基坑施工对地铁隧道影响三维数值分析报告

　 佛山万科大厦项目

　 基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析

　评估报告

　 华南理工大学建筑设计研究院勘察工程有限公司

　二 〇一六 年四月

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 I

　 佛山万科大厦项目

　 基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析

　 评估报告 审定：

　莫海鸿 审核：

　莫海鸿 校对：

　刘叔灼 编写：

　陈俊生

　华南理工大学建筑设计研究院勘察工程有限公司

　二〇一六 年四月

　II

　 目 录 第一章

　介 工程概况及分析内容简介 ............................................................... 1 1.1

　工程概况 ....................................................................................... 1 1.1.1

　场地周边情况 ........................................................................... 1 1.1.2

　本项目基坑概况 ........................................................................ 2 1.2

　地铁保护规范、条例及控制标准 ....................................................... 5 1.3

　分析内容和软件 ............................................................................. 8 1.4

　分析依据 ....................................................................................... 8 第二章

　件 工程地质及水文地质条件 ............................................................ 10 2.1

　地形、地貌及环境条件 ................................................................... 10 2.2

　地层岩性及特征 ............................................................................ 10 2.3

　水文条件 ...................................................................................... 11 2.4

　特殊性岩土 ................................................................................... 12 第三章

　析 工程项目建设对地铁结构影响总体分析 ......................................... 13 3.1

　地层情况分析 ................................................................................ 13 3.2

　几何关系分析 ................................................................................ 13 3.3

　施工工法分析 ................................................................................ 13 第四章

　析 基坑施工过程的三维数值模拟分析 ............................................... 15 4.1

　几何模型的建立 ............................................................................ 15 4.1.1

　几何模型范围 .......................................................................... 15 4.1.2

　地层模型 ................................................................................. 15 4.2

　有限元模型的建立 ......................................................................... 19 4.2.1

　荷载及边界条件 ....................................................................... 19 4.2.2

　基坑施工过程场地地下水位的模拟 ............................................. 19 4.2.3

　土层参数及本构关系 ................................................................ 20 4.2.4

　支护结构参数及本构关系 .......................................................... 20 4.2.5

　三维模型的建立 ....................................................................... 21 4.2.6

　分析工况 ................................................................................. 21 4.2.6.1 基坑开挖分析工况 ............................................................... 21 4.2.6.2 基坑外降水分析工况 ........................................................... 22 4.2.7

　有限元网格 ............................................................................. 23 4.3

　计算结果 ...................................................................................... 27 4.3.1

　基坑支护结构位移 .................................................................... 27

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 III

　 4.3.1.1 基坑支护结构东西向位移 ..................................................... 27 4.3.1.2 基坑支护结构南北向位移 ..................................................... 30 4.3.2

　地铁广佛线隧道位移 ................................................................ 33 4.3.3

　地铁盾构始发井位移 ................................................................ 39 4.3.4

　降水引起的地铁结构位移分析 ................................................... 43 4.3.5

　地铁隧道总位移极值汇总 .......................................................... 44 4.3.6

　与相邻青荟大厦项目基坑施工对隧道影响位移累计值汇总 ............ 44 4.3.7

　与相邻青荟大厦基坑不同开挖步骤对地铁位移的叠加效应分析 ...... 48 第五章

　议 结论及建议 .............................................................................. 51 5.1

　结论 ............................................................................................. 51 5.2

　建议及应注意的问题 ...................................................................... 52 5.2.1

　基坑施工前相关准备 ................................................................ 52 5.2.2

　基坑土方开挖顺序 .................................................................... 52 5.2.3

　基坑施工过程中注意事项 .......................................................... 52 5.2.4

　基坑施工后相关工作 ................................................................ 53 5.2.5

　确保地下连续墙在砂层中的成槽质量及渗漏应对措施 ................... 54 5.2.6

　箱型框架隧道常见问题及治理措施 ............................................. 55

　第一章 工程概况及分析内容简介 1

　 第一章

　工程概况及分析内容简介

　 1.1 工程概况 1.1.1 场地周边情况 本项目场地周边环境较为复杂，基坑北面为海八路和地铁广佛线，东侧是青 荟大厦（建设完成情况待定），西侧是空地后期规划 3 层地下室建筑，南侧为五胜 河。场地周边地下建（构）筑物和地面建筑具体平面位置、平面间距如图 1-1 所 示，详细情况见表 1-1。

　 图 图

　1-1 佛山万科大厦项目基坑周边情况图

　表 表

　1-1 佛山万科大厦项目基坑周边情况汇总

　 方向

　地下建（构）筑物

　详细情况

　北

　 广佛线

　与本基坑距离

　最近处约 12.5 m

　顶部埋置深度

　大致与基坑顶部平齐

　结构形式

　明挖法箱型隧道

　现阶段工作进度

　正在运行

　南 五胜河

　与本基坑距离

　紧邻本项目基坑

　东

　 青荟大厦

　与本基坑距离

　最近处约 25 m

　现阶段工作进度

　尚未施工

　西 无 将来为三层地下室的建筑物

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 2

　 1.1.2 本项目基坑概况 万科大厦项目位于佛山市南海区宝石东路以北、佛山一环以东、永胜东路以 南，占地面积为约 17500m 2 ，拟建 3 层地下室，基坑开挖深度 13.8m。

　本基坑北侧，即靠近地铁一侧拟采用“地下连续墙+混凝土支撑”的支护方 案，其他侧采用“旋挖灌注桩（1200@1400）+混凝土支撑”的支护方案，止水采 用三轴搅拌桩。平面尺寸及内支撑布置如图 1-2 所示。本项目基坑的详细情况见 表 1-2。本基坑平面上呈不规则形状，南北最大尺寸约 80m，东西最大约 245m， 周长约为 600m。场地西面华翠北路的标高为 1.99～ 2.28m；北面海八路标高为 2.96～3.25m；东面场地外的标高约为 2.04～2.70m，基坑开挖深度为 13.8m。

　 图 图

　1-2 佛山万科大厦项目基坑平面图

　 表 表

　1-2 佛山万科大厦项目基坑详细情况

　 项目

　详细情况

　基坑开挖深度

　13.8m 基坑面积

　约 17500m 2

　支护形式

　连续墙+混凝土支撑；灌注桩+混凝土支撑

　各道支撑中心标高（绝对标高）

　第一道撑中心标高

　0.2m 第二道撑中心标高

　-5.5m

　 内支撑截面尺寸（宽×高）

　冠梁一

　1 m×1m 冠梁二

　1.2m×1m 腰梁

　1.2m×1m 内支撑梁

　详见施工图

　第一章 工程概况及分析内容简介 3

　 明挖地铁结构平面图展示如下图 1-3：

　图 图

　1-3 地铁出入线结构平面图

　 根据不同的地质情况，本项目基坑工程一共划分 6 个典型剖面图，每个剖面 各有不同，现取有代表性的 3 个剖面图展示如下，见图 1-4～图 1-6，具体参见相 关施工图。

　图 图

　1-4

　基坑支护

　1-1 剖面图（地下连续墙+2 道砼支撑）

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 4

　图 图

　1-5

　基坑支护

　2-2 剖面图（地下连续墙+2 道砼支撑）

　图 图

　1-6

　基坑支护

　5-5 剖面图（旋挖桩+2 道砼支撑）

　第一章 工程概况及分析内容简介 5

　 1.2 地铁保护规范、条例及控制标准 1 、《佛山市人民政府关于印发佛山市城市轨道交通管理办法的通知》（佛山市人

　民府 政府文件，佛府[2013]60 号）

　本通知第十三条规定：城市轨道交通沿线设立城市轨道交通控制保护区，其 范围包括：

　（一）地下车站与隧道结构外边线外侧 50 米内。

　（二）地面和高架车站以及线路轨道结构外边线外侧 30 米内。

　（三）出入口、通风亭、车辆段、控制中心、变电站、集中供冷站等建（构）

　筑物结构外边线外侧 10 米内。

　（四）城市轨道交通过江隧道两侧各 100 米范围内。

　（五）已经批准的城市轨道交通线网规划的线路或已经批准的建设规划线路， 线路两侧 60 米范围为控制保护区。

　城市轨道交通特别保护区范围如下：

　（一）地铁地下工程（车站、隧道等）结构边线外侧面 5 米内。

　（二）地面车站及地面线路路堤或路堑边线外侧面 3 米内。

　（三）车辆段内建（构）筑物结构边线外侧 3 米范围内。

　本通知第十六条规定：在城市轨道交通控制保护区内进行下列活动的，有关 行政管理部门依照法律、法规进行行政许可时，应当按照行政许可法第三十六条 等相关规定，将包括施工设计方案等材料书面征求市交通运输行政管理部门和轨 道交通经营单位的意见。市交通运输行政管理部门和轨道交通经营单位应当在规 定的期限内给予书面答复：

　（一）建造、拆卸建（构）筑物。

　（二）取土、地面堆载、基坑开挖、爆破、桩基础施工、顶进、灌浆、锚杆、 钻探作业。

　（三）修建塘堰、开挖河道水渠、采石挖砂、打井取水。

　（四）敷设管线或者设置跨线等架空作业。

　（五）在过江隧道段疏浚河道。

　（六）其他可能危害城市轨道交通设施的作业。

　在城市轨道交通控制保护区内进行本条第一款所列活动不需行政管理部门行 政许可的，作业单位应当在施工前书面告知轨道交通经营单位。

　在城市轨道交通控制保护区内进行作业的，有关行政管理部门作出行政许可 后，应按照“谁许可、谁监督、谁负责”的工作原则开展执法管理工作。

　在城市轨道交通控制保护区内进行本条所列活动的，项目验收须邀请城市轨 道交通经营单位参加。凡未经许可擅自施工或轨道交通保护措施落实不到位的，

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 6

　由相关行政主管部门责令整改，整改合格后才能通过项目验收。

　2 、《广州市城市轨道交通管理条例》（2008 年

　1 月）

　本条例第十二条规定：城市轨道交通沿线设立城市轨道交通控制保护区，其 范围包括：

　（一）地下车站与隧道结构外边线外侧五十米内； （二）地面和高架车站以及线路轨道结构外边线外侧三十米内； （三）出入口、通风亭、车辆段、控制中心、变电站、集中供冷站等建（构）

　筑物结构外边线外侧十米内； （四）城市轨道交通过江隧道两侧各一百米范围内。

　本条例第十三条规定：在城市轨道交通控制保护区内进行下列活动的，有关 行政管理部门依照法律、法规进行行政许可时，应当书面征求城市轨道交通经营 单位的意见。城市轨道交通经营单位应当在有关行政管理部门规定的期限内给予 书面答复：

　（一）建造、拆卸建（构）筑物； （二）取土、地面堆载、基坑开挖、爆破、桩基础施工、顶进、灌浆、锚杆 作业； （三）修建塘堰、开挖河道水渠、采石挖砂、打井取水； （四）敷设管线或者设置跨线等架空作业； （五）在过江隧道段疏浚河道； （六）其他可能危害城市轨道交通设施的作业。

　3 、《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/ /T 202-2013）

　）

　本规范第 3.2.3

　条规定：城市轨道交通周边（包括既有结构上下）的外部活 动与城市轨道交通既有结构外边线之间的水平投影净距应符合表 1-3 的规定。

　表 表

　1-3 外部活动净距控制管理指标表（单位：

　m）

　）

　 城市轨道交通类型 外部作业

　 地下结构

　 地面结构

　 高架结构 工程桩 ≥3.0 ≥3.0 ≥3.0 围护桩、地下连续墙 ≥5.0 ≥5.0 ≥5.0 钻探孔 ≥3.0 ≥3.0 ≥3.0 锚杆、锚索、土钉（末端）

　≥6.0 ≥6.0 ≥6.0 起重、吊装设备

　≥6.0 ≥6.0 搭建棚架及宣传标志

　≥6.0 ≥6.0 存放易燃物料

　≥6.0 ≥6.0 冲孔、震冲、挤土 ≥20.0 ≥6.0 ≥6.0

　第一章 工程概况及分析内容简介 7

　 浅孔爆破 ≥15.0 ≥15.0 ≥15.0 深孔爆破 ≥50.0 ≥50.0 ≥50.0 外部活动对轨道交通既有结构的安全风险综合评估工作应贯穿外部活动的施 工前、实施过程中和工后的过程。外部活动对轨道交通既有结构的附加影响预测， 应根据两者之间的空间关系、工程地质和水文地质条件，并结合轨道交通既有结 构及设施的现状、外部活动的规模和实施方法等因素进行综合判定。

　4 、保护标准的确定 根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）中附录 B 的 规定，城市轨道交通结构安全控制指标值应符合下表 1-4 的要求：

　表 表

　1-4 城市轨道交通结构安全控制指标值

　 安全控制指标

　预警值

　控制值

　安全控制

　指标

　预警值

　控制值

　隧道水平位移

　<10mm

　 <20mm 轨道横向高

　差

　 <2mm

　 <2mm 隧道竖向位移

　<10mm <20mm 轨向高差

　<2mm <2mm

　 隧道径向收敛

　<10mm

　 <20mm

　 轨间距

　>-2mm <+3mm >-4mm <+6mm 隧道变形曲率半径

　— >15000m 道床脱空量

　≤3mm ≤5mm 隧道变形相对曲率

　— <1/2500 振动速度

　— ≤2.5cm/s 盾构管片接缝张开量

　<1mm <2mm 结构裂缝 宽度

　迎水面<0.1mm

　背水面<0.15mm 迎水面<0.2mm 背水面<0.3mm 隧道结构外壁附加荷载

　— ≤20kPa 合上述规范及条例的规定可得：

　（ （1 ）本工程基坑距离地铁结构距离大于

　5m 且小于

　50m ，属于城市轨道交通

　 控制保护区，应将包括施工设计方案等材料书面征求市交通运输行政管理部门和

　轨道交通经营单位的意见。

　（ （2 ）本工程基坑距离地铁结构距离小于

　50m ，属于城市轨道交通控制保护

　 区，有关行政管理部门依照法律、法规进行行政许可时，应当书面征求城市轨道

　交通经营单位的意见。

　（ （

　3 ）根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范

　》（

　CJJ/ /T 202-2013 ），本

　为 基坑与地铁广佛线明挖地铁结构的最小相对净距为

　12.5m ，介于

　0.5H 与

　1.0H 之 之

　 （ 间（H 为明挖结构的基坑开挖深度

　），属于接近；另一方面，从工程影响分区，

　10m<0.7h 1 =0.7 ×19=13.3m （h 1 =19m ，为外部作业结构底板埋深），属于强烈影响

　 区（ A ），综合判定本项目对地铁广佛线的影响属于特级，当外部作业影响等级为

　特级时，应对城市轨道交通结构进行安全评估。

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 8

　 （ 4 ）本项目基坑开挖引起的地铁竖向和水平位移均应小于《城市轨道交通结

　构安（ 全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013 ）中的限值

　20mm。

　。

　1.3 分析内容和软件 根据佛山万科大厦基坑支护施工图，采用三维有限元方法，利用岩土工程专 用软件 Midas/GTS（图 1-6），分析施工过程中本项目基坑支护结构的位移、内力， 以及基坑施工对周边地下建（构）筑物的影响情况。

　 图 图

　1-6 MIDAS/GTS 软件界面

　 1.4 分析依据 在分析计算过程中，主要依据以下资料和文献进行分析研究：

　（1）

　《佛山万科 A32 地块项目岩土工程勘察报告》，广东佛山地质工程勘察院， 2014 年 3 月； （2）《佛山万科大厦项目基坑支护工程设计图》，广州市泰基工程技术有限公 司，2015 年 8 月； （3）徐志英，岩石力学，北京：水利电力出版社，1986； （4）《混凝土结构设计规范（GB50010-2010）》； （5）《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB50652-2011）； （6）《广州市城市轨道交通管理条例》（2008 年 1 月）； （7）《佛山市人民政府关于印发佛山市城市轨道交通管理办法的通知》 （佛 山市人民政府文件，佛府[2013] 60 号）； （8）《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）； （9）《广州市城市轨道交通结构安全保护技术标准及规定》 （广州市地下铁 道总公司企业技术标准，Q/GZMTR-ZH-AQ-001-2013）；

　第一章 工程概况及分析内容简介 9

　（10）《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）。

　（11）

　《青年荟项目施工影响范围的广佛地铁金融高新区站～龙溪站区间及出 入段线隧道自动化监测成果报告（1

　断面至 4

　断面）》，广东省重工设计院有限公 司，2015 年 9 月。

　（12）王卫东，沈健等，基坑工程对邻近地铁隧道影响的分析与对策[J]，岩 土工程学报,2006.11（28）：1340-1345

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 10

　第二章 工程地质及水文地质条件

　根据《佛山万科 A32 地块项目岩土工程勘察报告》（广东佛山地质工程勘察 院），本项目的工程地质情况分列如下。

　2.1 地形、地貌及环境条件 拟建项目位于佛山市南海区海八路以南、佛山一环西，属珠江三角洲冲积平 原腹地，场地原为工业区，经平整后场地地势较为平坦。地面标高为 1.67～3.09m 之间。场地周边环境较为复杂，基坑北面为海八路和地铁广佛线，东侧是青荟大 厦，西侧是空地后期规划 3 层地下室建筑，南侧为五胜河。

　2.2 地层岩性及特征 根据详勘报告，场地之地基由人工填土层（Q ml ）、第四系海陆交互相冲淤积 层（Q mc ）、下白垩系大塱山组（K 2 dl）等组成。人工填土层以杂填土为主，由砖 块、碎石、砂土等堆积而成，第四系三角洲海陆交互相冲淤积层由淤泥质土、粉 细砂、中粗砂、粉质粘土等组成，土层结构比较复杂，与下伏基岩呈不整合接触。

　下伏基岩由大塱山组泥岩、粉砂质泥岩及长石砂岩等组成，岩层风化程度差异较 大，软硬相间。场地各岩土层工程地质特征自上而下综述如下：

　（ 人工填土层（Q ml ）

　（1）杂填土：全场地分布。层厚 1.10～3.80m，平均厚度为 1.73m；地面标 高 1.67～3.09m。灰黄色、灰褐色，多由细砂、 中砂、砖块、碎石、砂土、粘性 土等堆积而成。已压实，土质不均，堆填时间超过 10 年。

　（ 第四系三角洲海陆交互相冲淤积层（Q mc ）

　（2）淤泥、淤泥质土：全场分布，为场地内浅层软弱土，具有高压缩性、高 灵敏度、抗剪强度低等特点，厚度差异性较大，层厚 1.20～17.00m，平局厚度为 8.91m；顶界标高-1.99～1.58m。深灰色，流塑，韧性低，干强度低；含腐殖质， 局部夹薄层粉砂，含少量白色贝壳碎片，味臭。

　（3）粉质粘土：局部分布，层厚 1.40～2.10m，平均厚度为 1.66m；顶界标 高-7.90～-3.36m。灰色，可塑为主，局部软塑，粘性一般，韧性较低，干强度较 低。

　（4）粉、细砂：层位较稳定。层厚 1.30～13.00m，平局厚度为 6.47m；顶界 标高-12.30～0.65m。浅灰色、灰色，饱和，松散～稍密为主，局部中密；分选性 较差～一般，局部含淤质、泥质，或与淤泥质土互层。

　（5）淤泥质土：局部分布，平局厚度为 4.84m；顶界标高-10.49～0.41m。深

　第一章 工程概况及分析内容简介 11

　灰色，流塑，含腐殖质、粉砂。

　（6）粉砂：局部分布，平局厚度为 4.53m；顶界标高-12.48～-7.15m。浅灰 色、灰色，饱和，稍密为主，局部中密；分选性较差，含泥质。

　（7）中、粗砂：层位较为稳定。层厚 1.00～18.80m，平均厚度为 7.17m；顶 界标高-17.22～-3.60m。灰色，稍密～中密为主，局部松散，饱和，分选性差，含 石英砾石，砾径一般在 0.5～3cm 之间，次圆状，砾石分布不均，可相变为砾砂， 含泥质。

　（8）粉质粘土：局部分布。层厚 0.90～8.60m，平均厚度 5.00m；顶界标高 -17.09～-6.41m。灰褐色、灰黄色，可塑，粘性一般，切面较光滑。

　（9）中、粗砂：层位较为稳定。层厚 1.80～17.40m，平局厚度为 8.11m；顶 界标高-19.49～-12.52m。灰黄色、灰色、灰白色，稍密～密实，饱和，分选差， 含石英砾石，砾径一般在 0.5～3cm 之间，次圆状，砾石分布不均，可相变为砾砂， 含泥质。

　（ 白垩系大塱山组（K 2 dl ）风化基岩 （10）全风化基岩（W4）：局部分布。岩性为泥质粉砂岩，灰红色，岩芯呈 坚硬土状或密实砂土状，岩质极软，遇水易软化、崩解。本层岩石坚硬程度属极 软岩，岩体完整程度为破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

　（11）强风化基岩（W3）：大部分钻孔揭露该层，层厚 1.00～29.10m，平均 厚度为 10.10m；顶界标高-44.91～-11.98m。岩性为泥质粉砂岩、泥岩、长石砂岩 等。灰红色、灰色，岩芯短～长柱状、碎块状，半岩半土状，岩质极软，遇水易 软化、崩解；岩石风化不均匀，夹中风化岩。本风化岩石坚硬程度属极软岩，岩 体完整程度为破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

　（12）中风化基岩（W2）：大部分钻孔揭露该层，揭露厚度 0.70～26.90m， 平均厚度为 9.67m；顶界标高-47.34～-15.09m。岩性为泥岩、泥质粉砂岩、砂岩 等。灰红色，岩层倾角一般为 5°～10°，岩芯短柱状、饼状、碎块状，风化不均 匀，常夹强风化岩及微风化岩，裂隙发育。本风化岩石坚硬程度属极软岩～软岩， 岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

　（13）微风化基岩（W1）：部分钻孔揭露该层，揭露厚度 4.40～7.30m，平均 厚度为 5.65m；顶界标高-45.59～-26.31m。岩性为泥质粉砂岩。灰红色，岩芯短 柱状、长柱状，风化不均匀，常夹中风化岩。本风化岩石坚硬程度属软岩～较软 岩，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

　2.3 水文条件 场地属亚热带海洋性季风气候区，温暖潮湿，雨量充沛。钻探期间，以晴天 为主，偶有阵雨。钻探期间测得初见水位埋深 0.80～1.30m。通过对场地各钻孔

　第二章 工程地质及水文地质条件

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 12

　 终孔后 24 小时地下水位进行观测，地下水相对稳定水位埋深在 1.00～1.50m 之间， 标高在 0.40～1.98m 之间，埋藏浅且较稳定。地下水位年变化幅度在 1.00～3.00m 之间。地下水类型有人工填土层中潜水、砂土层中微承压孔隙水和基岩中裂隙水。

　上层滞水赋存于人工填土层的砂层中，含水量的多少受大气降水及地下水位的影 响大；孔隙承压水主要赋存于不同粒级砂土层，场地内含水层为第⑷、⑹层粉、 细砂和第⑺层及第⑼层中、粗砂，为第四系三角洲冲积层，连通性较好，孔隙度 较高，含水量丰富。而基岩裂隙水含水岩性为泥质粉砂岩、泥岩，基岩中裂隙比 较发育，一般裂隙水比较丰富。综合评价本场地地下水涌水量丰富。地下水主要 受大气降水和地表水渗透补给，排泄以蒸发和向下渗透排泄为主。整个场地水文 地质条件简单。

　2.4 特殊性岩土 场地内主要特殊性岩土为人工填土、淤泥质土及风化基岩。

　（1）

　填土：

　场地内填土层多为砂土及建筑余渣，成分较杂，均匀性差，力 学性质不稳定，对地基的稳定性有一定的影响。如果区间道路以填土层为路基持 力层，应对填土层进行必要的地基处理，如强夯法、高压喷射注浆法等。

　（2）

　软土：

　根据本次勘察查明，场区主要有两层软土分布，埋藏较浅，厚 度变化较大。淤泥、淤泥质土，具压缩性高、力学强度低、灵敏高等特点，土质 不均，夹层以及上下层变化也较大，易产生侧向滑移、不均匀沉降、蠕变及软土 震陷等地质灾害。针对软土的特点，建筑场地应采取相应的处理措施，如采用预 压法（设竖向排水体）或水泥土搅拌桩复合地基等。

　（3）

　风化基岩：

　场地全、强风化基岩为大塱山组泥岩、 泥质粉砂岩，属软 质岩石，岩质极软，风化成半岩半土状，下部碎块状。该风化岩石无膨胀性和湿 陷性，但遇水软化、易崩解。对预制管桩而言，强风化岩为管桩桩端持力层，施 工完成后采用素混凝土封堵桩底，防止持力层软化，降低其承载力。

　场地内中微风化岩，属软岩～较软岩，中风化岩岩芯呈碎块状、短柱状，岩 石节理、裂隙发育，风化不均匀，对钻（冲）孔灌注桩施工易引起漏浆，岩石遇 水易软化，桩基础桩底易软化，造成承载力降低或楼房不均匀沉降。桩基设计与 施工时应注意。

　第一章 工程概况及分析内容简介 13

　 第三章 工程项目建设对地铁结构影响总体分析

　3.1 地层情况分析 本项目基坑深度 13.8m，基底处于砾砂层，明挖地铁结构基底深度在 19m 左 右，地铁隧道从淤泥质土层，砂层，强风化层以及中风化层穿过。

　从地层情况看，本场地地层情况较差，有较厚的淤泥层、砂层。砂层中进行 基坑开挖，容易出现涌水涌砂事故，应做好基坑的止水和坑内降水工作，尤其是 连续墙接缝处的止水。一旦出现涌水涌砂，势必造成地铁结构较大的变形，后果 将非常严重，应加强基坑的止水设计。围护结构的嵌固深度，穿过砂层进入不透 水层，满足整体稳定、抗管涌、渗流的要求。施工期间，应做好防塌孔措施。

　明挖地铁结构在基底进行了搅拌桩加固，并在周边施以地下连续墙，对提高 承载力和控制变形有利，控制好基坑的变形，以及做好止水，才能保证地铁结构 的安全。

　严禁在基坑外进行降水，以免造成地铁结构的沉降。

　3.2 几何关系分析 本基坑深度 13.8m，与地铁结构的最小水平净距为 12.5m，属于较显著影响 区，因此应加强基坑的设计，尤其控制基坑的变形，设计与施工应重点注意。正 线隧道距离基坑较远，且埋深大，受基坑开挖的影响较小。

　3.3 施工工法分析 基坑施工对地铁结构的影响分为围护结构施工、基坑开挖、主体回筑等三个 阶段。围护结构施工时，成槽孔壁的稳定性是关键。本基坑靠近地铁一侧地质条 件较差，对控制孔壁的稳定性不利。基坑开挖时，可通过及时架撑，严禁超挖等 措施，可以减少基坑变形，降低对墙体背后土体的扰动。主体回筑时，严格按照 施工顺序操作，混凝土强度务必达到设计强度后方能开挖。

　基坑开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直方向卸荷作用，不可避免地引起 坑底土体的回弹，并且基坑围护结构在土体压力作用下迫使基坑开挖面以下结构 向基坑内位移，挤压坑内土体，加大了坑底土体的水平向应力，也使得坑底土体 向上隆起。此外，随着基坑开挖深度的增加，基坑内外的土面高差不断增加，该 高差所形成的加载作用和地表的各种超载，将使得围护结构外侧土体产生向基坑 内的移动，使基坑坑底产生向上的隆起。当由于土体是一定程度的连续介质，基 坑内土体开挖卸荷时，地层损失向地铁结构传递，从而引起地铁结构侧部土压力

　第三章 工程项目建设对地铁结构影响总体分析

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 14

　 的变化，导致其位移发生改变。

　卸荷规模是影响地铁结构周围位移场、应力场的一个重要因素。虽然随着卸 荷规模以及方式的不同，对地铁结构的影响不尽相同，但是在同一地区或近似相 同的地质条件、场地环境，且土体具有相当应力历史的条件下，开挖卸荷对地铁 结构产生的附加应力和自身变形起主要作用。

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 15

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析

　4.1 几何模型的建立 4.1.1 几何模型范围 总体模型计算区域选取，充分考虑了基坑开挖引起的边界效应，参阅相关文 献，结合实际经验，以基坑外水平向几何尺寸取基坑开挖深度的 3~5 倍以上，竖 直向 2~4

　倍以上为原则（见图 4-1），因此计算模型几何尺寸 X、Y、Z 分别为 380m、240m、60m。计算模型侧向加水平约束，底部加竖向约束，顶面为自由面， 不加约束。

　 图 图

　4-1 计算区域选取原则

　 4.1.2 地层模型 由于本场地地势起伏比较大，故进行三维数值模拟分析时，须建立曲面地层 以保证建模分析的客观性及计算计结果的准确性。

　进行地层曲面地层建模时，首先在计算模型水平面范围内进行布点以便提取 坐标信息进行建模，并提取各地质勘察点。下面以强风化层为例，阐述地层曲面 的建立过程。

　根据《万科 A32 地块岩土工程勘察报告》附图中的工程地质柱状图，整理得 出各地质钻孔的三维坐标（平面坐标取相对坐标，高程取绝对标高值）如下表 4-1 所示：

　表 表

　4-1 强风化层坐标

　 布点

　坐标 X 坐标 Y 高程 Z CK1 0 0 -27.2 CK2 4.28 -23.36 -25.32 CK3 3.97 -46.72 -26.12 CK4 3.67 -70.08 -27.28

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 16

　布点

　坐标 X 坐标 Y 高程 Z

　CK5 3.36 -93.44 -22.44 CK6 3.06 -116.8 -25.42 CK7 2.75 -140.16 -21.66 CK8 2.45 -163.53 -19.83 CK9 2.14 -186.89 -19.29 CK10 1.84 -210.25 -19.2 CK11 0.96 -233.61 -17.2 CK12 -18.57 15.94 -17.69 CK13 -47.3 17.03 -16.36 CK14 -47.3 -23.36 -25 CK15 -47.3 -70.08 -26.36 CK16 -47.3 -116.79 -24.1 CK17 -47.3 -163.52 -23.29 CK18 -47.3 -210.25 -19.09 CK19 -18.4 -248.61 -19.3 CK20 -47.3 -248.61 -19.2 CK21 -76.21 15.04 -15.33 CK22 -96.7 13.63 -20.6 CK23 -96.24 0 -21.78 CK24 -95.55 -23.36 -112.54 CK25 -94.84 -46.72 -22.8 CK26 -94.33 -69.74 -24.39 CK27 -93.98 -93.44 -24.84 CK28 -93.57 -116.8 -22.87 CK29 -93.06 -140.16 -27.51 CK30 -92.38 -163.53 -23.7 CK31 -91.74 -186.89 -20.13 CK32 -91.05 -210.25 -22.12 CK33 -88.06 -233.61 -18.55 CK34 -76.21 -248.61 -17.46 CK35 -88.32 -248.61 -16.71 XZK1 -22.3 0 -23 XZK2 -22.3 -23.37 -22.94

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 17

　 布点

　坐标 X 坐标 Y 高程 Z XZK3 -22.3 -46.72 -22.39 XZK4 -22.3 -70.08 -22.19 XZK5 -22.3 -93.44 -22.69 XZK6 -22.3 -116.8 -22 XZK7 -22.3 -140.16 -21.51 XZK8 -22.3 -163.53 -19.2 XZK9 -22.3 -186.89 -17.5 XZK10 -22.3 -210.25 -16.11 XZK11 -22.3 -233.61 -17.13 XZK12 -47.3 0 -25 XZK13 -47.3 -46.72 -26.36 XZK14 -47.3 -93.44 -26 XZK15 -47.3 -140.16 -24.43 XZK16 -47.3 -186.89 -18.54 XZK17 -47.3 -233.61 -16.59 XZK18 -72.3 0 -22 XZK19 -72.3 -23.36 -22 XZK20 -72.3 -46.72 -22 XZK21 -72 -70.08 -22.15 XZK22 -72.3 -93.44 -22.53 XZK23 -72.3 -116.8 -25 XZK24 -72.3 -140.16 -28.68 XZK25 -72.3 -163.53 -24.83 XZK26 -72.3 -186.89 -18.54 XZK27 -72.3 -210.25 -17.6 XZK28 -72.3 -233.61 -17.64 将得到的坐标以 TXT 文本保存起来，然后在岩土工程大型有限元分析软件 Midas/GTS 中运用“曲面—建立—顶点面”的命令生成地层曲面模型，如图 4-2。

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 18

　图 图

　4-2 强风化岩地层模拟曲面

　 在 Midas/GTS 中建立矩形实体几何模型范围与各个地层曲面模型后，利用 Midas/GTS 提供的分割功能，将完整的矩形实体用各地层模型进行分割，从而与 实际情况相符的几何模型。现以强风化岩为例进行说明，见图 4-3~图 4-5。

　 图 图

　4-3 强风化岩顶分割地层图

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 19

　图 图

　4-4 强风化岩顶分割后地层图

　图 图

　4-5 强风化岩以下部分

　 4.2 有限元模型的建立 4.2.1 荷载及边界条件 计算过程中的主要荷载包括各土层的重力、支护结构的重力及地面超载，并 约束有限元模型底部的竖向位移、计算模型各侧面的法向位移。

　4.2.2 基坑施工过程场地地下水位的模拟 根据《万科 A32 地块岩土工程勘察报告》提供的各钻孔地下水位数据，结合 广州地区的工程实践经验，分析计算时将整个场区的地下水位位置定为地面以下 1m。

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 20

　 4.2.3 土层参数及本构关系 本次分析的土层参数及本构关系如下表。《万科 A32 地块岩土工程勘察报告》 并无直接提供弹性模量值，本项目根据岩土工程勘察报告提供的压缩模量平均值 E s ，在初定弹性模量 E   3~ 5  E s 的基础上，结合已有工程经验，各土层弹性模量 的取值如下表 4-2。

　表 表

　4-2 土层参数及本构关系

　 地层名称

　状态

　直剪快剪

　重度 γ （kN/m 3 ）

　弹性模量

　（MPa）

　泊松 比 渗透系数

　（cm/s）

　 本构关系

　C(KPa) Φ（°）

　 素填土

　轻度压 实～压实

　10.0

　 10.0

　 19.1

　 30

　 0.35

　 2.69E-03

　 摩尔－库仑

　淤泥质土

　软塑

　5.13 3.91 18 7.5 0.42 3.71E-06 摩尔－库仑

　粉、细砂

　松散为主

　7.92 23.48 20.8 35 0.28 7.38E-04 摩尔－库仑

　中砂

　稍密～中 密

　 7.32

　 27.19

　 19.0

　 44

　 0.26

　 1.25E-02

　 摩尔－库仑

　粗砂

　稍密～中 密

　 7.6

　 31.8

　 19.3

　 55

　 0.25

　 6.39E-02

　 摩尔－库仑

　强风化岩

　极软岩

　25 20 20.9 160 0.24 6.00E-06 摩尔－库仑

　中风化岩

　极软～软

　岩

　 ——

　——

　21.0

　 1500

　 0.23

　 6.00E-06

　 摩尔－库仑

　4.2.4 支护结构参数及本构关系 本次分析的支护结构参数及本构关系如下表 4-3。

　表 表

　4-3 支护结构参数及本构关系

　 结构名称

　截面尺寸（ m）

　材料

　本构关系

　弹性模量（ kN/m 2 ）

　灌注桩

　D=1.2 C30 混凝土

　弹性

　3×10 7

　內支撑

　0.8×0.8，0.8×1.0， 1.0×1.2

　 C30 混凝土

　弹性

　3×10 7

　地下连续墙

　0.8 C30 混凝土

　弹性

　3×10 7

　立柱

　0.55×0.55 钢结构

　弹性

　2.1×10 8

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 21

　 

　4.2.5 三维模型的建立 根据软件本身特点，圆灌注桩通过等效刚度公式等效成方桩。考虑到围护桩 竖向位移会给基坑稳定、地表沉降及桩体自身的稳定性均带来很大的影响，因此 在刚度等效时不仅要等效水平抗弯刚度，还要等效竖向抗拉、压刚度。等效刚度 公式如下：

　抗弯刚度等效：

　 D 4

　bh 3 E E 64 12

　(4-1)

　抗拉、压刚度等效：

　 D 2

　E Ebh 4

　 (4-2) 式中：E 为桩体弹性模量；D 为圆桩直径；b 为等效后方桩宽度；通过计算 可得，当 D=1.2m 时，等效方桩 b=0.7m。

　模型中土体、冠梁采用三维实体单元，既有地铁隧道采用壳单元模拟，基坑 立柱、内支撑、连梁与腰梁采用梁单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元。模型中 土体采用理想弹塑性模型，遵循 Mohr-Coulomb 屈服准则，上述相关结构则采用 弹性模型。总体计算模型含 975663 个单元，164912 个节点。

　灌注桩置于层状土层中，在桩体与桩侧土体之间，由于其刚度不同，在外荷 载作用下，往往在其接触面处形成较大的相对位移。本分析计算模型通过加接触 单元来模拟桩土之间的相对滑移与错动。接触单元采用 Goodman 单元，其三维空 间的面接触单元在确定外荷载作用下满足式（4-3）关系，单元的参数：法向刚度 K N 、切向刚度 K S 及转动刚度 K  ；N、Q、M 表示轴力、剪力及弯矩； u 为切向 位移， v 为剪切应变，   为相对转角。

　N  k n

　u     Q    M    k s   v  k

　     (4-3)       4.2.6 分析工况 4.2.6.1 基坑开挖分析工况 本次分析主要分为九个工况，即九个施工步，具体如下表。在下表 4-4 的工 况简述中，支撑标高为支撑中心的绝对标高。

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 22

　 表 表

　4-4 开挖分析施工步

　 编号

　工 况 简 述 （标高均为绝对标高）

　网格状态

　备注

　1

　 初始应力场计算

　本工况是岩土工程分析的第一

　步，在整个分析模型内只有岩、 土体。

　——

　位移清零

　2 修建既有地铁结构

　本工况修建既有地铁结构。

　图 2-10 位移清零

　3

　 放坡开挖

　本工况对基坑进行放坡开挖施

　工。

　图 2-11

　 ——

　4 灌注桩 、立柱 、地下连 续墙施工

　本工况对灌注桩 、立柱 、地下连

　续墙进行施工。

　图 2-12

　 ——

　5 基坑第一次开挖

　本工况基坑开挖至标高-0.6m。

　图 2-13 ——

　6 施工冠梁、加支撑 并进行基坑第二次开

　挖

　 本工况施工冠梁及第一道内支 撑，基坑开挖至标高-6.3m。

　 图 2-14

　 ——

　7 施工腰梁 、加支撑并进 行基坑第三次开挖

　本工况施工腰梁及第二道内支

　撑，基坑开挖至标高-11.6m。

　 图 2-15

　 ——

　8

　 地下室 3 层底板浇筑

　本工况对地下室 3 层底板顶板

　浇筑施工，并拆除第二道支撑。

　图 2-16

　 ——

　9

　 地下室 2 层顶板浇筑

　本工况对地下室 2 层浇筑 ，并拆 除第一道支撑。

　图 2-17

　 ——

　4.2.6.2 基坑外降水分析工况

　基坑施工过程中，不管是因开挖土体而降低坑内水位，抑或是由于基坑周边 止水帷幕的漏水引起坑外水位的下降，都必将引起周围建(构)筑物产生附加变形， 对周围环境产生不良影响。基于此，本次分析进行基坑降水引起地铁隧道结构位 移的分析。取降水水位分别为 1m、2m 进行稳定流计算，分别为三个工况，即三 个施工步，具体如下表 4-5、表 4-6 的工况简述中。

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 23

　表 表

　4-5

　降水

　1m 模型分析施工步

　 编号 工 况 简 述 1 第一次开挖

　本工况基坑开挖至标高-0.6m 2 第二次开挖

　本工况基坑开挖至标高-6.3m

　 3

　 第三次开挖

　本工况基坑开挖至标高-11.6m，基坑外降水 由+1.0 米（绝对高程）降至+0.0 米

　 表 表

　4-6 降水

　2m 模型分析施工步

　 编号

　工 况 简 述 1 第一次开挖

　本工况基坑开挖至标高-0.6m 2 第二次开挖

　本工况基坑开挖至标高-6.3m

　 3

　 第三次开挖

　本工况基坑开挖至标高-11.6m， 基坑外降水

　由+1.0 米（绝对高程）降至-1.0 米

　 4.2.7 有限元网格 整体有限元网格如图 4-6 所示。万科大厦项目基坑支护结构网格如图 4-7 所 示，细部结构见图 4-8~图 4-9 所示。整体模型共有 975663 个单元，164912 个节 点。工况 2～9 的有限元网格如图 4-10~图 4-17 所示。

　北

　 地铁广佛线

　图 图

　4-6 整体有限元模型 万科大厦项目基坑 东

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 24

　 图 图

　4-7 佛山大厦项目基坑支护结构及地铁隧道

　图 图

　4-8 第一道内支撑施工

　图 图

　4-9 第二道内支撑施工

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 25

　图 图

　4-10 工况

　2 修建既有地铁结构

　图 图

　4-11

　工况

　3 放坡开挖

　图 图

　4-12 工况

　4 灌注桩、地下连续墙及立柱施工

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 26

　图 图

　4-13

　工况

　5 基坑第一次开挖

　图 图

　4-14

　工况

　6

　加支撑，

　基坑第二次开挖

　图 图

　4-15

　工况

　7

　加支撑，

　基坑第三次开挖

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 27

　图 图

　4-16

　工况

　8

　地下室

　3 层底板浇筑

　图 图

　4-17

　工况

　9

　地下室

　2 层底板浇筑

　 4.3 计算结果 由表 4-4 可知，本项目最关注工况 5～9 的计算结果，因此，以下的计算结果 析中，仅包含工况 5～9 的内容。结果云图中箭头所指为极值的位置及大小。

　4.3.1 基坑支护结构位移 在位移计算结果中，东西向位移结果以向东（即 X 方向）为正，南北向位移 结果以向北（即 Y 方向）为正，图形表示的方位与图 4-6 相同。

　4.3.1.1 基坑支护结构东西向位移 万科 A32 地块基坑支护结构东西向位移计算结果见图 4-18~图 4-22，图中箭 头所指极值的位置，数字为极值的大小。计算结果汇总见表 4-7。

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 28

　图 图

　4-18

　工况

　5

　基坑第一次开挖

　往 围护结构往

　X 方向位移（

　：

　单位：

　mm）

　）

　图 图

　4-19

　工况

　6

　基坑第二次开挖

　往 围护结构往

　X 方向位移（

　：

　单位：

　mm）

　）

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 29

　图 图

　4-20

　工况

　7

　基坑第三次开挖

　往 围护结构往

　X 方向位移（

　：

　单位：

　mm）

　）

　图 图

　4-21

　工况

　8

　地下第

　3 层底板浇筑

　往 围护结构往

　X 方向位

　移（单位

　：

　：mm）

　）

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 30

　图 图

　4-22 工况

　9 地下第

　2 层底板浇注

　往 围护结构往

　X 方向位

　移（单位

　：

　：mm）

　）

　 表 表

　4-7 基坑支护结构东西向位移计算结果汇总表

　 工况

　位移最大值（ mm）

　位移最大值位置

　设计方位移计算值

　5 12.5 基坑东侧

　21.6 6 12.4 基坑东侧

　22.3 7 14.4 基坑东侧

　21.6 8 14.4 基坑东侧

　22.4 9 14.5 基坑东侧

　22.6 综上可知，根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009），基坑支护 结构东西向位移的量值小于小于基坑支护规程对位移的限值（30mm）。

　4.3.1.2 基坑支护结构南北向位移 基坑支护结构南北向位移计算结果见表 4-8。

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 31

　 图 图

　4-23 工况

　5

　基坑第一次开挖

　往 围护结构往

　Y 方向位移（

　：

　单位：

　mm）

　）

　图 图

　4-24

　工况

　6

　基坑第二次开挖

　往 围护结构往

　Y 方向位移（

　：

　单位：

　mm）

　）

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 32

　图 图

　4-25

　工况

　7

　基坑第三次开挖

　往 围护结构往

　Y 方向位移（

　：

　单位：

　mm）

　）

　图 图

　4-26

　工况

　8

　地下第

　3 层底板浇筑

　往 围护结构往

　Y 方向位

　移（单位

　：

　：mm）

　）

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 33

　图 图

　4-27 工况

　8 地下第

　3 层底板浇注

　往 围护结构往

　Y 方向位

　移（单位

　：

　：mm）

　）

　 表 表

　4-8 基坑支护结构南北向位移计算结果汇总表

　 综上可知，根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009），基坑支护 结构南北向位移的量值小于小于基坑支护规程对位移的限值（30mm）。

　4.3.2 地铁广佛线隧道位移 由表 4-4 可知，对地铁隧道产生影响的是工况 5～9，因此，以下的计算结果 中，仅包含工况 5～9 的内容。地铁广佛线隧道位移见图 4-28～图 4-37，其中 Y 方向即朝基坑方向，Z 方向是竖直方向。计算结果汇总见表 4-9。

　工况

　位移最大值（ mm ）

　位移最大值位置

　设计方位移计算值

　5 10.0 基坑北侧

　19.2 6 17.4 基坑北侧

　21.2 7 20.7 基坑北侧

　27.4 8 20.5 基坑北侧

　27.5 9 20.6 基坑北侧

　27.4

　佛山万科大厦项目基坑施工对地铁广佛线区间隧道影响三维数值分析 34

　图 图

　4-28

　工况

　5

　隧道

　Y 方向位移（

　：

　单位：

　mm）

　）

　图 图

　4-29

　工况

　5

　隧道

　Z 方向位移（

　：

　单位：

　mm）

　）

　第四章 基坑施工过程的三维数值模拟分析 35

　图 图

　4-30

　工况

　6

　隧道

　Y 方向位移（

　：

　...