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1、北辰基坑支護工程對長沙市軌道交通1號線的影響評估北辰基坑支護工程對長沙市軌道交通1號線的影響評估北京中巖大地工程技術有限公司目錄1 概述11.1 項目概況11.2北辰區基坑支護與長沙軌道交通1號線關系21.3分析計算依據及參考資料41.4 主要工作內容51.5 擬獲得的直接成果52 工程地質概況62.1場地各層巖土的構成與特征62.2水文地質條件73 數值分析83.1 計算分析軟件83.2 計算分析模型83.3 數值模擬結果113.3.1南端（埋深20m）113.3.2中間部位（埋深16.5m）153.3.3北端（埋深13m）193.4 本章小結234 結論與建議24北辰基坑支護工程對長沙市軌2、道交通1號線的影響評估 第 24 頁 共24頁1 概述1.1 項目概況擬建北辰場地位于長沙市開福區新河三角洲。本項目東側黃興北路，南側為晴嵐路，西側為紫鳳路，北側為棲鳳路。黃興北路下方為長沙市軌道交通1號線一期工程（汽車北站開福寺站段），現完成盾構施工。項目整個地塊呈四邊形，東西長170230m，南北長約290m。規劃用地面積約62966.41m2，建筑面積457252.85m2。地下室開挖標高即墊層底標高為-4.200m，樓座基底標高為-7.0-8.5m。本工程0.000m相當于絕對標高33.000m。現場地經初步整平，地面高程介于32.0033.20m。基坑重要性安全等級為二級。圖1-1 3、擬建場地位置示意圖擬建建筑物為高層住宅9棟，結構類型為剪力墻結構；一層整體地下室及架空車庫，結構類型為框架剪力墻結構，結構類型為框架結構。基礎擬采用樁基礎。設計室外地坪標高為33.00m。擬建建（構）筑物概況詳見表1-1。表1-1擬建建（構）筑物概況 建（構）筑物名稱地上層數地下室或地下設備設計地坪標高（0.00m）（m）建（構）筑物高度（m）結構類型1#3#，8#9#棟高層住宅45層1層局部2層33.00138.2剪力墻結構4#7#棟高層住宅55層1層33.00167.2剪力墻結構地下車庫1層1層局部2層33.006.0框架剪力墻結構1.2北辰區基坑支護與長沙軌道交通1號線關系北辰三角洲項目4、 區基坑支護工程與長沙軌道交通1號線的位置關系如圖1-2所示：圖1-2北辰 區基坑支護工程與長沙市軌道交通1號線的平面位置關系長沙軌道交通1號線與北辰三角洲項目 區基坑支護工程相鄰段縱向剖面如圖1-3所示：圖1-3長沙市軌道交通1號線與北辰 區基坑支護工程相鄰段縱向剖面圖北辰區基坑支護方案為：土釘墻支護，車庫周邊坡率為1:0.75，樓座區域為1:0.5。坡面噴射0混凝土，內設鋼筋網。基坑支護平面圖如圖1-4所示：圖1-4 基坑支護平面圖與長沙市軌道交通1號線相鄰的剖面為4-4剖面，其支護情況為：采用土釘墻進行支護，土釘墻坡率為1：0.75，成孔直徑100mm，土釘與水平方向夾角為10；土釘注漿5、為素水泥漿，水泥型號為P.C 32.5，水灰比為0.50.6；土釘墻面板噴射0砼，厚80100mm，鋼筋網采用6.5鋼筋，網距250250；坡面設置泄水孔，泄水孔水平間距2400mm，泄水孔為50PVC管，長度不小于0.80m；坑頂設置200x200截水溝、坑底設置300x300排水溝。具體支護情況如圖1-5所示：圖1-5 基坑支護4-4剖面圖1.3分析計算依據及參考資料（1）巖土工程勘察規范（GB 50021-2001（2009年版）；（2）建筑基坑支護技術規程（JGJ 120-2012）；（3）建筑邊坡工程技術規范（GB 50330-2013）；（4）混凝土結構設計規范（GB50010-26、010）；（5）長沙市北辰巖土工程詳細勘察報告（KC15-071-071），湖南省勘測設計院，2014年4月；（6）北辰新河三角洲規劃總平面圖，長沙市規劃設計院有限責任公司，2011年11月；（7）北辰總平面圖，中國電子工程設計院，2015年05月；（8）北辰基坑開挖圖，中國電子工程設計院，2015年06月；（9）長沙市軌道交通1號線一期工程開福區政府站北辰三角洲站區間隧道總平面圖，中鐵第五勘測設計院基團有限公司，2012年2月；（10）長沙市軌道交通1號線一期工程開福區政府站北辰三角洲站區間隧道右線縱斷面設計圖，中鐵第五勘測設計院基團有限公司，2012年2月；（11）長沙市軌道交通1號線一期7、工程開福區政府站北辰三角洲站區間隧道左線縱斷面設計圖，中鐵第五勘測設計院基團有限公司，2012年2月；（12）長沙市軌道交通1號線一期工程北辰三角洲站圍護及主體結構設計圖，中鐵第五勘測設計院基團有限公司，2011年5月；（13）北辰三角洲C1地塊1#、2#棟及基坑施工對瀏陽河隧道的影響評估，長沙中大科星土木工程檢測有限公司，2014年11月16日；（14）對中鐵第四勘察設計院基團有限公司城市軌道與地下工程設計研究院，關于“北辰三角洲C1地塊1#、2#棟及基坑施工對瀏陽河隧道的影響評估”的意見的答復，長沙中大科星土木工程檢測有限公司，2015年1月5日。1.4 主要工作內容計算分析基坑支護施工、8、降水、開挖等對長沙市軌道交通1號線的影響。1.5 擬獲得的直接成果（1）北辰基坑支護的位移情況；（2）長沙市軌道交通1號線于基坑支護施工、降水、開挖期間的位移變化；（3）長沙市軌道交通1號線于基坑支護施工、降水、開挖期間的剪力變化；（4）長沙市軌道交通1號線于基坑支護施工、降水、開挖期間的彎矩變化。2 工程地質概況2.1場地各層巖土的構成與特征根據區域地質資料及本次勘察揭露的地層資料，擬建場地勘探深度范圍內揭露的巖土層主要為：雜填土層、第四系沖積層，下伏基巖為第三系泥質砂巖。各地層的野外特征自上而下依次描述如下：（1）雜填土（Q4ml）：雜色，主要成分為粘性土混碎磚、砼塊等建筑垃圾，局部夾生活9、垃圾組成，系近期堆積，結構松散、密實度不均勻，未完成自重固結，局部揭露混凝土塊。所有鉆孔均揭露該層，層厚2.607.20m，平均3.63m。（2）粉質粘土（Q4al）：褐黃色，可塑硬塑，切面光滑，稍見光澤，干強度中等，韌性中等，搖震無反應，含灰白色斑點及團塊，所有鉆孔均揭露該層，層厚1.309.80m，平均2.54m，層底標高19.5825.84m。（3）粉細砂（Q4al）：褐黃、灰白色，成分為石英質，含粘性土30%左右，飽和，稍密。共102個鉆孔揭露該層，層厚0.405.80m，平均1.57m，層底標高18.1821.97m。（4）圓礫（Q4al）：褐黃色、褐色，濕，稍密中密，礫石主要為石英10、砂巖、硅質巖等，亞圓狀，粒徑2-20mm的約占50%，大于20mm約占15%，最大130mm，砂、粘性土充填，粘性土含量10%，僅ZK59、ZK115鉆孔未揭露該層，層厚1.306.50m，平均3.19m，層底標高13.2221.89m。（5）粉質粘土（Qel）：紅褐色，硬塑，殘積成因，切面光滑，稍見光澤，干強度中等，韌性中等，搖震無反應，共105個鉆孔揭露該層，層厚0.52.50m，平均1.23m，層底標高13.2620.29m。（6）強風化泥質砂巖（E）：褐紅色，主要礦物成分為石英，長石及粘性礦物，細粒結構，泥質膠結，厚層狀構造，大部分礦物風化變質，風化裂隙極發育，巖芯呈土狀或碎塊狀，局11、部風化不均勻，膠結程度較好，呈短柱狀，巖塊用手易折斷，沖擊鉆進困難，RQD為2040，巖體極破碎，極軟巖，巖體基本質量等級為類。該層連續分布，層厚2.0031.30m，平均19.52m，層底標高-15.8814.94m。（7）中風化泥質砂巖（E）：褐紅色，主要礦物成分為石英，長石及粘性礦物，細粒結構，泥質膠結，厚層狀構造，部分礦物風化變質，節理裂隙稍發育，多呈閉合狀，巖芯較完整，多呈長柱狀，少量柱狀、短柱狀，節理裂隙稍發育，屬極軟巖，RQD為4050，巖體極破碎，巖體基本質量等級為類。本次勘察最大揭露厚度17.50米。2.2水文地質條件（1）地表水場地西側臨湘江，北側臨瀏陽河。湘江長沙地區9812、年歷史最高洪水位為39.18m（吳淞高程，相當于1985國家高程基準36.9m），現湘江防洪大堤按百年一遇的防洪水位設計，一般不會出現潰堤、漫堤等情況，但遇強降雨時應防止發生內澇。場地范圍內無其它地表水系，遇強降水時，場地內會有部分地表積水。（2）地下水勘察期間，各鉆孔均遇見地下水。本場地地下水分為上層滯水、松散巖類孔隙水和基巖裂隙水三種類型。上層滯水主要賦存于雜填土中，分布不均勻，受大氣降水和地表水補給，水量、水位均隨季節而變化。松散巖類孔隙水賦存于粉細砂和圓礫層中，受湘江水位水量影響，由于粉細砂和圓礫為強透水層，因此地下水水位受湘江水位影響較大；孔隙水水量豐富，具承壓性，由大氣降水、地表水13、湘江和瀏陽河水補給，水位隨季節而變化，地下水位變化幅度一般為24米。基巖裂隙水賦存于場地內下伏基巖的裂隙中，其水量大小受巖石節理裂隙的發育程度、發育方向和連通程度控制，變化較大，場地內鉆孔遇到該層地下水水量貧乏，且埋藏較深。勘察期間測得上層滯水穩定水位埋深為0.003.20米，相當于標高29.4534.89米；松散巖類孔隙水穩定水位埋深為5.29.20米，相當于標高22.9227.89米。（3）地下水補、逕、排條件及動態特征場地內地下水主要受鄰區地下水及大氣降水、地表河水滲透補給，向鄰區滲流及大氣蒸發排泄。（4）滲透性雜填土雜質含量較多，結構松散，可視為強透水層；粉質粘土中粘性土含量較大，可14、塑硬塑狀，可視為相對隔水層；粉細砂、圓礫為強透水層；強風化泥質砂巖和中風化泥質砂巖的富水性不均勻，在構造裂隙密集且連通性好的地段其富水性較好，反之則弱。3 數值分析3.1 計算分析軟件本影響評估采用有限元軟件MIDAS/GTS。該軟件針對結構及巖土問題提供了多種本構模型，具有非線性分析、滲流固結分析、施工模擬等功能，適合于地基基礎-上部結構協同作用的計算分析。我公司近年來應用MIDAS/GTS有限元軟件進行了很多分析研究，研究問題的范圍函括結構工程、巖土工程以及防災減災工程。3.2 計算分析模型（1）土層材料模型本模型中土體采用修正的莫爾庫倫本構模型（ModifiedMohr-Coulomb）15、。修正的莫爾庫倫本構是在莫爾庫倫本構基礎上改善的本構模型，適用于各種類型的地基，特別適用于象沙土或混凝土那樣具有摩擦特性的材料。修正的莫爾庫倫本構用于模擬具有冪率關系的非線性彈性模型和彈塑性模型的組合模型。如圖3-1（a）所示，修正的莫爾庫倫本構的剪切屈服面與莫爾庫倫本構的屈服面相同，壓縮屈服面為橢圓形的帽子本構。另外，修正的莫爾庫倫本構的剪切屈服面與壓縮屈服面是獨立的，在剪切方向和壓縮方向采用了雙硬化模型（DoubleHardening）。莫爾庫倫本構的偏平面形狀為六邊形，在計算頂點的塑應變方向時需要采用特別的數值計算方法。但是如圖3-1（b）所示，修正的莫爾庫倫本構為了消除分析過程中的不穩16、定因素，偏平面采用了圓角處理，使計算的收斂性更好。修正的莫爾庫倫本構在p-q平面上采用了相關流動法則，在偏平面上采用了非關聯流動法則。另外，如圖3-1（a）所示，使用p值，移動剪切屈服面可以反映莫爾庫倫本構的粘聚力效果。 （a） 在p-q平面 （b）在偏平面圖3-1 修正摩爾-庫倫模型示意圖（2）土體材料參數根據地質勘查報告可以得到土層的分布情況，以及各土層的厚度、重度、飽和重度、粘聚力、內摩擦角和壓縮模量等物理力學指標，根據已有研究成果及工程經驗和試樁結果將土體的彈性模量定為壓縮模量的5倍，變形模量的2倍，卸載模量定為彈性模量的3倍。各土層具體參數見表3-1。表3-1土層參數選取表地層標號名17、稱土層厚度（m）重度（kN/m3）粘聚力（kPa）內摩擦角（）泊松比孔隙比加載彈性模量（MPa）卸載彈性模量（MPa）冪指數靜止土壓力系數滲透系數（cm/s）雜填土4.318.88100.350.720600.50.835.010-4粉質粘土8.219.918450.30.6932.597.50.50.295.710-5粉細砂0.720.10250.250.6501500.50.586.210-3圓礫5.121.50350.20.6702100.50.434.210-2粉質粘土0.919.818510.30.65451350.50.225.710-5強風化泥質砂巖11.32245230.20.18、31604800.50.618.010-4（3）結構單元參數表3-2結構參數選取表項目編號名稱類型重度（kN/m3)彈性模量E（GPa）泊松比土釘線/桁架602000.2土釘墻坡面線/梁22160.2隧道襯砌線/梁25330.17（4）計算模型的建立因與軌道交通1號線相鄰處的基坑開挖深度均為3.7m（以地面平均標高32.5m計算），基坑開挖與隧道的位置相對固定（10.913.4m），僅建立二維模型即可滿足計算要求。根據1號線盾構隧道的不同埋深，南端埋深約為20m，北端約為13m，分別對南端（埋深20m）、中間部位（埋深16.5m）、北端（13m）進行模擬。根據地勘報告的水位情況結合施工中的明排19、降水，在模擬過程中針對不同工況設置水位。按照基坑支護設計圖及基坑與長沙市軌道交通1號線的相關圖紙建立模型，分為5個工況進行計算分析：工況一：初始階段，根據地勘建立土層，設置初始水位；圖3-2 有限元模型（初始階段）工況二：盾構施工，建立隧道模型，兩個直徑6m的圓，邊緣為隧道襯砌，厚度300mm；圖3-3 有限元模型（盾構施工）工況三：土方開挖1，挖除第一步土體，完成第一道土釘及第一步土釘墻；圖3-4 有限元模型（土方開挖1）工況四：土方開挖2，挖除第二步土體，完成第二道土釘及第二步土釘墻；圖3-5 有限元模型（土方開挖2）工況五：土方開挖3，完成土方開挖，完成土釘墻施工。圖3-6 有限元模型（20、土方開挖3）3.3 數值模擬結果3.3.1南端（埋深20m）（1）基坑的位移基坑水平向位移和豎向位移分別如圖3-7、3-8所示，水平向最大位移為10.22mm，豎向最大位移為23.49mm：圖3-7 基坑水平向位移圖3-8 基坑豎向位移（2）隧道的位移隧道水平向位移和豎向位移分別如圖3-9、3-10所示，水平向最大位移為1.75mm，豎向最大位移為0.57mm：圖3-9 隧道水平方向位移圖3-10 隧道豎向位移（3）隧道的剪力變化盾構施工后以及基坑開挖完成后隧道剪力分別如圖3-11、3-12所示：圖3-11 盾構施工后隧道的剪力圖3-12 基坑開挖完成后隧道的剪力根據有限元計算導出的數據文件，21、繪制各單元的剪力增加量如圖3-13所示，可以看出剪力增加量的范圍為-18kN17kN。圖3-13 基坑開挖卸載引起的隧道剪力增加量（4）隧道的彎矩變化盾構施工后以及基坑開挖完成后隧道彎矩分別如圖3-14、3-15所示：圖3-14 盾構施工后隧道的彎矩圖3-15 基坑開挖完成后隧道的彎矩根據有限元計算導出的數據文件，繪制各單元的彎矩變化如圖3-16所示，可以看出彎矩增加量的范圍為-22kN.m18kN.m。圖3-16 基坑開挖卸載引起的隧道彎矩增加量3.3.2中間部位（埋深16.5m）（1）基坑的位移基坑水平向位移和豎向位移分別如圖3-17、3-18所示，水平向最大位移為10.19mm，豎向最大22、位移為23.47mm：圖3-17 基坑水平向位移圖3-18 基坑豎向位移（2）隧道的位移隧道水平向位移和豎向位移分別如圖3-19、3-20所示，水平向最大位移為2.52mm，豎向最大位移為0.66mm：圖3-19 隧道水平方向位移圖3-20 隧道豎向位移（3）隧道的剪力變化盾構施工后以及基坑開挖完成后隧道剪力分別如圖3-21、3-22所示：圖3-21 盾構施工后隧道的剪力圖3-22 基坑開挖完成后隧道的剪力根據有限元計算導出的數據文件，繪制各單元的剪力增加量如圖3-23所示，可以看出剪力增加量的范圍為-22kN18kN。圖3-23 基坑開挖卸載引起的隧道剪力增加量（4）隧道的彎矩變化盾構施工后23、以及基坑開挖完成后隧道彎矩分別如圖3-24、3-25所示：圖3-24 盾構施工后隧道的彎矩圖3-25 基坑開挖完成后隧道的彎矩根據有限元計算導出的數據文件，繪制各單元的彎矩變化如圖3-26所示，可以看出彎矩增加量的范圍為-28kN.m22kN.m。圖3-26 基坑開挖卸載引起的隧道彎矩增加量3.3.3北端（埋深13m）（1）基坑的位移基坑水平向位移和豎向位移分別如圖3-27、3-28所示，水平向最大位移為10.06mm，豎向最大位移為23.45mm：圖3-27 基坑水平向位移圖3-28 基坑豎向位移（2）隧道的位移隧道水平向位移和豎向位移分別如圖3-29、3-30所示，水平向最大位移為3.6724、mm，豎向最大位移為0.80mm：圖3-29 隧道水平方向位移圖3-30 隧道豎向位移（3）隧道的剪力變化盾構施工后以及基坑開挖完成后隧道剪力分別如圖3-31、3-32所示：圖3-31 盾構施工后隧道的剪力圖3-32 基坑開挖完成后隧道的剪力根據有限元計算導出的數據文件，繪制各單元的剪力增加量如圖3-33所示，可以看出剪力增加量的范圍為-22kN16kN。圖3-33 基坑開挖卸載引起的隧道剪力增加量（4）隧道的彎矩變化盾構施工后以及基坑開挖完成后隧道彎矩分別如圖3-34、3-35所示：圖3-34 盾構施工后隧道的彎矩圖3-35 基坑開挖完成后隧道的彎矩根據有限元計算導出的數據文件，繪制各單元的25、彎矩變化如圖3-36所示，可以看出彎矩增加量的范圍為-28kN.m26kN.m。圖3-36 基坑開挖卸載引起的隧道彎矩增加量3.4 本章小結綜合以上對1號線盾構隧道的不同埋深的模擬結果，匯總表格如表3-3所示：表3-3基坑支護施工對1號線的影響分析數值模擬結果序號模擬部位隧道埋深（m）位移變化（mm）剪力變化（kN）彎矩變化（kN.m）水平向最大值豎向最大值1南端20.01.750.57-1917-22182中間16.52.520.66-2218-28223北端13.03.670.80-2216-28264 結論與建議通過對北辰基坑支護工程過程中引起的長沙市軌道交通1號線的變形和內力數值模擬結果得出：基坑開挖會引起1號線隧道發生向基坑方向的水平方向位移，最大為3.67mm，引起向上的豎向位移，最大為0.80mm；引起的剪力增加量范圍為-22kN18kN；引起的彎矩增加量范圍為-28kN.m26kN.m。從數量值上看，基坑支護施工、降水、開挖等對長沙市軌道交通1號線的影響較小。北辰基坑支護工程施工期間，應加強對長沙市軌道交通1號線的沉降和位移監測，密切關注1號線隧道結構是否發生裂縫，防止意外事故發生。同時，施工期間嚴格控制靠隧道側的堆土及重型施工荷載。北京中巖大地工程技術有限公司