软土地区多基坑开挖引起周围地层及地铁结构变形趋势研究.docxVIP

??

?

??

软土地区多基坑开挖引起周围地层及地铁结构变形趋势研究

?

?

?

?

?

??

?

?

?

摘要：针对软土地区基坑开挖对基坑开挖对地下结构影响的问题，本文结合天津地区实际工程案例，采用考虑考虑土体小应变硬化模型的有限元分析，针对软土地区的地质条件，分析了基坑和地层的变形情况，对多个基坑同期施工对既有地铁结构影响进行预先评估和分析。结果表明多基坑同时开挖会对既有地铁结构产生叠加影响，并且基坑开挖卸荷会导致土体有向着基坑方向变形的趋势，既有地铁结构随着周围地层移动而变形，地铁结构的变形趋势与坑外地层变形趋势一致。

关键词：基坑开挖；地铁结构；变形趋势；软土地区

随着城市地下轨道交通的飞快建设，城市发展过程中不可避免的出现在既有地铁隧道周围进行的工程施工，如基坑降水与开挖、桩基施工、地面堆载等工。工程施工，特别是基坑工程的施工，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移动和变形，导致附存于地层中的既有地铁隧道结构随之发生移动和变形，严重时可能造成隧道结构的损伤甚至破坏。因此对于基坑开挖引起周围地层及地铁隧道变形趋势研究意义重大。

针对基坑开挖对临近地铁结构影响的分析，国内外诸多学者进行了相关研究，方法包括结合工程的数值模拟分析[1,2,3,]、理论公式推导或模型试验等研究方法，其研究重点均集中在单个基坑开挖卸荷对既有结构的变形及受力性状影响，多基坑同时对地铁结构影响的研究以及规律性的研究尚不多见。

本文以天津地区某商业基坑项目临近既有地下结构的深基坑工程为背景，在此基础上采用考虑土体小应变硬化模型的有限元分析，针对软土地区地质条件，对基坑开挖引起的坑外既有隧道变形进行精细化分析，本项目考虑了多个基坑同时开挖对于临近地铁结构可能产生的影响进行预先评估，结合基坑土体变形规律预测地铁结构可能发生的变形趋势，并提前指导基坑方案和隧道保护措施的制定。

1工程概况

天津某拟建商业项目25号地块、26号地块基坑临近既有地铁车站及区间，基坑深度约10m。工程场地周边情况较为复杂，项目南侧为既有运营地下两层地铁车站，项目西侧为在建地下三层地铁车站，新建项目距离既有地铁附属风道最近约8.9m，距离新建地铁车站附属风道基坑最近约28.5m。因项目建设要求，新建工程基坑及新建地铁附属风道基坑工程重叠，存在三个基坑同时施工，相互干扰的情况。

图1拟建工程基坑与既有地铁结构平面位置关系

为保护既有地铁结构，控制围护结构变形，25号地块基坑临近地铁侧采用800mm地下连续墙，墙外侧采用800mm厚CSM水泥土搅拌墙，距离地铁较远侧采用φ800@1000钢筋混凝土灌注桩围护，桩外侧采用800mm厚CSM水泥土搅拌墙。26号地块基坑采用φ900@1100钢筋混凝土灌注桩围护，止水帷幕采用CSM水泥土搅拌墙。

2基坑变形趋势及数值模拟

2.1围护结构变形形式

基坑内的土体挖出后，基坑周围的土体应力平衡遭到了破坏，土体应力重新分配，并伴随有土体变形，基坑变形会对附近的既有结构及构筑物产生影响。

根据《基坑工程手册》，基坑的坑底隆起变形如图2所示，围护结构的变形如图3所示。基坑围护结构的变形形式不仅与土体的土质条件有关，还与围护结构的插入深度、刚度及支撑系统刚度等因素紧密相关，围护结构的变形可呈现多种变形形态。

图2基坑坑底变形形式

图3围护结构的变形形式

围护结构发生不同形式的变形时，坑外地表沉降的分布将存在显著的差异，对坑外相同位置处的建筑物变形也将产生明显的不同。并且，当围护结构发生踢脚或内凸变形时，临近建（构）筑物的下凹挠曲变形最为显著，对建筑物是最为不利的。

2.2地层变形数值模型

为研究基坑开挖后，坑外土体变形趋势，采用PLAXIS有限元软件对基坑开挖完成后周围土体变形趋势进行数值模拟，模型土体采用小应变硬化模型（HSS）进行模拟。根据计算结果可见，基坑开挖完成后，由于基坑挖土卸载，周围土体有向着基坑方向变形的趋势。

基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是坑底土体隆起和围护结构的水平位移。随着基坑的开挖，上层土体的应力损失，使得下层土体产生以向上为主的位移，同时由于基坑周边土体的土压力作用，使得围护墙产生向坑内的水平位移。

由于基坑开挖的卸荷影响，坑底土体会出现一定的隆起，使得周边土层有沉降的趋势。值得注意的是，基坑开挖完成后，与地表土体出现沉降的趋势不同，深层土体，主要是坑底以下围护结构外侧土体也会出现一定的隆起趋势。

图4基坑开挖至坑底周边土体变形流向图

3有限元模型及结果分析

本文采用PLAXIS3D建立整体地层结构模型，土体采用实体单元，地下连续墙、围护结构、楼板采用板单元，支撑采用梁单元模拟。计算模型见图5，

图5有限元计算模型

工程场地主要以粉质黏土和粉土为主，土