地鐵站深基坑逆作法施工過(guò)程地下室結(jié)構(gòu)與毗鄰基礎(chǔ)的相互影響

王麗，楊文彬，武鈺翔，鄭剛

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

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地鐵站深基坑逆作法施工過(guò)程地下室結(jié)構(gòu)與毗鄰基礎(chǔ)的相互影響

王麗1，2，楊文彬2，武鈺翔2，鄭剛1

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

在反演分析得到的參數(shù)基礎(chǔ)上研究地鐵站基坑逆作法施工過(guò)程中基坑地下室結(jié)構(gòu)與臨近樁基礎(chǔ)和淺基礎(chǔ)的相互影響.當(dāng)基坑周邊有淺基礎(chǔ)時(shí)，當(dāng)其他條件相同時(shí)，隨著淺基礎(chǔ)與基坑的距離增加、基礎(chǔ)埋深增加、基礎(chǔ)寬度增加，基坑開(kāi)挖引起的淺基礎(chǔ)中心點(diǎn)的沉降量逐漸減小；隨著淺基礎(chǔ)埋深增加，淺基礎(chǔ)與基坑距離增加，開(kāi)挖引起的擋土墻和樁柱上部(0～28 m)側(cè)移減小；淺基礎(chǔ)寬度變化對(duì)擋土墻和樁柱側(cè)移影響不大.當(dāng)基坑周邊有樁基礎(chǔ)時(shí)，當(dāng)樁基礎(chǔ)與擋土墻之間的距離相同時(shí)，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁基礎(chǔ)受到基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的土體回彈影響越大；樁基礎(chǔ)的存在對(duì)擋土墻的墻身側(cè)移影響很小；在淺基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)各工況中，開(kāi)挖引起的坑內(nèi)樁柱及擋土墻的回彈十分接近，開(kāi)挖引起的擋土墻土壓力沿深度分布也十分接近.

逆作法；淺基礎(chǔ)；樁基礎(chǔ)；地下連續(xù)墻；地鐵站深基坑

0 引言

在建筑群密集的城市進(jìn)行地鐵站深基坑開(kāi)挖時(shí)，如何減小基坑施工對(duì)周邊建筑基礎(chǔ)的影響一直以來(lái)是城市向地下空間發(fā)展面臨的一個(gè)難題.

文獻(xiàn)[1-5]探討了基坑明挖施工對(duì)毗鄰建筑的影響.逆作法基坑施工利用地下室結(jié)構(gòu)兼做水平支撐系統(tǒng)，支撐強(qiáng)度大，整體性好，且沒(méi)有拆除支撐引起的附加變形，越來(lái)越廣泛應(yīng)用于密集建筑群城市的基坑施工中.例如，上海軌道交通4號(hào)線(xiàn)宜山路站半逆作基坑施工過(guò)程中緊鄰的7層淺基礎(chǔ)建筑和高架地鐵站的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明距離基坑0.4 m的建筑物最大沉降小于10 mm[6].杭州解百商業(yè)城半逆作法深基坑施工引起的基坑周邊道路最大地表沉降為35 mm[7].上海西站15號(hào)線(xiàn)地鐵站基坑逆作法施工引起列車(chē)軌道路基出現(xiàn)隆起，隆起量約為7 mm[8].上海市外灘一高層酒店深基坑逆作法施工引起距離基坑邊線(xiàn)僅1 m的多層鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)沉降值基本控制在20 mm[9].上海浦東新高層建筑超大基坑逆作法施工過(guò)程引起的周邊樁基礎(chǔ)建筑差異沉降較小，地下管線(xiàn)沉降主要是均勻沉降[10].文獻(xiàn)[11-12]詳細(xì)介紹了上海興業(yè)銀行大廈基坑全逆作法施工引起的周邊建筑及地下管線(xiàn)的沉降.上海某醫(yī)院地下車(chē)庫(kù)基坑逆作法施工中，基坑開(kāi)挖、地墻施工和其他因素(地下障礙物清除、地基加固等)引起建筑物沉降分別約占建筑物總沉降的40%、25%和35%[13].文獻(xiàn)[14]介紹了上海世博500 kV地下變電站工程逆作法施工引起的周邊建筑及地下管線(xiàn)的沉降.上海市鐵路南站基坑工程采用中心島開(kāi)挖加周邊環(huán)型底板逆作施工，距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最近距離約為25 m房屋的累計(jì)最大沉降量為61mm[15].以上海地鐵10號(hào)線(xiàn)南京東路站基坑逆作法為背景，利用FLAC3D研究深基坑施工對(duì)周邊建筑變形影響[16].深圳市福田區(qū)某基坑“部分逆作法”施工過(guò)程周邊建筑沉降表明沉降大小與基礎(chǔ)形式、埋深有關(guān)系，基礎(chǔ)埋深大，沉降變化相對(duì)較小[17].文獻(xiàn)[18]詳細(xì)記錄了上海某地鐵站基坑逆作法施工過(guò)程周邊建筑沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果.

上述文獻(xiàn)中，除文獻(xiàn)[12,18]外，其余文獻(xiàn)中對(duì)鄰近建筑影響的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少，關(guān)于地鐵站基坑施工對(duì)毗鄰建筑基礎(chǔ)的影響還有待于進(jìn)一步探討.

有限元方法能夠更好的研究地鐵站基坑開(kāi)挖與臨近建筑基礎(chǔ)的相互影響.本文利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)地鐵站基坑逆作法施工中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與臨近樁基礎(chǔ)和淺基礎(chǔ)相互影響進(jìn)行研究.

1 逆作法有限元模型

本文作者在文獻(xiàn)[19]中對(duì)上海的地鐵站逆作法施工[18]進(jìn)行了有限元模擬分析，反演分析得到有限元相關(guān)參數(shù).在文獻(xiàn)[19]有限元模型基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行了表1共計(jì)12個(gè)工況的有限元模擬，研究逆作法施工過(guò)程，淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相互影響.表1中各符號(hào)含義見(jiàn)圖1.

表1 逆作法工況

(a) 淺基礎(chǔ)與基坑

(b) 樁基礎(chǔ)與基坑

有限元模型的土層分布及基坑加固情況見(jiàn)圖1.圖1中基坑內(nèi)涂黑部分的土體為注漿加固土體，編號(hào)①-⑤的土體參數(shù)見(jiàn)表1[19].逆作法開(kāi)挖共計(jì)20步，每步完成項(xiàng)目詳見(jiàn)表2[19]表描述.地下室結(jié)構(gòu)之間以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件與土體之間的連接方式、結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[19].

淺基礎(chǔ)與土體為tie連接，樁基礎(chǔ)與土體采用 摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.25.

2 有限元計(jì)算結(jié)果

2.1 基坑與淺基礎(chǔ)相互影響

圖2為開(kāi)挖過(guò)程中淺基礎(chǔ)中心處的沉降或上浮值.橫坐標(biāo)與表2[19]中20個(gè)開(kāi)挖步相對(duì)應(yīng).

圖2 淺基礎(chǔ)的上浮或沉降量

當(dāng)基礎(chǔ)寬度b和基礎(chǔ)埋深d相同時(shí)，隨著基礎(chǔ)與基坑距離a增加，基坑開(kāi)挖引起的基礎(chǔ)沉降逐漸減小.例如，當(dāng)基礎(chǔ)寬度b=20 m，基礎(chǔ)埋深d=5m時(shí)，基礎(chǔ)與基坑距離a為5、10、15 m時(shí)，淺基礎(chǔ)最終位移分別為-6.1，-2.4和0.1 mm.

當(dāng)基礎(chǔ)與基坑距離a和基礎(chǔ)埋深d相同時(shí)，隨著基礎(chǔ)寬度b增加，基坑開(kāi)挖引起的基礎(chǔ)沉降逐漸減小.例如，當(dāng)基礎(chǔ)與基坑距離a=5 m，基礎(chǔ)埋深d=5 m時(shí)，基礎(chǔ)寬度b為10、20、30 m時(shí)的淺基礎(chǔ)最終位移分別為-7.4、-6.1 mm和-4.4mm.

當(dāng)基礎(chǔ)與基坑的距離a和基礎(chǔ)寬度b相同時(shí)，隨著基礎(chǔ)埋深d增加，基坑開(kāi)挖引起的基礎(chǔ)沉降逐漸減小.例如，當(dāng)基礎(chǔ)與基坑距離a=5 m，基礎(chǔ)寬度b=20 m時(shí)，基礎(chǔ)埋深d為5、15、20 m時(shí)的，開(kāi)挖引起的淺基礎(chǔ)最終沉降分別為-6.1、-1.5和1.2 mm.

圖2中，基坑開(kāi)挖過(guò)程中部分工況的基礎(chǔ)中心的沉降量為正，例如工況5-20-20-300、15-20-5-300、5-20-15-300和10-20-5-300.這是由于基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基礎(chǔ)一側(cè)土體卸荷導(dǎo)致基礎(chǔ)傾斜，基礎(chǔ)遠(yuǎn)離基坑及基礎(chǔ)中心向上翹起.

圖3為基坑開(kāi)挖引起的擋土墻墻身最終側(cè)移(向基坑內(nèi))，圖3中側(cè)移為基坑開(kāi)挖引起，即淺基礎(chǔ)加載引起的側(cè)移已經(jīng)被扣除.圖例“field”為模擬文獻(xiàn)[18]的有限元計(jì)算結(jié)果，即基坑周邊沒(méi)有淺基礎(chǔ)的影響.

如圖3(a)所示，隨著淺基礎(chǔ)埋深d增加，開(kāi)挖引起的墻身上部(0～-28 m)側(cè)移減小.由于受到淺基礎(chǔ)基底壓力的影響，墻身上部側(cè)移(向基坑內(nèi))明顯增加，例如，地面下-2 m處，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的墻身側(cè)移為4.6 m，淺基礎(chǔ)埋深為20、15和5m的墻身側(cè)移分別為13.8， 15.6 和21.6 m. 地面下-15～-32 m的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的墻身側(cè)移略大于淺基礎(chǔ)埋深為20 m時(shí)的墻身側(cè)移.

(a) 變化淺基礎(chǔ)埋深d

(b) 變化淺基礎(chǔ)寬度b

(c) 變化基坑與淺基礎(chǔ)間`距離a

圖3(b)表明變化基礎(chǔ)寬度b對(duì)墻身側(cè)移的影響不大.圖3(c)表明隨著淺基礎(chǔ)與基坑的距離增加擋土墻的側(cè)移減小.由于淺基礎(chǔ)基底壓力的影響，墻身側(cè)移明顯增加.

圖4為基坑開(kāi)挖引起的基坑內(nèi)樁柱的最終側(cè)移，圖4中側(cè)移為基坑開(kāi)挖引起，即淺基礎(chǔ)加載引起的側(cè)移已經(jīng)被扣除.圖例“field”為模擬文獻(xiàn)[18]的有限元計(jì)算結(jié)果，即基坑周邊沒(méi)有淺基礎(chǔ)的影響.

由于淺基礎(chǔ)基底壓力的影響，擋土墻側(cè)移增加，坑內(nèi)樁柱的側(cè)移(0～-28 m)也明顯大于沒(méi)有淺基礎(chǔ)影響的情況.隨著淺基礎(chǔ)與基坑之間距離增加，基礎(chǔ)埋深增加，樁柱側(cè)移減小.基礎(chǔ)寬度變化對(duì)樁柱側(cè)移的影響不明顯.

淺基礎(chǔ)各工況中，開(kāi)挖引起的坑內(nèi)樁柱及擋土墻墻頂回彈十分接近，擋土墻土壓力沿深度分布也十分接近.

(a) 變化淺基礎(chǔ)埋深d

(b) 變化淺基礎(chǔ)寬度b

(c) 變化基坑與淺基礎(chǔ)間距離a

2.2 基坑與樁基礎(chǔ)相互影響

圖5為開(kāi)挖過(guò)程中樁基礎(chǔ)中距離基坑最近的樁頂?shù)某两祷蛏细≈?橫坐標(biāo)與表2[19]中20個(gè)開(kāi)挖步相對(duì)應(yīng).

當(dāng)樁基礎(chǔ)與擋土墻之間的距離a不變時(shí)，樁長(zhǎng)為12 m時(shí)，從第7步(對(duì)應(yīng)坑內(nèi)第3層土體開(kāi)挖)開(kāi)始樁頂下沉，最終沉降量為-2.4 mm；樁長(zhǎng)為22m時(shí)，從第10步(對(duì)應(yīng)坑內(nèi)第4層土體開(kāi)挖)開(kāi)始樁頂上浮量逐漸減小，最終沉降量為-1.5 mm；樁長(zhǎng)為32 m時(shí)，從第19步(對(duì)應(yīng)坑內(nèi)第8層土體開(kāi)挖)開(kāi)始樁頂上浮量開(kāi)始減小，最終上浮量為0.3mm.即當(dāng)樁基礎(chǔ)與擋土墻之間的距離相同時(shí)，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁基礎(chǔ)受到基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的土體回彈影響越大.

圖5 樁基礎(chǔ)的上浮或沉降量

這是由于與淺基礎(chǔ)相比，樁基礎(chǔ)上的荷載被傳遞到較深的土層內(nèi)，荷載引起樁基礎(chǔ)下土體中的壓應(yīng)力增加量相對(duì)較小.基坑開(kāi)挖引起的土體回彈帶動(dòng)樁基礎(chǔ)上浮.樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，土體上浮的影響越明顯.

隨著樁基礎(chǔ)與基坑之間的距離增加，樁頂上浮量增加；與基坑距離為15、10 m兩個(gè)工況的樁頂上浮量比較接近.

圖6為基坑開(kāi)挖引起的擋土墻墻身最終側(cè)移(向基坑內(nèi))，圖6中側(cè)移為基坑開(kāi)挖引起，即樁基礎(chǔ)加載引起的側(cè)移已經(jīng)被扣除.圖例“field”為模擬文獻(xiàn)[18]的有限元計(jì)算結(jié)果，即基坑周邊沒(méi)有淺基礎(chǔ)的影響.

(a) 變化淺基坑與樁基礎(chǔ)之間距離

(b) 變化樁長(zhǎng)

樁基礎(chǔ)與基坑距離a=5 m時(shí)，開(kāi)挖引起的擋土墻側(cè)移略大.當(dāng)樁基礎(chǔ)與基坑距離為10、15m時(shí)，樁基礎(chǔ)的存在對(duì)擋土墻的墻身側(cè)移影響很小.樁長(zhǎng)變化對(duì)擋土墻的墻身側(cè)移影響不大.

圖7為基坑開(kāi)挖引起的樁基礎(chǔ)中距離基坑最近樁的最終側(cè)移.圖例數(shù)字代表開(kāi)挖基坑內(nèi)相應(yīng)的土層，見(jiàn)圖1.

(a) 工況“5-30”

(b) 工況“5-10”

(c) 工況“5-20”

(d) 工況“15-20”

(e) 工況“10-20”

第1、2層土體開(kāi)挖后樁頂側(cè)移增加.第3層土體開(kāi)挖后樁頂側(cè)移明顯減小，樁身下部側(cè)移進(jìn)一步增加.在隨后開(kāi)挖深度增加，樁身上部側(cè)移增加，增加幅度較小，樁身下部側(cè)移明顯增加.

開(kāi)挖過(guò)程中，樁長(zhǎng)22 m的樁身側(cè)移變化與樁長(zhǎng)32 m的相似，只是樁身下部的撓曲變形不明顯.隨著樁與基礎(chǔ)距離增加，樁身側(cè)移減小，但樁身側(cè)移變化規(guī)律不變.

樁基礎(chǔ)各工況中，開(kāi)挖引起的坑內(nèi)樁柱及擋土墻墻頂回彈十分接近，擋土墻土壓力沿深度分布也十分接近.

3 結(jié)論

(1)隨著淺基礎(chǔ)與基坑的距離增加，淺基礎(chǔ)中心的沉降量逐漸減小.隨著基礎(chǔ)寬度增加，基礎(chǔ)沉降減小.隨著基礎(chǔ)埋深增加，基礎(chǔ)沉降減小；

(2)隨著淺基礎(chǔ)埋深增加，開(kāi)挖引起的擋土墻墻身上部(0～-28 m)側(cè)移減小.基礎(chǔ)寬度變化對(duì)墻身側(cè)移的影響不大；

(3)隨著樁長(zhǎng)、樁基礎(chǔ)與基坑之間的距離增加，樁頂由下沉逐漸變?yōu)樯细?與基坑距離為15、10 m兩個(gè)工況的樁頂上浮量比較接近；

(4)當(dāng)樁基礎(chǔ)與基坑距離為10、15 m時(shí)，樁基礎(chǔ)的存在對(duì)擋土墻的墻身側(cè)移影響很小.樁長(zhǎng)變化對(duì)擋土墻的墻身側(cè)移影響不大；

(5)在淺基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)各工況中，開(kāi)挖引起的坑內(nèi)樁柱及擋土墻墻頂回彈十分接近，擋土墻土壓力沿深度分布也十分接近.

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WANG Li1,2, YANG Wenbin2, WU Yuxiang2, ZHENG Gang1

(1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China, 2. School of Civil and Safety Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

The top-down excavation of Metro Line 10 in Shanghai is modeled with finite element analysis software ABAQUS, and the parameters of subsoil are obtained by inverse analysis. Based on the finite element models and parameters, interaction of basement structure and surrounding building foundations during top-down excavation is discussed in detail. If the shallow foundation is close to the pit, settlement at the middle of shallow foundation is decreased when the distance between shallow foundation and pit, the burying depth of shallow foundation and the width of shallow foundations is increased. When burying depth of the shallow foundation and the distance between shallow foundation and pit are increased, the deflection caused by pit excavation along top part of the diaphragm wall, column and pile are decreased. Deflections of the diaphragm wall, column and pile do not change with the shallow foundation width . If pile foundation is close to the pit, the longer pile length results in the greater effect of soil rebound on pile foundations. Effect of pile foundation on diaphragm wall deflections can be neglected,and the deflection of diaphragm wall does not change with pile length. In all cases of pile and shallow foundations, rebounds of inner column and diaphragm wall are very close, and so does the soil pressure along diaphragm wall.

top-down method; shallow foundation; pile foundation; diaphragm wall; deep metro station excavation

1673-9590(2016)04-0085-07

2015-10-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208071)

王麗(1974-)，女，副教授，博士,主要從事巖土工程領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作的研究E-mail:jiaoda_tina@163.com.

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