基坑開挖對臨近基坑地鐵高架結(jié)構(gòu)變形的影響

梅禎,肖軍華,王炳龍

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

在軟土地區(qū)，由于地質(zhì)軟弱，基坑開挖勢必會引起周邊地層應力場和位移場的改變，繼而對周邊地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，嚴重時，臨近結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著變形，甚至破壞[1-2]。如杭州地鐵2號線某區(qū)間臨近基坑施工，造成近百環(huán)管片的收斂變形超過80 mm，深圳地鐵1號線某區(qū)間臨近基坑施工造成隧道水平位移達70 mm[3]。

學者們就基坑開挖對臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響問題展開了深入研究。Wang等[1]提出隨機反分析法預測基坑開挖引起的鄰近建筑潛在損壞的可能性。Dole?alov[4]、Hu等[5]和王衛(wèi)東等[6]采用數(shù)值分析法分析基坑開挖卸荷對鄰近既有隧道的影響。Liang等[7-8]和周順華等[9]基于兩階段法提出臨近開挖對既有地鐵隧道受力變形影響的簡化計算方法。魏綱[10]和Zheng等[11]在實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，推導了基坑開挖引起臨近地鐵隧道豎向位移的經(jīng)驗公式。張子新等[12]采用三維有限元，對比室內(nèi)試驗以及實測數(shù)據(jù)，分析了基坑開挖對位于基坑中心的地鐵高架橋墩的影響。

上述研究采用解析、半解析以及數(shù)值分析等手段，結(jié)合大量工程實踐，對基坑開挖對周邊建構(gòu)筑物，尤其是地鐵隧道的影響已有較清晰的認識，但基坑開挖對地鐵高架結(jié)構(gòu)的影響認識卻較少。然而，位于市郊的城市軌道交通結(jié)構(gòu)多以高架結(jié)構(gòu)為主，隨著城市的不斷擴張，臨近地鐵高架結(jié)構(gòu)的施工活動也越來越頻繁，尤其在軟土地區(qū)復雜地質(zhì)條件下，如何控制施工影響、保護臨近地鐵高架結(jié)構(gòu)面臨許多新的問題。

由于問題的復雜性，傳統(tǒng)解析方法難以合理地分析基坑開挖對臨近結(jié)構(gòu)的影響，數(shù)值分析方法由于能考慮土層的性質(zhì)、土層開挖、支護結(jié)構(gòu)以及周邊建(構(gòu))筑物存在的影響等復雜因素，已成為基坑工程分析的最有效方法[4-6]。因此，本文依托蘇南地區(qū)臨近城市軌道交通結(jié)構(gòu)的基坑工程，采用三維有限元法，模擬基坑開挖全過程，分析開挖卸載對臨近地鐵高架橋墩的作用機制，并與實測結(jié)果進行比較，驗證數(shù)值模型和計算參數(shù)的合理性，繼而討論不同基坑參數(shù)對地鐵橋墩附加變形的影響,為臨近地鐵高架結(jié)構(gòu)施工控制及結(jié)構(gòu)安全保護提供參考。

1 工程概況

1.1 高架結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測情況

沉降監(jiān)測是軌道交通結(jié)構(gòu)安全的重要監(jiān)測項目。圖1為上海地鐵11號線花橋方向延伸段運營期內(nèi)累計沉降變形曲線[13]，圖中灰色標注部分表示監(jiān)測期間周邊存在建筑施工活動。可以看出，全線共有6處較為明顯的沉降槽，與灰色標注部分基本吻合，且沉降槽的寬度與鄰近基坑寬度近似。這說明，臨近基坑施工是引起地鐵橋墩沉降的重要影響因素。以下以其中一處基坑工程為例進行詳細分析。

圖1 地鐵高架橋墩累計沉降變形曲線[13]Fig.1 Accumulated settlement curve of subway viaduct

1.2 基坑工程概況

該項目為地鐵11號線沿線中城商務廣場寫字樓基坑工程，場地內(nèi)，地基土屬第四系瀉湖沼澤相地基土沉積層，主要由飽和粘性土、粉性土以及砂土組成?；觽?cè)壁土層由上至下主要以素填土、軟塑狀粘性土、流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，基坑底部處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中。土體屬于高壓縮性土，施工過程如果控制不當，易發(fā)生較大變形而導致局部失穩(wěn)，影響臨近軌道交通結(jié)構(gòu)的安全。

建筑基坑呈長方形，縱向?qū)?56 m,橫向?qū)?0 m(沿地鐵敷設(shè)方向為縱,垂直為橫)，挖深9.6 m。設(shè)三軸水泥攪拌樁圍護結(jié)構(gòu)兼作止水帷幕，樁長22.0 m?？觾?nèi)設(shè)兩道鋼筋混凝土支撐，分別在-2.6 m和-6.3 m的位置?；颖眰?cè)平行某軌道交通高架線，距離圍護結(jié)構(gòu)31 m。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，基坑開挖影響范圍約為基坑寬度的1.5倍，影響范圍內(nèi)，共有9根高架橋墩，分別為S1～S9號墩,如圖2所示。

圖2 基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊場地平面圖Fig.2 Enclosure structure and surrounding site of foundation

1.3 地鐵高架線

地鐵11號線花橋方向延伸段為高架結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為簡支混凝土梁，標準跨徑30 m，基坑影響范圍內(nèi)，S1～S4橋墩樁基為預制混凝土管樁，樁長40 m；S5～S9橋墩樁基為鉆孔灌注樁，樁長56 m。

1.4 施工監(jiān)測及數(shù)據(jù)整理

圖3 監(jiān)測結(jié)果

由于樁長不同，短樁S1～S4的沉降量最大達7 mm，大于長樁S5～S9的最大沉降量。墩頂水平位移大致以基坑中心軸線為對稱軸，呈中間大，兩側(cè)小的趨勢，最大水平位移為4.5 mm。

2 基坑施工全過程數(shù)值分析

2.1 計算模型

該基坑為規(guī)則矩形，但由于臨近地鐵高架樁基存在長短樁，需建立三維模型加以分析。所建高架結(jié)構(gòu)共8跨9橋墩，均采用實體單元，樁基均采用可考慮側(cè)摩阻力和樁端阻力的樁單元。為便于計算，把基坑圍護樁按抗彎剛度等效原則等效為連續(xù)墻體，內(nèi)支撐采用梁單元進行模擬，其布置圖如圖2所示。

為了更有效地模擬結(jié)構(gòu)和土的相互作用，在基坑連續(xù)墻與地層、橋墩與地層均直接設(shè)置了界面。有限元計算模型縱剖面示意圖如圖4所示。

圖4 有限元計算模型示意圖(縱剖面)Fig.4 Finite element model(longitudinal profile)

數(shù)值分析方法的關(guān)鍵問題之一，是要采用合適的本構(gòu)模型和計算參數(shù)。目前，在軟土地區(qū)基坑施工數(shù)值模擬中，大量使用的硬化模型包括硬土模型(簡稱HS)和小應變土體硬化模型(簡稱HSS)[14]，是通用巖土有限元軟件Plaxis中常用的兩種土體本構(gòu)模型。在城市基坑工程中，土體的剪應變一般需控制在1.0×10-4～1.0×10-3的量級之間，方可保證基坑開挖對周邊環(huán)境的影響可控，處于小應變狀態(tài)。因此，土體采用小應變土體硬化模型(HSS)，混凝土管樁、鉆孔灌注樁、橋墩、橋梁、基坑圍護及內(nèi)支撐均采用線彈性模型。

基坑施工共分3次開挖，每次開挖前進行基坑降水，地下水位降至開挖面以下1 m。計算過程中，以穩(wěn)態(tài)滲流法模擬基坑內(nèi)外水頭差引起的滲流，其中，圍護墻結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)視為0。

2.2 基于實測數(shù)據(jù)的計算參數(shù)反演

表1 參數(shù)反演Table 1 Parameter inversion

注：Es為土層壓縮模量

圖5為不同參數(shù)取值方案下，計算值與實測值的對比結(jié)果。

2.3.4 避免在車內(nèi)吸煙。據(jù)測試每只香煙中苯與甲苯的散發(fā)量可達200 μg。在車內(nèi)抽一支煙就可以讓車內(nèi)空氣質(zhì)量超標。如果在車內(nèi)抽煙的時候開空調(diào)，煙塵會進入空調(diào)管路系統(tǒng)并附著在管道內(nèi)壁，時間久了車內(nèi)就會有難聞的氣味，清洗空調(diào)系統(tǒng)都很難去除。

從橋墩沉降和水平位移以及基坑坡頂沉降和水平位移(測點位置如圖2所示)的實際監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算值的對比可知，方案B最為接近實測值。

圖5 實測值與計算結(jié)果對比Fig.5 Comparison of measured and calculated

表2 地層計算參數(shù)Table 2 Calculated parameters

圖6為最終計算結(jié)果，從圖中可以看出，橋墩沉降和水平位移計算值和變形規(guī)律與實測結(jié)果已十分接近。因此，可認為該有限元模型能夠模擬該項工程。

3 影響因素分析

為進一步了解基坑開挖對臨近地鐵高架結(jié)構(gòu)的影響，以上述有限元模型為基礎(chǔ)，從數(shù)值分析的角度進一步研究基坑與橋墩開挖距離、基坑深度、基坑數(shù)量和施工順序等因素對橋墩附加變形的影響規(guī)律。為避免不同樁型對沉降和水平位移規(guī)律的影響，后續(xù)計算過程中，高架樁基均采用樁長40 m,樁徑600 mm的預制管樁,其他地鐵高架結(jié)構(gòu)以及各材料參數(shù)均保持不變。計算工況如表3所示。

表3 計算工況Table 3 Calculation schemes

圖6 有限元計算結(jié)果

3.1 基坑與橋墩水平距離的影響分析

圖7為基坑與橋墩水平間距對橋墩水平位移和沉降的影響曲線，從變形趨勢可以看出，開挖距離對臨近結(jié)構(gòu)的橫向變形影響要大于結(jié)構(gòu)沉降變形，特別是距離橋墩2H范圍內(nèi)(H為基坑深度)。建議近距離基坑施工時，將橫向變形作為基坑施工臨近結(jié)構(gòu)安全性控制指標；隨著開挖距離的增大，結(jié)構(gòu)變形基本呈線性變化，僅在1H附近出現(xiàn)了拐點，即當開挖距離約為1H時，結(jié)構(gòu)變形達到最大。因此，在確定基坑與臨近結(jié)構(gòu)水平間距時，應盡可能避開1倍基坑開挖深度的情況。

3.2 基坑寬度的影響分析

圖8為不同基坑寬度條件下，基坑開挖引起各橋墩的附加沉降分布圖和沉降曲線。從圖中可以看出，隨著基坑寬度的增大，沉降槽逐漸擴大，且存在明顯的拐點，當基坑寬度小于8H時，寬度對中心1/3邊長范圍內(nèi)的橋墩附加沉降影響最大，每增加10 m，附加沉降將增大1.3 mm左右，之后趨于平緩，基坑寬度每增加10 m，附加沉降僅增大0.4 mm左右。說明當橫向基坑寬度小于8倍基坑開挖深度時，減小基坑寬度可以有效地減小橋墩水平位移和沉降。

3.3 基坑深度的影響分析

圖9為各橋墩沉降隨基坑深度變化的分布曲線和變化曲線。總體來看，隨著開挖深度增大，結(jié)構(gòu)變形明顯增加，特別是在開挖深度超過10 m后，變形速度明顯加快，且以基坑中線左右2H范圍內(nèi)的橋墩變形最為明顯，開挖深度由6 m分別增加到10 m和16 m，橋墩沉降增加了約4 mm和14 mm。因此，當增加基坑挖深時，應重點控制和保護該范圍內(nèi)的橋墩，必要時需對橋墩進行加固或增設(shè)隔離措施。

圖7 基坑與橋墩水平間距對結(jié)構(gòu)變形的影響Fig.7 The relationship between settlement of piers

圖8 橋墩沉降與基坑寬度的關(guān)系Fig.8 The relationship between settlement of piers

圖9 橋墩沉降與基坑深度的關(guān)系Fig.9 The relationship between settlement of piers

3.4 基坑數(shù)量的影響分析

當?shù)罔F高架結(jié)構(gòu)兩側(cè)存在單個或多個基坑時，高架結(jié)構(gòu)的變形出現(xiàn)不同程度的疊加情況。A、B、C、D分別為位于地鐵高架橋兩側(cè)的同規(guī)?；樱渲?，A、B并列于高架左側(cè)，C、D并列于右側(cè)。圖10所示為4個基坑依次施工對高架結(jié)構(gòu)水平位移和沉降的影響曲線。由圖10可知，對側(cè)基坑施工結(jié)構(gòu)橫向變形回彈明顯，基本可以忽略結(jié)構(gòu)的水平位移，同側(cè)施工則在基坑相鄰處出現(xiàn)明顯的疊加區(qū)域，水平位移極值點仍然處于基坑中心附近，相對于單基坑時有所增大，但并不顯著；對側(cè)基坑施工時，基坑中心處橋墩沉降明顯增大，遠遠超過了2倍單基坑引起的橋墩沉降，同側(cè)基坑施工沉降規(guī)律與橫向變形規(guī)律相似?？偟膩碚f，隨著基坑數(shù)量的增多，變形疊加區(qū)域結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)出明顯的非線性特性，這是因為，多重施工擾動導致軟土結(jié)構(gòu)受損，土體工程性質(zhì)逐漸弱化。

圖10 多基坑依次施工引起橋墩水平變形、沉降曲線Fig.10 The relationship between settlement of piers

3.5 多基坑施工順序的影響分析

圖11為不同施工順序?qū)Ω呒芙Y(jié)構(gòu)水平位移和沉降的影響曲線。從圖中可以看出，雙側(cè)4基坑同時施工或先后依次施工，橋墩水平變形基本相當；分側(cè)施工時，橋墩水平位移最大值出現(xiàn)在后施工一側(cè)的基坑相鄰處；多個基坑同時施工引起的結(jié)構(gòu)沉降最大，按結(jié)構(gòu)兩側(cè)分側(cè)施工時最小，各個基坑依次施工時次之。

圖11 多基坑施工順序引起橋墩水平變形、沉降曲線Fig.11 The relationship between settlement of piers

4 結(jié)論

結(jié)合實際工程，通過基坑開挖對沿線地鐵高架結(jié)構(gòu)變形影響的現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，基坑與地鐵高架結(jié)構(gòu)水平間距、基坑寬度、基坑深度、基坑數(shù)量以及基坑施工順序?qū)ο噜徑Y(jié)構(gòu)變形均有明顯的影響。

1)開挖距離小于2H時(H為基坑深度)，基坑與結(jié)構(gòu)間距對結(jié)構(gòu)橫向變形的影響要大于豎向變形；開挖距離為1H時，結(jié)構(gòu)橫向變形與豎向變形均達到最大。

2)結(jié)構(gòu)變形隨基坑寬度的增大而增大，當寬度大于8H時，影響驟然降低。

3)基坑挖深對結(jié)構(gòu)變形的影響顯著，深度超過10 m后，沉降尤為明顯，且以基坑中線1H范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)影響最大。

4)多個基坑施工引起的結(jié)構(gòu)變形表現(xiàn)出一定的非線性，同側(cè)多基坑施工對基坑相鄰區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)影響較大，有明顯的疊加效應；對側(cè)基坑施工時，結(jié)構(gòu)橫向變形有明顯的回彈現(xiàn)象，最終變形較小，而豎向變形有顯著的非線性疊加效應，變形量約為單個基坑的2.5倍。

5)當結(jié)構(gòu)兩側(cè)存在多個基坑時，不同施工工序引起的結(jié)構(gòu)變形略有差別。分側(cè)施工引起的結(jié)構(gòu)豎向變形最小，但橫向變形最大；同時施工引起的結(jié)構(gòu)豎向位移最大，橫向變形卻較小。