.广州地区各岩土层的力学计算参数[A].陆培炎著．陆培炎科技著作及论文选集[C]．北京：科学出版社，2006：219~224.
论文作者:曾林海
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/10
标签：基坑论文; 存车论文; 地铁论文; 结构论文; 位移论文; 隧道论文; 水平论文; 《建筑学研究前沿》2018年第3期论文;