上下同步逆作法深基坑及鄰近地鐵車站變形分析

王 耀，李 兵，楊家新，王小華，金紅柳

(1 北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，北京 100101；2 北京城投地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，北京 100084；3 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

城市建設(shè)高速發(fā)展，城市中心區(qū)域地下結(jié)構(gòu)分布錯(cuò)綜復(fù)雜，新的基坑工程施工往往存在場(chǎng)地狹窄、周邊環(huán)境復(fù)雜、變形控制嚴(yán)格等問(wèn)題，因此對(duì)基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提出了新的挑戰(zhàn)[1-5]。逆作法作為一種新型的基坑施工方法，不同于傳統(tǒng)順作法——先基坑開(kāi)挖再地下結(jié)構(gòu)的施工順序，它是每開(kāi)挖一定深度后，澆筑地下結(jié)構(gòu)的永久梁板以代替臨時(shí)支撐，基坑開(kāi)挖結(jié)束時(shí)地下結(jié)構(gòu)也同時(shí)完成。逆作法的支撐系統(tǒng)由主體結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻、梁板、柱等組成，不用拆卸，剛度大，變形小，有利于節(jié)省開(kāi)支和減小對(duì)周邊環(huán)境的影響[6-8]。上下同步逆作法是一種特殊形式的逆作法，這種施工方法先施工界面層，然后向下逆作地下結(jié)構(gòu)的同時(shí)，向上順作地上結(jié)構(gòu)，如此可縮短工期。逆作時(shí)上部結(jié)構(gòu)可施工的層數(shù)，需要根據(jù)樁基的布置和承載力及上部建筑荷載等確定[9]。這種上下同步逆作法盡管優(yōu)點(diǎn)突出，但是也面臨著諸多問(wèn)題，上下同步施工逆作法相關(guān)的技術(shù)和理論還有待深入研究[10-11]。

在上下同步逆作法條件下，基坑設(shè)計(jì)和施工時(shí)不僅要考慮鄰近建筑物對(duì)基坑的影響,保證基坑開(kāi)挖和主體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的安全；還要考慮基坑對(duì)鄰近建筑物的影響，防止基坑過(guò)大變形導(dǎo)致鄰近建筑物發(fā)生過(guò)大變形而破壞。因此，合理地預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)基坑工程及其對(duì)鄰近建筑物的影響非常重要。本文以北京地區(qū)蘇州街項(xiàng)目為背景，運(yùn)用PLAXIS 3D有限元軟件對(duì)上下同步施工全過(guò)程進(jìn)行模擬，分析上下同步逆作法基坑工程受力變形特性及其對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

蘇州街項(xiàng)目位于北京市海淀區(qū)蘇州街路和海淀南路交界處東南象限，建設(shè)用地面積6 180m2。工程分兩期進(jìn)行，一期工程為地上23層，建筑高度75m，地下5層，基坑?xùn)|西向最大寬度62.05m，南北向最大長(zhǎng)度46.3m，基坑深25m，采用上下同步逆作法施工；二期基坑工程只有地下5層，東西向最大寬度20.1m，南北向最大長(zhǎng)度103.52m，基坑深25m，采用蓋挖逆作法施工?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用1m厚地下連續(xù)墻，核心筒結(jié)構(gòu)采用0.8m厚地下連續(xù)墻，地下1層頂板厚0.5m，地下2～4層頂板厚0.25m，地下5層頂板厚0.6m，基礎(chǔ)底板厚1.5m。豎向支撐采用一柱一樁，由φ800×30鋼管混凝土柱和φ1 500混凝土灌注樁組成，樁長(zhǎng)28m，樁基平面布置圖及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。鋼管混凝土柱鋼材等級(jí)為Q355B，內(nèi)填混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60。混凝土灌注樁鋼筋等級(jí)為HRB400，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

圖1 樁基平面布置圖及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

本項(xiàng)目周邊建構(gòu)筑物眾多，北側(cè)距離既有地鐵10號(hào)線蘇州街站(M10)約18m，西側(cè)距離在建地鐵16號(hào)線蘇州街站(M16)約8m，南側(cè)鄰近3棟1層磚混建筑，距離基坑凈距約4m；東側(cè)鄰近15層住宅樓，距離基坑凈距約24m。此外，基坑周邊還同時(shí)存在很多重要的市政管線，基坑工程對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)的要求嚴(yán)格，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

本項(xiàng)目選用上下同步逆作法施工，先施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)和豎向支撐結(jié)構(gòu)，再施工地下1層頂板，以地下1層頂板作為施工界面層，待地下2層頂板強(qiáng)度達(dá)到100%后，開(kāi)始地上部分施工，地下施工完畢時(shí)地上結(jié)構(gòu)也施工至15層，此后繼續(xù)施工地上15層以上樓層，直至施工結(jié)束。其具體施工步序如下：

第一步：施工圍擋結(jié)構(gòu)并平整場(chǎng)地，施工核心筒地下連續(xù)墻和一樁一柱工程。

第二步：明挖土方至地下1層頂板底以下(距地表1m)，施工地下1層頂板，待地下1層頂板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后，繼續(xù)開(kāi)挖基坑至地下2層頂板底以下(距地表6m)。

第三步：施工地下2層頂板，待地下2層頂板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后，施工地上1，2層結(jié)構(gòu)，同時(shí)繼續(xù)開(kāi)挖基坑到地下3層頂板底以下(距地表10m)。

第四步：施工地下3層頂板，待地下3層頂板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后，施工地上3～5層結(jié)構(gòu)，同時(shí)繼續(xù)開(kāi)挖基坑到地下四層頂板底以下(距地表14m)。

第五步：施工地下4層頂板，待地下4層頂板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后，施工地上5～10層結(jié)構(gòu)，同時(shí)繼續(xù)開(kāi)挖基坑到地下5層頂板底以下(距地表18m)。

第六步：施工地下5層頂板，待地下5層頂板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后，施工地上10～15層結(jié)構(gòu)，同時(shí)開(kāi)挖基坑到坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高(距地表25m)，施工基礎(chǔ)底板。

土體的小應(yīng)變硬化模型計(jì)算參數(shù) 表1

第七步：待基礎(chǔ)底板完全封閉，地下結(jié)構(gòu)完全施工完畢后，開(kāi)始施工地上16～23層結(jié)構(gòu)。

2 有限元數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型建立

數(shù)值計(jì)算選用巖土類有限元軟件PLAXIS 3D進(jìn)行[12]。數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，豎向長(zhǎng)度取70m，與地鐵10號(hào)線平行方向長(zhǎng)度取350m，與地鐵10號(hào)線垂直方向長(zhǎng)度取450m?；由疃葹?5m，基坑各向距離模型邊界的距離都滿足大于3倍開(kāi)挖深度的要求。取地表為自由邊界，其他五個(gè)面均約束其法向變形。模型中土體單元采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，地鐵墻板、地下連續(xù)墻、樓板、剪力墻均采用二維板單元，立柱采用一維梁?jiǎn)卧瑯痘A(chǔ)采用PLAXIS 3D特有的Embedded樁單元，結(jié)構(gòu)與土的相互作用采用接觸面單元，共有181 010個(gè)單元，323 486個(gè)節(jié)點(diǎn)。工程結(jié)構(gòu)及鄰近地鐵車站有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

圖2 蘇州街項(xiàng)目及相鄰地鐵車站的計(jì)算模型

圖3 地下結(jié)構(gòu)及相鄰地鐵車站的有限元網(wǎng)格

2.2 模型參數(shù)

基于開(kāi)挖卸荷等條件下土的變形特性，計(jì)算中選用小應(yīng)變土體硬化模型(HS-Small)。該模型能反映土的壓硬性，能區(qū)分加荷和卸荷，而且其剛度是依賴于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑的，同時(shí)也能反映土的剪脹性，而且還考慮了土在小應(yīng)變時(shí)的剛度非線性變化的特征，是工程界比較認(rèn)可的適用于基坑工程的本構(gòu)模型[13]。場(chǎng)地勘探范圍(地表至地下70m)內(nèi)的土層劃分自上而下依次為：①人工填土，②粉質(zhì)黏土，③卵石，④粉質(zhì)黏土，⑤卵石，⑥粉質(zhì)黏土，⑦卵石，各土層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

立柱為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算中采用線彈性模型模擬，彈性模量根據(jù)鋼材和混凝土彈性模量按面積加權(quán)得出；除此之外的其他結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算中也采用線彈性模型模擬，彈性模量近似取混凝土模量，結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)如表2所示。工程中結(jié)構(gòu)和土體之間可以發(fā)生脫開(kāi)、滑移、錯(cuò)位等非連續(xù)性變形現(xiàn)象，計(jì)算中采用接觸面單元模擬，界面折減參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 有限元分析過(guò)程

有限元分析過(guò)程 表3

分析過(guò)程與實(shí)際施工過(guò)程一致，如表3所示。

結(jié)構(gòu)材料的計(jì)算參數(shù) 表2

計(jì)算中土體開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)施工利用軟件中的激活和鈍化單元功能實(shí)現(xiàn)。擬建場(chǎng)地地下水水位絕對(duì)標(biāo)高約為35m，基坑開(kāi)挖深度約25m，坑底絕對(duì)標(biāo)高約為25m，潛水面位于基底以上，該層水對(duì)基坑開(kāi)挖、基坑變形及支護(hù)體系穩(wěn)定性等均有不利影響，容易在側(cè)壁出現(xiàn)涌水、流砂等現(xiàn)象，須采取降水措施。PLAXIS 3D自帶滲流計(jì)算模塊，通過(guò)設(shè)置合適的土層系數(shù)可以合理模擬基坑降水過(guò)程，計(jì)算中每開(kāi)挖一層土地下水同步降至坑底下1m處，各土層滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

2.4 有效性驗(yàn)證

工程中采用自平衡法對(duì)試樁進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn),試樁位置見(jiàn)圖1。采用2.1節(jié)有限元模型和2.2節(jié)參數(shù)對(duì)此試樁試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4中可以看出，試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果較為一致，說(shuō)明有限元模型和參數(shù)的選取能夠合理模擬此工程中立柱和樁的豎向承載變形特性。

圖4 試樁荷載-位移曲線實(shí)測(cè)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比

圖5、圖6分別為地下連續(xù)墻水平位移和墻后地表沉降的實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比(測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1)?？梢园l(fā)現(xiàn)，地下連續(xù)墻水平位移和墻后地表沉降的實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果都非常接近，這說(shuō)明有限元模型和參數(shù)的選取可以較好地模擬本工程地下連續(xù)墻和墻后土體的響應(yīng)。

圖5 地下連續(xù)墻水平位移實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖6 墻后地表沉降實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地下連續(xù)墻受力變形

當(dāng)基坑內(nèi)土體開(kāi)挖時(shí)，地下連續(xù)墻因兩側(cè)土壓力差而產(chǎn)生側(cè)向位移，為保證基坑和鄰近結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)嚴(yán)格控制地下連續(xù)墻水平位移。蘇州街項(xiàng)目第三方監(jiān)測(cè)方案綜合考慮各類因素和要求確定的地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測(cè)控制值為20mm。圖7為地下連續(xù)墻水平位移云圖?？梢钥闯觯科叵逻B續(xù)墻水平位移都表現(xiàn)出中間大、邊緣小的特點(diǎn)，這是因?yàn)檫吔切?yīng)對(duì)地下連續(xù)墻水平位移的限制作用所致。一期地下連續(xù)墻最大水平位移為18.6mm，二期地下連續(xù)墻最大水平位移為15.8mm，均滿足要求。

分別提取一期和二期基坑變形最大剖面(在圖7中虛線標(biāo)出的位置)的地下連續(xù)墻水平位移，如圖8所示?？梢钥闯?，地下連續(xù)墻水平位移在深度方向上呈現(xiàn)中間大、兩頭小的曲線變形特征；地下連續(xù)墻水平位移隨開(kāi)挖深度增大而增大，最大水平位移在(0.06%～0.1%)的開(kāi)挖深度范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[5]中總結(jié)的各類基坑實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這說(shuō)明本工程的地下連續(xù)墻水平位移被有效控制；最大水平位移位置隨開(kāi)挖深度增大而逐漸下移。

空間上地下連續(xù)墻彎矩分布與水平位移分布趨勢(shì)相同，因?yàn)檫吔切?yīng)，每片地下連續(xù)墻彎矩沿寬度方向也表現(xiàn)出中間大、邊緣小的特點(diǎn)。一期地下連續(xù)墻每延米最大彎矩約為990kN·m，二期地下連續(xù)墻每延米最大彎矩約為798kN·m，地下連續(xù)墻最大彎矩出現(xiàn)的剖面與地下連續(xù)墻最大水平位移出現(xiàn)的剖面重合。分別提取一期和二期基坑變形最大剖面(在圖7中用虛線標(biāo)出的位置)的彎矩分布，如圖9所示。從圖9可以看出，隨著開(kāi)挖深度增加，地下連續(xù)墻最大彎矩不斷增大，最大彎矩所在位置逐漸往下移動(dòng)，與最大水平位移所在位置接近。值得注意的是，在工況7開(kāi)挖完成時(shí)，坑底處出現(xiàn)了比較大的負(fù)彎矩，這是因?yàn)榇藭r(shí)墻體的水平位移很大，底板和坑底土體約束了地下連續(xù)墻的變形，因此出現(xiàn)了比較大的負(fù)彎矩。

圖7 地下連續(xù)墻水平位移云圖/mm

圖8 地下連續(xù)墻典型剖面水平位移分布

圖9 地下連續(xù)墻典型剖面每延米彎矩分布

對(duì)比一期和二期地下連續(xù)墻水平位移和彎矩可以發(fā)現(xiàn)，工況3時(shí)，二者結(jié)果完全相同；工況5時(shí)，一期地下連續(xù)墻最大水平位移和最大彎矩分別比二期大10%和18%；工況7時(shí)，一期地下連續(xù)墻最大水平位移和最大彎矩分別比二期大15%和25%。這是因?yàn)楣r3時(shí)，一、二期工程都沒(méi)有施工上部結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻受力相同，而到工況5和工況7時(shí)，一期工程分別完成了地上5層和15層結(jié)構(gòu)的施工，上部結(jié)構(gòu)施加的豎向荷載作用于地下連續(xù)墻，從而改變了地下連續(xù)墻的受力狀態(tài)。豎向荷載與水平荷載耦合作用會(huì)增大地下連續(xù)墻水平位移和彎矩，所以在進(jìn)行上下同步逆作法基坑施工時(shí)要合理安排上部結(jié)構(gòu)的施工速度，避免基坑地下連續(xù)墻承受過(guò)大的豎向荷載而產(chǎn)生破壞。

3.2 墻后土體沉降

地下連續(xù)墻變形會(huì)引起墻后土體變形，其中最受關(guān)注的就是土體沉降，蘇州街項(xiàng)目第三方監(jiān)測(cè)方案綜合考慮各類因素和要求確定的墻后地表沉降控制值為30mm。開(kāi)挖完成時(shí)，墻后土體最大沉降為18mm，符合變形控制要求。沿墻后地表最大沉降所在位置做剖面，研究基坑兩側(cè)地表沉降規(guī)律，如圖10所示，此時(shí)基坑兩側(cè)地下連續(xù)墻的最大位移均大致為16mm。從圖10中可以看出，基坑兩側(cè)的沉降曲線均為凹槽形，但地鐵車站的存在明顯改變了墻后土體的沉降范圍。

圖10 工況8典型剖面土體豎向位移云圖/mm

圖11給出了不同工況下基坑兩側(cè)地表沉降曲線，在靠近地鐵車站一側(cè)用虛線給出了車站兩側(cè)邊界。遠(yuǎn)離地鐵車站一側(cè)，隨開(kāi)挖深度增加，地表沉降量和沉降范圍逐漸增大，地表最大沉降約為0.6H(H為基坑開(kāi)挖深度)，沉降范圍大致為2H，最大沉降位置不變，約在地下連續(xù)墻后7m處。在靠近地鐵車站一側(cè)，由于車站遮蔽作用，沉降在靠近地鐵車站后迅速減?。辉谲囌径蝺?nèi)，由于車站底部土體輕微隆起，車站也隨之隆起，導(dǎo)致車站上覆土體沉降減小，而越過(guò)車站后，土體沉降略有增大，此現(xiàn)象在車站距離基坑更近、埋深更大時(shí)會(huì)更為明顯?？拷罔F車站一側(cè)，隨著開(kāi)挖深度增加，由于車站遮蔽作用沉降范圍基本不變，由車站所在位置決定，最大沉降位置不變，但最大沉降量約為0.7H，比無(wú)地鐵車站時(shí)大17%。這是因?yàn)?，在基坑兩?cè)地下連續(xù)墻水平位移幾乎相同的條件下，墻后土體的地層損失相近，有地鐵一側(cè)由于地鐵遮蔽作用，土體沉降范圍減小，為保證位移協(xié)調(diào)，沉降區(qū)內(nèi)的土體變形必然會(huì)增大。這一現(xiàn)象在基坑施工過(guò)程中需特別關(guān)注，避免產(chǎn)生過(guò)大沉降，從而危害周圍的建筑。

圖11 不同工況下基坑兩側(cè)地表沉降曲線

3.3 立柱樁豎向變形

采用上下同步逆作法施工時(shí)，立柱和樁基施工先于基坑開(kāi)挖進(jìn)行?；娱_(kāi)挖時(shí)，土體應(yīng)力釋放導(dǎo)致坑底回彈，帶動(dòng)立柱和樁基隆起，而隨著結(jié)構(gòu)施工，柱身可能會(huì)承受上部荷載，產(chǎn)生沉降。逆作法中為保證結(jié)構(gòu)梁板安全，必須控制立柱以及立柱與地下連續(xù)墻之間的豎向差異位移。蘇州街項(xiàng)目第三方監(jiān)測(cè)方案綜合考慮各類因素和要求確定的立柱豎向位移控制值為20mm，立柱以及立柱與地下連續(xù)墻之間的豎向差異位移控制值為15mm。

圖12給出了不同工況下地下1層頂板豎向位移云圖，其中立柱位置在圖中用黑點(diǎn)標(biāo)出，此處頂板豎向位移即為立柱豎向位移(因?yàn)榱⒅敹伺c地下1層頂板固接)?？梢钥闯鰷\層土體開(kāi)挖階段(工況3)，上部結(jié)構(gòu)尚未施工，一、二期立柱均以隆起為主；隨著開(kāi)挖深度增加，坑底土體卸載效果不斷增強(qiáng)，無(wú)上部結(jié)構(gòu)的二期立柱隆起不斷增大，而一期立柱則隨上部結(jié)構(gòu)施工由隆起逐漸轉(zhuǎn)為沉降。

圖12 不同工況下地下1層頂板豎向位移云圖/mm

開(kāi)挖過(guò)程中，立柱最大豎向位移發(fā)生在二期基坑中部位置，最大豎向差異位移發(fā)生在一期基坑核心筒地下連續(xù)墻附近的兩根立柱之間，具體位置在圖12(c)中分別用實(shí)線和虛線框標(biāo)出。圖13給出開(kāi)挖過(guò)程中立柱最大豎向位移和差異位移的變化曲線?？梢钥闯隽⒅畲筘Q向位移和差異位移隨開(kāi)挖深度增大不斷增大，最大值分別為19.1mm和11.3m，符合要求。

圖13 開(kāi)挖過(guò)程中立柱豎向位移及差異位移變化曲線

3.4 既有地鐵車站變形

開(kāi)挖打破了基坑周圍土體的原有應(yīng)力平衡，周圍土體發(fā)生變形，從而導(dǎo)致鄰近地鐵車站發(fā)生附加變形。為了不影響車站安全和正常使用，需嚴(yán)格控制開(kāi)挖導(dǎo)致的地鐵車站變形。蘇州街項(xiàng)目第三方監(jiān)測(cè)方案綜合考慮各類因素和要求確定的地鐵車站水平和豎向附加位移控制值為5mm，結(jié)構(gòu)坡度控制值為1/2 500。圖14給出了地鐵車站最大位移隨基坑開(kāi)挖深度變化?？梢钥闯觯罔F車站M10距離基坑邊緣相對(duì)較遠(yuǎn)，基坑施工對(duì)結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小，最大水平位移和沉降分別為1.23mm和2.2mm,對(duì)結(jié)構(gòu)安全構(gòu)不成威脅。而新建的地鐵車站M16離基坑邊緣較近，基坑施工對(duì)其影響較大，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加位移比地鐵車站M10大很多，分別為3.5mm和4.7mm，小于規(guī)范的預(yù)警值。此外，從圖14還能看出，此工程地鐵結(jié)構(gòu)的最大變形與基坑開(kāi)挖深度近似呈線性正相關(guān)。

圖14 鄰近地鐵車站位移隨基坑開(kāi)挖深度變化曲線

圖15給出了工況7下兩個(gè)地鐵車站的網(wǎng)格變形。從圖15可以看出，M10主體結(jié)構(gòu)的變形形式較為簡(jiǎn)單，主要表現(xiàn)為整體向坑內(nèi)的水平位移和整體向下的沉降，軸線上的差異位移不明顯。M16主體結(jié)構(gòu)的變形形式則非常復(fù)雜，軸向上，因?yàn)檫h(yuǎn)離基坑M16二段的嵌固作用，鄰近基坑的M16一段的變形從自由端沿軸線逐漸減小，至與M10交叉端時(shí)幾乎為零，軸向上最大差異變形約為5mm，結(jié)構(gòu)最大坡度為0.125/2 500，符合變形控制的要求。圖16給出了M16變形最大橫截面的位移變化。從圖16(a)可以看出，隨基坑開(kāi)挖深度增加，側(cè)板沿深度方向上雖然略有彎曲，但總體上表現(xiàn)出向坑內(nèi)的整體變形，而且車站兩側(cè)板的水平位移分布幾乎相同，這說(shuō)明M16車站結(jié)構(gòu)橫截面上的水平變形主要為向坑內(nèi)的剛性移動(dòng)；從圖16(b)可以看出，隨基坑開(kāi)挖深度增加，坑底及周圍土體隆起增大，帶動(dòng)車站底板近基坑側(cè)的隆起，而由于地鐵車站的遮蔽作用，使得車站底板遠(yuǎn)離基坑側(cè)的變形很小，車站底板變形主要表現(xiàn)為差異沉降，而且頂、底板的豎直位移曲線幾乎重合，這說(shuō)明M16車站結(jié)構(gòu)橫截面上的豎直變形為繞一點(diǎn)的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)點(diǎn)與底板遠(yuǎn)離基坑的側(cè)邊接近。地鐵結(jié)構(gòu)的尺寸、埋深、距離基坑邊緣的距離、基坑施工方法等都會(huì)影響地鐵結(jié)構(gòu)的變形量和變形形式。

圖15 工況7下鄰近地鐵車站網(wǎng)格變形

圖16 不同工況下M16主體結(jié)構(gòu)位移分布曲線

4 結(jié)論

(1)一期地下連續(xù)墻水平位移和最大彎矩比二期地下連續(xù)墻大，這是因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)施加的豎向荷載與地下連續(xù)墻所受的水平荷載耦合作用會(huì)改變地下連續(xù)墻的受力狀態(tài)，增大其變形和彎矩。上下同步逆作法基坑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理安排上部結(jié)構(gòu)施工速度，避免基坑地下連續(xù)墻承受過(guò)大的豎向荷載而產(chǎn)生破壞。

(2)無(wú)地鐵車站側(cè)的地表沉降曲線為凹槽形，隨開(kāi)挖深度增加，地表沉降量和沉降范圍逐漸增大，地表最大沉降約為0.6H，沉降范圍大致為2H，最大沉降位置不變。由于車站遮蔽作用，隨開(kāi)挖深度增加，有地鐵車站側(cè)的地表沉降范圍基本不變，最大沉降量約為0.7H，比無(wú)地鐵車站一側(cè)大17%。

(3)隨開(kāi)挖深度增加，坑底土體卸載效果不斷增強(qiáng)，無(wú)上部荷載的二期立柱隆起隨坑底隆起不斷增大，而一期立柱則在坑底隆起和上部結(jié)構(gòu)加載共同作用下由隆起逐漸轉(zhuǎn)為沉降。

(4)地鐵結(jié)構(gòu)埋深和距基坑邊緣的距離對(duì)結(jié)構(gòu)變形量和變形形式影響顯著：M10距離基坑遠(yuǎn)，埋深淺，變形量小，為整體向坑內(nèi)的水平位移和整體向下的沉降；M16距離基坑近，埋深大，變形量大，橫截面上表現(xiàn)為向坑內(nèi)的剛性水平移動(dòng)和繞一點(diǎn)向上的剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，軸向上位移差異明顯。地鐵結(jié)構(gòu)的最大變形與基坑開(kāi)挖深度近似呈線性正相關(guān)。

(5)本工程的地下連續(xù)墻受力變形、地表沉降、立柱豎向變形、鄰近地鐵結(jié)構(gòu)變形均控制在允許范圍內(nèi)，表明蘇州街項(xiàng)目采用的上下同步逆作法對(duì)控制基坑的變形和保護(hù)周圍環(huán)境非常有效。