深基坑近邻地下直径线施工安全分析

深基坑近邻地下直径线施工安全分析

陈诚 赵树山

中天建设集团有限公司天津分公司

[摘要]：和融广场项目基坑最大开挖深度15.6m，支护形式采用地连墙（排桩）+混凝土支撑的支护形式，坑内采用无砂管井结合钢管井进行降水，外围采用CSM水泥土连续墙结合三轴水泥搅拌桩全封闭止水，项目周边环境极其复杂，A、B区之间为津秦高铁地下直径线，东侧为津山线有砟轨道路基段。本文通过Plaxis 3D有限元分析软件通过数值模拟仿真基坑开挖、主体回筑等施工，预测基坑施工对地下直径线隧道结构的影响程度及可能带来的不利影响，从而对施工方案提出指导性意见，对危险部位事先采取防范措施，规避风险。

[关键词]：超深基坑；有限元分析；基坑开挖；地下直径线

1 工程概况

和融广场项目位于天津市河北区胜利路、兴隆街、津山铁路、金纬路桥所围成的地块内。A区基坑长约203m，宽约120m，开挖深度为11.1m，基坑面积约为24450m²A区中间设计了一道分仓墙；B区基坑长约190m，宽约175m，开挖深度为15.6m，基坑面积约为27000m²，B区中间也设置了一道分仓墙。

基坑周边环境的重要性分析见下表1、表2

表1 B区基坑周边环境情况

表2 A区基坑周边环境情况

图1 基坑周边环境示意图

图2 地下直径线与A、B区地库剖面位置关系

基坑开挖范围内的土层主要以粉质黏土及粉土为主，影响基础开挖的地下水主要为⑨2层粉土为第一承压含水层，⑪2层粉砂为第二承压含水层，具体位置关系见图3

图3 工程地质剖面图

A区支护方案： A区地库开挖深度为11.1m，基坑支护采用φ1000@1200，L=23.0m钻孔灌注桩结合一道（两道）两道钢筋混凝土内支撑的支护方式，基坑整体采用CSM水泥土连续墙结合三轴水泥搅拌桩全封闭止水，有效墙长33m，剖面图见图4。

图4 A区断面支护剖面图

B区支护方案： B区地库开挖深度为15.6m，基坑支护拟采用φ1200@1400，L=27.5m钻孔灌注桩/1000mm厚，L=27.5m地下连续墙结合两（三）道钢筋混凝土内支撑的支护方式，基坑整体采用全封闭CSM水泥土连续墙全封闭止水，有效墙长为35.0m。支护剖面见图5。

图5 B区断面支护剖面图

2 数值分析模型

2.1模型尺寸及边界条件

采用Plaxis 3D建立的本工程三维模型包括和融广场项目基坑工程与天津地下直径线隧道结构。考虑到三维模型单元数众多，计算量大以及其收敛性可能带来的困难，计算模型范围按以下方式选取^[1-3]。

（1）长度方向：基坑开挖影响范围为5倍的开挖深度，故沿基坑宽度方向向基坑两侧延伸90m，模型长度方向的尺寸取350m。

（2）宽度方向：模型宽度方向的尺寸同样考虑5倍开挖深度的影响范围，取640m。

（3）高度方向：根据基坑开挖深度，隧道、天津地下直径线的埋深，模型高度方向取60m。

计算荷载：模型中各层土体均按饱和重度考虑，计算荷载包括：①结构及土体的自重荷载；②基坑地下室取梁板结构自重；③粉土、粉砂层按水土分算考虑，取为浮重度。

位移边界条件：土体模型的顶面为自由边界，底面为竖向约束，四周为法向约束；②水力边界条件，基坑降水时，加上边界水压力。

2.2

计算假定

为便于分析计算，在计算模型中做如下假定：

（1）基坑影响范围内的明挖、盾构隧道及天津地下直径线上位于线路的曲线段，模型中将其近似考虑成折线；

（2）基于抗弯刚度相等，将钻孔灌注桩等效成地下连续墙；

（3）计算假定各层土体均为各向同性；

（4）土体进行弹塑性计算，混凝土结构进行弹性计算；

（5）忽略钻孔灌注桩外侧的三轴水泥搅拌桩及CSM的刚度贡献；

（6）模型考虑坑内降水引起的渗流场。

2.3模型参数

本工程基坑围护结构、主体结构及天津地下直径线隧道结构材料参数见表3。计算模型中天津地下直径线隧道相关结构、基坑围护结构、环梁支撑等均采用线弹性模型进行数值模拟。

表3 结构材料及参数

（4）土层参数选取

计算模型中土体采用小应变土体硬化本构模型，根据勘察报告中给出的土层剖面，数值模型中土层材料参数见表4。

表4土层计算参数

图6有限元计算模型

2.4施工过程模拟

为了更好的控制地下直径线的位移，整个A、B区地库分成四个区块施工，先开挖远离地下直径线区块，待地下室顶板完成后再同时对称开挖地下直径线两侧区块，三维计算共分为36个步骤完成，具体计算过程见表5。

表5 施工步序定义

2.5计算模型

由于施工步骤及计算模型也较多，本文只输出最不利工况A区及B区支护结构最大位移及地下直径线在施工全过程最大变形图，见图7～图17。

图7 B区基坑围护结构X、Y方向最大位移图

图8 施工各阶段B区围护结构X方向变形

图9施工各阶段B区围护结构Y方向变形

图10 A区基坑围护结构X、Y方向最大位移图

图11 施工各阶段A区围护结构X方向变形

图12 施工各阶段A区围护结构Y方向变形

图13 土体开挖完成最大竖向位移

图14 地下直径线隧道结构X方向水平位移云图

图15地下直径线隧道结构Y方向水平位移云图

图16 施工各阶段天津地下直径线X方向变形图

图17施工各阶段天津地下直径线Y方向变形图

2.6三维计算小结

（1）因和融广场基坑工程开挖面积较大，且基坑距离既有天津地下直径线较近，大面积开挖产生的卸荷效应显著，导致坑外土体产生趋向坑内移动的趋势，在土体变形传递效应的影响下天津地下直径线产生一定的竖向和水平位移。

（2）和融地块基坑开挖后，土体应力发生重新分布，基坑开挖到底部时，B区围护结构X方向位移最大值为19.12mm，Y方向位移最大值为13.30mm。A区基坑围护结构X方向位移最大值为10.82mm，Y方向位移最大值为9.99mm。

（3）随着开挖过程的进行，基坑内土体隆起最大值逐渐增加，但在施作底板后，隆起最大值略有减小。整个基坑施工过程中土体隆起最大值为8.93mm。随着施工过程的进行，基坑外土体沉降最大值逐渐增加并趋于稳定，最大值为14.78mm。

（3）和融地块基坑开挖结束后，天津地下直径线X方向最大水平位移为0.90mm，Y方向最大水平位移为1.53mm。

3 结语

结合和融广场基坑工程不同工况施工数值模拟计算结果表明：

（1）基坑开挖会引起坑内土体的隆起和坑外地表的沉降，地表沉降最大值发生在基坑支护结构中间部位。

（2）采用内支撑支护的基坑，基坑开挖至坑底后，围护结构的变形模式为“内凸型”，最大水平变形发生在基坑长边中间部位的坑底附近。

（3）长大基坑分成多个小基坑开挖时，邻近地下直径线基坑的开挖对既有隧道结构累计位移的贡献率最大，施工过程中应加强该阶段的监测

根据模拟工况变形变化，对本项目基坑开挖建议加强措施：

（1）通过模型分析我们可以较清楚看出不同施工阶段围护结构及地下直径线位移变化过程，因此，施工过程中需重点关注变形最大区域支护结构的施工质量及土方开挖的过程管控，针对地下直径线变形最大区域应事先进行初始状态调查，重点关注是否存在初始变形的情况。

（2）降水井施工结束后，应进行生产性抽水试验，通过抽水试验，了解潜水与承压水的水力联系状况，为下一步降水运行方案提供指导依据。为减少降水对坑外环境的影响，严格执行“分层降水、按需降水、动态调整”的降水原则，尽量减小坑外水位下降对环境的影响。

（3）为控制基坑土体隆起量过大，基坑分仓、跳仓开挖，每块区域开挖完之后立即施作该区域垫层及钢筋混凝土底板，并施工该区域侧墙至混凝土撑以下，开挖靠近既有铁路侧时，控制单次开挖面积并明确在专项施工方案内。

（4）基坑采用后退式开挖，对称开挖，应遵循“留核心土/反压土开挖、早开完早封闭、由远及近（既有铁路侧）”的原则。采用分层分块分段条带形式进行开挖，基坑开挖至基底后，采用钢筋混凝土板快速封闭基坑底部。

（5）津秦高铁（天津地下直径线）两侧基坑应尽量做到对称开挖，A区南侧基坑开挖至坑底时尽快封闭底板，B区北侧基坑最后一层土待A区南侧基坑底板封闭后方可向下开挖，以减小非对称开挖影响。

（6）邻近铁路侧主体结构基础桩应在围护结构完成后施做，基坑开挖应在铁路相关降水、监测措施到位后进行。

（7）在主体结构浇筑过程中，对主体结构与围护结构之间的肥槽采用C25素混凝土进行回填夯实。肥槽回填在拆撑之前进行，待回填混凝土达到设计强度后，方可拆除相应支撑。

参考文献：

刘涛.基于数据挖掘的基坑工程安全评估与变形预测研究[D].上海：同济大学，2007

李青.软土深基坑变形性状的现场试验研究[D].上海：同济大学，2008

徐中华，王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择[J].岩土力学，2010，31（1）:541-576