有限元模拟桩锚支护对邻近地铁的影响

应本林 易领兵 秦玥

摘要：以郑州某近邻地铁线路的深基坑工程为背景，采用Midas/GTS有限元软件模拟深基坑开挖过程中深基坑支护结构及其周边土体和地铁结构的变性规律，分析了深基坑及地下结构施工对邻近地铁的影响，并与实际监测数据对比分析，论证了桩锚支护结构的实用可行性。

关键词：深基坑；桩锚支护；地铁施工；数值模拟

1工程概况

该工程位于郑州市金水区，所研究的深基坑开挖施工临近地铁线路。新田花园广场项目基坑位于郑州地铁2号线郑州广播台站～新龙路站区间线路右线西侧，基坑红线距离地铁2号线区间最近距离为35m，基坑围护结构距右线中心线平面距离约33～50m。基坑开挖深度约21m，上部6m采用放坡开挖，锚杆支护，下部采用钻孔灌注桩与24-29m锚索支护，采用旋喷桩作为止水帷幕。

结合基坑周边工程地质条件、基坑开挖深度和临近地铁线路施工等影响因素，所研究的深基坑采用上部喷锚支护，下部桩锚支护的结构形式，安全等级为一级，其中灌注桩桩径1200mm，桩长29m，间距1.5m。地铁隧道直径为6m，分东、西两条线路，其中隧道东线距离拟开挖深基坑最近處只有不到35m。

2工程地质条件

本场地地貌属黄河泛滥冲积平原，整体起伏较小，地势较平坦，最大落差为2.0米。本段地层土为第四系沉积物主要以粉土、粉质粘土为主。

3数值模拟分析

3.1有限元模型建立

考虑深基坑与邻近地铁隧道的平面和剖面位置关系，全面分析基坑周边工程地质条件及深基坑支护结构设计参数及各阶段施工工况，采用Midas/GTS有限元软件建立三维模型进行动态施工模拟[1-3]。

计算模型周围土体和既有结构采用实体单元，采用板单元模拟衬砌、基坑支护结构及地下四层结构。不同的土层和结构采用不同的材料属性常数，模拟边界条件的选取时除了顶面取为自由边界，其他面均采取法向约束。

3.2有限元施工过程模拟

整个数值模拟过程按照如下工况步骤进行（各工况高程参考点为地面，即地面高程为±0）[8]：

模拟工序十四完成后邻近地铁隧道结构主体的变形图、弯矩图如图1～3所示。

图1基坑开挖及地下四层结构施工完毕2号线结构弯矩云图

由图1可知基坑开挖及地下四层结构施工完毕后，既有隧道管片最大弯矩为163.4 kN·m，弯矩增幅为5.8%，内力增幅很小，且小于设计值。

图2 地下室一层结构施工完成时区间隧道侧向变形分量云图

由图2可知既有隧道管片侧向偏移量为1.01mm，在限值范围以内。

既有隧道管片竖向沉降为0.51mm，在限值范围之内。

3.3结果分析

（1）依据上述模型的计算结果，新建基坑及四层地下结构施工完成后，既有2号线地铁结构变形主要以侧向变形为主，竖向变形值很小。

（2）基坑开挖及地下四层结构施工完毕后，隧道管片侧向偏移量为1.01mm，竖向沉降0.51mm，所以，在正常施工的情况下，基坑开挖及地下四层结构施工不会对东侧临近的2号线隧道结构的安全和正常使用产生不良影响。

4结语

深基坑周边土体的水平位移和竖向位移以及周边地表的沉降，引起邻近地铁隧道的变形和附加弯矩的产生，这种影响是随基坑开挖的深度逐步增大的，但都在允许范围之内。采用桩锚支护结构有效的降低了这种影响，使临近地铁隧道的主体结构处于安全状态。

参考文献：

[1] 李芬祥.深基坑桩锚支护的数值模拟分析[D].安徽工业大学硕士学位论文，2013，5

[2] 王路.基坑开挖对邻近既有隧道的影响分析[D].北京交通大学硕士学位论文，2009，6

[3] 孔令荣，崔永高，隋海波.基坑开挖时邻近地铁变形的影响分析[J].工程勘察，

2010，6：15～20

作者简介：应本林（1989-），男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事结构工程与岩土工程方面的研究

通讯作者：易领兵（1988-），男，河南信阳人，主要从事地铁及地下结构等行业