基坑开挖对周边轻轨车站桩基影响的分析研究

摘要：以某地轻轨车站附近进行基坑施工为例，采用有限元软件模拟基坑开挖对临近轻轨车站桩基础的影响，并对保护车站桩基提出工程建议。

关键词：基坑开挖；有限元分析；轻轨车站；桩基础

前言

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移动和变形，导致临近轻轨车站的基础随之发生移动。因此，既有结构基础的变形控制是选择其周边后建工程地下围护结构及施工工序的关键。基坑施工对其邻近结构的影响，采用经验法时常常难以满足使用要求。特别是在既有结构附近修建其他工程项目时，如果不能正确评价周边工程对既有地铁车站带来的潜在危险，则经济损失及社会影响难以估计，因此，正确评估周边工程，尤其是大型基坑对周边建筑物的安全性影响工作意义重大[1]~[2]。

1、工程概况

拟建项目位于某市交通繁忙、人流集中地带，东北侧临近已运营轻轨线路。该项目基坑开挖面积约7.7万m2，形状不规则，深度13.4~15.7m，属超大、超深基坑。基坑与距邻近地铁高架车站桩基净距约为22.4~27.8m。轻轨车站采用三跨连续单层钢骨混凝土矩型框架，基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长22米，桩径0.8米，柱下独立承台。

2、基坑施工方案

基坑靠近轻轨车站侧采用地下连续墙+两道混凝土支撑+单排三轴水泥土搅拌桩的形式，三轴水泥土搅拌桩起到地下连续墙成槽期间对周边环境的保护以及预防地下连续墙可能出现漏水的情况。由于基坑面积巨大，且形状不规则，支撑系统整体采用桁架式环梁+桁架式对撑+角撑、辐射撑的形式，局部单环环梁+对撑+角撑、辐射撑的形式，该支撑形式能提供最大的施工开敞空间，方便施工。支承柱采用常规灌注桩+钢格构的形式。

3、工程地质概况

基坑开挖范围内土层及其参数由上至下依次为：

①1杂填土，重度：18.8kN/m3，c：6.0kPa，φ：8.2°；

③1粘土层，重度：19.0kN/m3，c：15.4kPa，φ：9.9°；

④ 1 粉质粘土层， 重度： 1 9 . 4 k N / m 3 ， c ： 1 6 . 4 k P a，φ：13.9°；

④2粉土层，重度：19.9kN/m3，c：8.0kPa，φ：29.9°；

⑥2淤泥质粘土层，重度：1 8 . 4k N / m3，c：9 . 8 k Pa，φ：9.2°；

⑥3粉土层，重度：19.8kN/m3，c：9.2kPa，φ：30.4°；

⑥ 4 粉质粘土层， 重度： 1 8 . 9 k N / m 3 ， c ： 1 4 . 3 k P a，φ：15.7°；

⑦粉质粘土层，重度：20.0kN/m3，c：14.8kPa，φ：16.6°；

⑧ 1 粉质粘土层， 重度： 1 9 . 9 k N / m 3 ， c ： 1 5 . 7 k P a，φ：17.5°；

⑨ 1 粉质粘土层， 重度： 2 0 . 3 k N / m 3 ， c ： 1 5 . 6 k P a，φ：22.0°；

⑨2粉土层，重度：19.8kN/m3，c：6.9kPa，φ：34.4°；。地

下结构底板位于⑥4粉质粘土层，围护墙墙底位于⑨2粉土层。

4、基坑开挖有限元模拟

建立整体三维有限元模型进行计算分析。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750m，y轴方向取650m，z轴方向取80m。模型计算采用10 节点四面体单元。计算模型见图1。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。

图1 计算模型图

计算分析中有如下假设：（1）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。计算中土体本构采用小应变硬化模型。地下连续墙、钻孔灌注桩和轻轨车站承台使用板单元模拟；车站桩基础结构采用桩单元模拟；水平支撑系统中，截面宽度在1m以上的环撑均采用梁单元模拟，截面宽度在1m以下的撑简化为板，采用板单元模拟。混凝土结构重度均为25kN/m3，以上结构均处于弹性阶段。

4、计算结果分析

由上述计算得知：（1）地铁车站主体结构桩基与承台的总变形均在0.4mm内，其中z方向变形在0.25mm以内；（2）车站桥桩和承台的变形趋势以隆起为主，但隆起量很小；（3）每一组相邻承台与桩基在x、y、z方向的差异变形量均在0.6mm以内；（4）车站主体部分所允许差异沉降量为：承台13.35mm，桩基础4.8mm；

（5）车站主体桩基和承台在水平方向所允许变形量为5mm，竖直方向所允许隆起变形量为6.3mm，沉降变形量为12.6mm，所有变形量均在控制范围内。

5、结论

（1）基坑工程结束后，会对临近轻轨车站桩基础产生一定影响。但各项变形指标数值均处在变形控制标准之内。

（2）提前制定施工方案，在实际施工过程中对基坑分区域开挖施工，以减小土体卸载的空间效应，避免土体坍塌。

（3）基坑分区域开挖至基底后，应尽快施作混凝土垫层封底。在保证施工质量的前提下，尽量加快施工进度，减小影响时间。

（4）制定监测方案，及切实可行、可实施性强的施工应急预案，加强监测，以防止桩基出现过大变形，并提前预备相应的应急物资。

参考文献：

[1] 张爱英.基坑开挖对邻近建筑物影响的数值模拟分析[D]：[硕士学位论文]. 西安: 西安科技大学, 2008.

[2] 郑刚, 李志伟.基坑开挖对邻近不同楼层建筑物影响的有限元分析[J].天津大学学报,2012, Vol（45）, No.9, 829-837.__