深基坑施工對緊鄰地鐵車站安全的影響

張 明， 閆 亮， 潘楚溈， 劉文兵， 謝 敏

(中建五局土木工程有限公司武漢分公司， 湖北 武漢 430108)

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)用地日趨緊張。對于日趨嚴(yán)重的城市交通擁堵問題，發(fā)展地鐵等大運量軌道交通方式已經(jīng)成為解決交通問題的有效途徑。地鐵的快速發(fā)展可拉動經(jīng)濟建設(shè)增長，使得地鐵沿線站點附近往往擬建或在建密集的高層建筑群，其深基坑施工會對緊鄰地鐵車站產(chǎn)生施工風(fēng)險和對環(huán)境產(chǎn)生影響[1～6]。而由于地鐵車站的重要性和特殊性，使得地鐵工程對于自身結(jié)構(gòu)、周邊基坑和建筑的變形都有著嚴(yán)格的要求，這導(dǎo)致鄰近的深基坑工程面臨著較大的技術(shù)挑戰(zhàn)和施工難題。因此對于緊鄰地鐵車站的深基坑施工，確保地鐵車站的安全運營是十分必要的。

深基坑的開挖施工引起周邊土體應(yīng)力場一定程度上的改變，從而引起周邊一定范圍內(nèi)土體的變形。深基坑工程施工一方面因為自身坑內(nèi)土體的開挖卸荷導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)的水平和豎向變形，進而引起坑外周邊土體的沉降變形，從而導(dǎo)致緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)隨著土體的下沉產(chǎn)生沉降；另一方面由于深基坑的開挖施工直接引起緊鄰地鐵隧道產(chǎn)生新增水平位移和豎向沉降，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生變形和變位，嚴(yán)重時甚至?xí)鹨r砌結(jié)構(gòu)的開裂破壞[7]。

對于緊鄰地鐵車站的深基坑工程，需要預(yù)測緊鄰車站的變形，進而保證緊鄰車站運營的絕對安全，這具有顯著的實際意義和工程價值。本文結(jié)合線網(wǎng)中心大廈深基坑開挖項目，通過深基坑工程施工與鄰近地鐵樞紐結(jié)構(gòu)的相互影響分析，以及對緊鄰地鐵樞紐結(jié)構(gòu)的基坑項目的安全風(fēng)險分析和評估，確保深基坑工程的施工安全以及已建地鐵的運營安全。同時也為鄰近地鐵樞紐的深基坑工程建設(shè)積累有益資料，為類似的工程項目提供相關(guān)經(jīng)驗方法和理論依據(jù)。

1 工程背景

武漢市線網(wǎng)中心大廈項目位于光谷五路西側(cè)，神墩一路北側(cè)，擬建成為光谷地區(qū)的地標(biāo)性建筑?；悠矫娉什灰?guī)則矩形，開挖總面積約12520.4 m2，其中寬約76.1 m，長約187.9 m。地下室結(jié)構(gòu)一共三層，埋深約14.3 m，局部達到了17 m。基坑北側(cè)為規(guī)劃三泰街，西側(cè)為規(guī)劃攬月路，現(xiàn)狀為閑置空地；基坑?xùn)|側(cè)為19號線光谷五路站，基坑南側(cè)為11號線光谷五路站，均已施工完成?；?xùn)|側(cè)緊鄰該地鐵換乘車站，最小距離僅為4.0 m，基坑南側(cè)右半段與車站共用圍護結(jié)構(gòu)。

該基坑采用順筑明挖法施工，分段、分區(qū)、分層開挖?；訃o結(jié)構(gòu)采用Φ1200 mm鉆孔灌注樁單排樁，樁間距為1.8 m。支護體系采用一道水平混凝土內(nèi)支撐和一道預(yù)應(yīng)力錨桿(局部兩道)結(jié)合的方式。根據(jù)施工勘探資料，擬建場區(qū)內(nèi)無地表水系存在，地表水主要為降雨及周邊生活污水。故本次分析不考慮地下水的影響。

對于擬建場地的地質(zhì)情況，結(jié)合現(xiàn)場勘探資料和室內(nèi)土工試驗結(jié)果，土層分布如圖1所示，土層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 基坑剖面和土層分布示意/mm

表1 土層力學(xué)參數(shù)

2 計算模型

本文通過有限差分軟件FLAC 3D進行數(shù)值模擬。FLAC 3D是一款巖土工程軟件，主要應(yīng)用于求解巖土工程問題。它與有限元方法重點不同的是采用“混合離散法[8]”來模擬材料的塑性破壞和流動，它的計算結(jié)果更趨于準(zhǔn)確，一般的有限元方法中主要采用“離散集成法”，“混合離散法”在進行靜態(tài)分析模擬時，也選擇采取動態(tài)運動方程進行求解運算，F(xiàn)LAC 3D在進行物理上的不穩(wěn)定分析的時候，不會存在數(shù)值上的分析障礙[9,10]。

根據(jù)施工場地范圍內(nèi)的土層地質(zhì)特性，選用Mohr-coulomb模型表述土體力學(xué)性能。對于模型邊界條件的設(shè)置，在模型左右兩側(cè)(x=0，x=570 m；y=0，y=470 m)和模型底部(z=0)設(shè)置法向約束，而在模型上部邊界(z=30 m)則設(shè)為自由。在進行數(shù)值模擬分析之前，構(gòu)建初始施工場地，進行土體的固結(jié)，并使土體在自重應(yīng)力下平衡，進而得到在施工之前的原始地應(yīng)力場。

由于地鐵車站為已建成結(jié)構(gòu)，故此處進行數(shù)值分析時僅模擬基坑的施工過程對臨近地鐵樞紐結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)施工方案依次進行基坑圍護結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖架設(shè)內(nèi)支撐體系、地下室結(jié)構(gòu)回填修筑。本文建立了包括線網(wǎng)中心大廈基坑、鄰近地鐵光谷五路車站建筑物結(jié)構(gòu)和周邊一定土體范圍地質(zhì)分布在內(nèi)的三維數(shù)值模型。如圖2，3所示。

圖2 三維數(shù)值整體模型

圖3 地鐵車站與基坑支護體系的三維模型

3 結(jié)果分析

本文分析了隨著深基坑的開挖，緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)的新增位移和附加應(yīng)力。

為了更準(zhǔn)確地分析地鐵車站結(jié)構(gòu)在基坑施工過程中的變形發(fā)展過程以及評估深基坑工程的穩(wěn)定性和安全性，計算時對地鐵車站不同截面上和基坑支護結(jié)構(gòu)部分關(guān)鍵點的變形進行了監(jiān)測記錄，主要監(jiān)測了緊鄰地鐵車站水平和豎向位移、基坑工程圍護樁頂水平和豎向位移以及周邊地表沉降。監(jiān)測點的布置如圖4所示。

圖4 基坑監(jiān)測點布置分布/m

3.1 地鐵結(jié)構(gòu)新增水平位移分析

隨著基坑工程的施工，土方開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)導(dǎo)致地鐵車站的水平側(cè)向變形為主要變形，且地鐵車站產(chǎn)生的水平位移方向為朝向基坑內(nèi)側(cè)方向。圖5，6表示了地鐵車站最大水平位移云圖，即對應(yīng)于基坑開挖至基底工況。從圖中可以看出，地鐵車站結(jié)構(gòu)水平x向最大位移發(fā)生在緊鄰基坑?xùn)|側(cè)區(qū)間中間部分，最大水平x向位移為1.75 mm，方向朝向基坑內(nèi)側(cè)；地鐵車站結(jié)構(gòu)水平y(tǒng)向最大位移發(fā)生在與基坑南側(cè)共用圍護結(jié)構(gòu)部分，且位于基坑圍護結(jié)構(gòu)與地鐵圍護結(jié)構(gòu)連接處，最大水平y(tǒng)向位移為1.38 mm，方向朝向基坑內(nèi)側(cè)。

圖5 開挖至基底時地鐵車站x向位移云圖

圖6 開挖至基底時地鐵車站y向位移云圖

由圖可知，與基坑x，y向平行的地鐵車站結(jié)構(gòu)的水平位移均較小。這是因為地鐵車站與基坑開挖的卸荷方向垂直，因而基坑的開挖卸載效應(yīng)造成的水平位移影響很小。深基坑的開挖施工對地鐵車站遠離基坑部分位移影響較小，且均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，這也說明深基坑工程施工主要對鄰近基坑側(cè)地鐵車站有影響。

由數(shù)值分析結(jié)果可知，水平向x向最大位移發(fā)生在緊鄰基坑?xùn)|側(cè)區(qū)間位置，對應(yīng)于監(jiān)測點J24～J26?，F(xiàn)選取監(jiān)測點J24～J26進行分析，墻頂水平位移隨施工工況變化曲線如圖7～9所示。在采集數(shù)據(jù)時，根據(jù)前述模擬施工工況選取相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行分析。

圖7 J24隨施工工況水平位移變化

圖8 J25隨施工工況水平位移變化

圖9 J26隨施工工況水平位移變化

根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理可知，地鐵車站結(jié)構(gòu)最大水平x向位移為1.81 mm，該值與模擬結(jié)果較為接近。由圖可知，隨著基坑開挖深度和面積的增大，土體卸荷量增大，土體的卸荷效應(yīng)也更加顯著，隨之導(dǎo)致的車站結(jié)構(gòu)水平位移也增大，基坑開挖至底部時卸荷量最大，此時車站結(jié)構(gòu)的水平位移也達到最大值。而向上回填修筑地下室結(jié)構(gòu)的過程中，由于地下室結(jié)構(gòu)自重及施工荷載對基坑底部起到了一個向下反向加載的過程，基坑施工所引起地鐵車站結(jié)構(gòu)的水平位移有減小并逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，但可以從圖中看到，在工況12即拆除水平支撐時，地鐵車站結(jié)構(gòu)水平位移有一定的增加趨勢，這是因為在拆除支撐時，瞬間釋放出很大的應(yīng)力，造成地鐵車站產(chǎn)生一定的變形，因此在施工中拆除水平支撐的時候也需要嚴(yán)加注意。

地鐵車站水平y(tǒng)向最大位移發(fā)生在基坑南側(cè)與地鐵車站共用圍護結(jié)構(gòu)部分，現(xiàn)選取地鐵車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測點J7，J8，J11進行分析，墻頂水平位移隨施工工況變化的曲線如圖10～12所示。

圖10 J7隨施工工況水平位移變化

圖11 J8隨施工工況水平位移變化

圖12 J11隨施工工況水平位移變化

根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理可知，地鐵車站結(jié)構(gòu)最大水平y(tǒng)向位移為1.36 mm，這亦與模擬結(jié)果較接近。地鐵車站結(jié)構(gòu)水平y(tǒng)向位移與x向位移變化趨勢相似，都是隨著基坑開挖深度和面積的增大逐漸提高。當(dāng)基坑開挖到底部時，水平y(tǒng)向位移也達到最大值。而向上修筑地下室的過程中，基坑施工的加載效應(yīng)導(dǎo)致地鐵車站結(jié)構(gòu)的y向水平位移也減小并趨于穩(wěn)定。

3.2 地鐵結(jié)構(gòu)新增豎向位移分析

圖13為基坑開挖到坑底工況下地鐵車站結(jié)構(gòu)最大豎向位移云圖。從圖可以看出，由于線網(wǎng)中心大廈基坑位于鄰近的地鐵車站結(jié)構(gòu)的側(cè)上方，基坑的開挖卸荷作用導(dǎo)致地鐵車站結(jié)構(gòu)在靠近基坑的部分產(chǎn)生輕微豎向隆起，而在遠離基坑部分出現(xiàn)了微小沉降。由圖可知，豎向最大位移為0.93 mm，且最大沉降發(fā)生在基坑圍護結(jié)構(gòu)與地鐵車站連接部分，即圖中紅色區(qū)域。繪制了監(jiān)測點J7和J8處墻頂豎向位移隨施工工況變化曲線，如圖14，15所示。

圖13 開挖至基底時地鐵車站z向位移云圖

圖14 J7隨施工工況豎向位移變化

圖15 J8隨施工工況豎向位移變化

由實際監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析可知，地鐵車站最大豎向位移為1.02 mm。數(shù)值模擬結(jié)果與基坑實測數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同。隨著基坑開挖深度的增加，基坑施工導(dǎo)致的地鐵車站結(jié)構(gòu)的豎向變形量也逐漸增大；當(dāng)開挖到基坑底部時，豎向位移量也達到最大；在向上回填修筑地下室結(jié)構(gòu)時，由于加載效應(yīng)導(dǎo)致地鐵車站結(jié)構(gòu)的豎向位移減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

由對比分析結(jié)果可知：深基坑工程施工主要引起緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)在鄰近基坑一側(cè)產(chǎn)生水平和豎向的土體卸載，由于土壓力的作用，使得地鐵車站結(jié)構(gòu)朝向基坑內(nèi)部方向產(chǎn)生一定程度的水平和豎向位移。但地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移變化主要以水平側(cè)向位移為主。地鐵車站結(jié)構(gòu)受緊鄰深基坑工程施工的影響，結(jié)構(gòu)的水平位移及豎向位移均隨著基坑開挖土方量增加而不斷增大，直至開挖至基底時達到最大。而地下室的修筑相當(dāng)于在地鐵結(jié)構(gòu)的另一側(cè)重新加載，使得地鐵結(jié)構(gòu)水平位移背離基坑一側(cè)有所增大。但由于整體開挖土方量遠大于地下室回填土方量，且地鐵車站變形主要為塑性變形不可恢復(fù)，所以地下室回填修筑對地鐵車站結(jié)構(gòu)的整體影響效果并不明顯。

無論是實際監(jiān)測數(shù)據(jù)還是數(shù)值模擬均顯示本基坑施工引起地鐵結(jié)構(gòu)變形的絕對值較小，經(jīng)分析可能存在以下原因：(1)由于地鐵工程的特殊性，規(guī)范關(guān)于地鐵周邊各種工程施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響有著嚴(yán)格的規(guī)定，本項目基坑緊鄰地鐵車站，設(shè)計要求地鐵車站的變形需嚴(yán)格控制在10 mm之內(nèi)，故設(shè)計決定了變形值在較小范圍內(nèi)；(2)該基坑地貌類型為長江Ⅲ級階地，土質(zhì)較好，地下水類型為少量上層滯水，基本無水害，變形較易控制。

3.3 地鐵結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力分析

深基坑工程的施工不僅會導(dǎo)致緊鄰地鐵車站產(chǎn)生一定程度的變形和周邊土體的變化，而且由于坑內(nèi)土體大規(guī)模卸載、土體應(yīng)力的大量釋放，使得周邊應(yīng)力場也產(chǎn)生了顯著變化，從而在地鐵車站部位產(chǎn)生附加應(yīng)力。圖16～18為地鐵車站最大附加應(yīng)力云圖，即基坑開挖到底部時的附加應(yīng)力云圖。

圖16 開挖至基底時地鐵車站x向附加應(yīng)力云圖

圖17 開挖至基底時地鐵車站y向附加應(yīng)力云圖

圖18 開挖至基底時地鐵車站z向附加應(yīng)力云圖

從圖中可以看到地鐵車站結(jié)構(gòu)x，y，z向最大附加應(yīng)力分別為2.24，2.96，3.26 kPa。綜上所述，在基坑施工全過程中，地鐵車站結(jié)構(gòu)三個方向的應(yīng)力均有增加，但增幅不大，基本可以控制在3.50 kPa以內(nèi)。由此可以看出，深基坑施工引起的地鐵車站附加應(yīng)力及其變化幅度均較小，在一般情況下，對緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響不大，不會造成結(jié)構(gòu)的破壞。

4 結(jié) 論

以武漢地鐵光谷五路站及線網(wǎng)中心大廈基坑工程為依托利用FLAC 3D有限元軟件進行了大規(guī)模基坑開挖對緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)位移、變形的影響研究，并結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形以水平變形為主，豎向變形較小。開挖至基坑底部時，水平和豎向變形量達到最大值；此后向上回填修筑地下室過程中，地鐵車站結(jié)構(gòu)變形量逐漸減小并趨于穩(wěn)定。地鐵車站的位移主要由基坑開挖產(chǎn)生，而地下室結(jié)構(gòu)的回填修筑對地鐵車站結(jié)構(gòu)的位移影響較小。

(2)本工程基坑?xùn)|側(cè)區(qū)間緊鄰地鐵車站，而基坑南側(cè)部分區(qū)間與地鐵車站共用圍護結(jié)構(gòu)。在上述區(qū)段內(nèi)，地鐵車站結(jié)構(gòu)的水平位移最大，在施工中需要嚴(yán)加注意?；邮┕に鶎?dǎo)致的地鐵車站的最大水平側(cè)向位移數(shù)值結(jié)果為1.75 mm，實測結(jié)果為1.81 mm；最大豎向隆起量數(shù)值結(jié)果為0.93 mm，實測結(jié)果為1.02 mm。通過數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，二者結(jié)果較吻合，這也說明了數(shù)值建模的合理性。

(3)在基坑施工全過程中，地鐵車站結(jié)構(gòu)三個方向的應(yīng)力均有增加，但整體增加幅度不大，最大值均發(fā)生在基坑開挖至底部階段?；邮┕ふT發(fā)緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力增量可以控制在3.5 kPa以內(nèi)。

綜上所述，可認為鄰近基坑開挖會造成緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的水平位移和豎向位移，并將造成緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生一定程度的改變，但整體位移量較小，應(yīng)力增量較小，在正常施工條件下，線網(wǎng)中心大廈基坑施工不危及鄰近地鐵車站的安全運行。