基于已有實測數(shù)據(jù)的深基坑開挖對鄰近地鐵車站影響的實例簡析

徐良仲，賴小勇，李慧慧

（1.上海虹源盛世投資發(fā)展有限公司，上海 200003；2.杭州市勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

隨著城市建設的快速發(fā)展，城市地下空間日益緊張，大量的基坑工程鄰近已運營或在建的地鐵設施，地鐵設施保護區(qū)變形控制嚴格，需采取有效的手段來控制基坑的變形。

高盟等[1]基于FLAC軟件建立模擬基坑開挖過程的三維模型，分析了緊貼己運營車站基坑施工的工程實例，模擬了各種施工方式及施工參數(shù)，并進行對比分析。李偉強等[2]針對某工程深基坑與鄰近地鐵車站的相互影響，應用有限元建立巖土-結構整體計算模型，通過分析預測基坑回彈量大，開挖過程中對地鐵結構產生豎向位移較大。曾遠等[3]通過數(shù)值模擬分析，研究了張楊路地鐵車站基坑開挖時兩車站間距、源頭變形、土體彈性模量3個因素對在運營車站變形的影響；馬乾瑛等[4]運用數(shù)值仿真分析模型，研究了基坑施工過程土體應力、應變特征，分析了基坑開挖對地鐵車站結構的影響，評估了地鐵車站結構的安全性，對項目進行可行性分析，并給出了建議措施?？偟膩碇v目前的研究工作針對基坑施工過程中的模擬分析，及后續(xù)施工工況的變形增量預測涉及較少。

本文以杭州市某施工過程中的商業(yè)項目地下室基坑工程為例，利用Plaxis 3D有限元軟件，采用土體硬化（HSs）模型對其進行施工過程階段數(shù)值模擬，模擬參數(shù)取值考慮了地基土強度折減、圍護結構施工質量、時空效應、基坑既有變形等諸多問題對土體強度、圍護結構剛度等指標進行了折減。模擬結果與理正深基坑設計計算軟件進行了比較，驗證了數(shù)值分析的有效性，對類似工程有參考意義。

1 項目簡介

1.1 項目概況

項目位于杭州市轉塘鎮(zhèn)，之浦路和云河路交叉口的西北角。項目總用地面積89 303 m2，總建筑面積413 144 m2，下設3層地下室，基坑開挖深度約18.6 m，樁基采用鉆孔灌注樁基礎。

基坑北側為已建某地鐵車站站房，鄰近本基坑段車站底埋深約18.5～18.8 m。車站為地下二層島式車站，車站總建筑面積20 977 m2，車站有效站臺中心里程處軌面埋深為16.136 m，頂板覆土2.61～4.89 m，長度472.4 m，標準段寬度19.9 m。車站采用明挖順筑法施工。車站共設置3個出入口，3組風亭組，5個緊急疏散口。車站北側設外掛地下一層附屬一個。A、C出入口、1～3號疏散口已施工完成并已回填。本基坑圍護樁與地鐵站房地墻凈距最小約4 m，與已建成附屬結構凈距最小約3.3 m，見圖1。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Schematic plan of foundation pit

1.2 工程地質條件

根據(jù)地質勘察報告，基坑影響深度范圍內的地基土主要為填土、黏質粉土、圓礫、淤泥質粉質黏土、角礫混粉質黏土以及其下的全風化、強風化、中風化泥質粉砂巖等。淺部除地表1.5～2 m厚的填土外，15 m深度以上均為黏質粉土，具有一定的黏粒含量，滲透系數(shù)較大但低于粉土；其降水后強度高，遇水容易引發(fā)管涌。在粉質黏土層與五層約15 m厚的淤泥質粉質黏土層之間，為一層較薄的圓礫層，約1～3 m厚。

孔隙潛水賦存于上部粉土層中，土層滲透系數(shù)為 10-5cm/s，屬較弱透水性。水位埋深為 1.10～2.40 m，年水位變幅約為1.00～1.50 m。

孔隙承壓水主要賦存于⑧-1圓礫層中。⑧?1圓礫層分布于商業(yè)地塊場地南半部，層頂埋深28.50～31.60 m，層頂高程?24.52～?20.67 m，層厚1.60～8.50 m。滲透性較好，水量較豐富，水頭高程約為2.00～4.00 m（1985國家高程基準），具有承壓水特性。

2 鄰地鐵側圍護方案

基坑緊鄰地鐵站房位置采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，其余范圍采用直徑 1 200 mm間距1 400 mm鉆孔灌注樁作為支護樁；連續(xù)套打三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕；水平受力構件為三道鋼筋混凝土水平內支撐；在基坑陽角部位、支撐與支撐間部位以及電梯坑臨邊部位增設三軸水泥攪拌樁被動區(qū)加固；在第二、第三道支撐梁上增設了鋼筋混凝土支撐板帶，以增強支撐整體剛度，見圖2。

圖2 臨地鐵側圍護墻剖面圖Fig.2 Sectional of the enclosure wall adjacent subway

3 基坑施工及變形情況

3.1 基坑施工情況

截至2019年6月，基坑已開挖至第三道支撐～14.4 m標高，三道支撐基本施工完成。

3.2 基坑變形情況

本項目基坑暴露時間太長，截止目前已超過3年，前后停工2次，分別為3個月和9個月，導致2017年10月深層土體測斜變形已超過報警值，截止 2019年 5月所有存活的測斜點監(jiān)測數(shù)據(jù)已基本超過 45 mm，部分第一道支撐軸力值超過6 000 kN，處于報警狀態(tài)。并且局部支護體系存在缺陷。

本項目監(jiān)測周期為2016年12月6日至今。根據(jù)本項目施工進度情況，分別選取7個時間節(jié)點的北側典型深層土體水平位移監(jiān)測孔（CX14～CX18）的測斜數(shù)據(jù)，各測點最大水平位移64.25～77.90 mm，具體如表1所示。

表1 北側典型深層土體水平位移監(jiān)測孔變形數(shù)據(jù)Table 1 Deformation of horizontal displacement monitoring hole for typical deep soil on the north side

選取北側典型水位監(jiān)測孔（SW5～SW9）的數(shù)據(jù)，基坑北側坑外地下水位累計變化量 1 092～3 497 mm，具體如表2所示?；觾纫咽┕傻乐屋S力累計變化量見表3，第一道撐部分測點已報警。

表2 北側典型地下水位監(jiān)測孔變化數(shù)據(jù)Table 2 Change data of typical groundwater level monitoring holes on the north side

表3 基坑典型支撐軸力監(jiān)測點變化數(shù)據(jù)Table 3 Change data of typical support axial force monitoring points of foundation pits

3.3 基坑后續(xù)施工計劃

后續(xù)將進行第三道支撐以下土方的開挖及后續(xù)拆換撐的施工。

4 基坑圍護結構計算

4.1 計算說明

本項目較之常規(guī)的地鐵安評項目有以下幾個方面的問題需引起重視，并在復核計算中有所考慮：

（1）地基土強度問題

本項目基坑與地鐵基坑間夾心土受到兩側基坑施工反復擾動導致強度折減。

（2）時空效應問題

本項目基坑暴露時間很長，基坑施工中土體的應力松弛及土體蠕變引起的應力和變形不斷變化，使得施工拖延周期較長時基坑安全性會逐漸降低。

（3）基坑變形問題

截止2019年5月所有存活的測斜點監(jiān)測數(shù)據(jù)已基本超過45 mm，處于報警狀態(tài)。

另外考慮到局部支護體系存在缺陷，本次剖面驗證復核以及后文中有限元分析計算中，需對土層參數(shù)指標、圍護結構剛度進行折減。

4.2 土層計算參數(shù)

土層計算參數(shù)見表4。

表4 各層土物理力學性質參數(shù)Table 4 Physical and mechanical properties of each soil layer

4.3 變形內力計算結果

（1）現(xiàn)場當前工況：開挖到第三道支撐底，施工第三道支撐工況變形，見圖 3。由于理正計算軟件中無法考慮時空效應，雖然對土層參數(shù)指標進行了折減，但計算結果與實測數(shù)據(jù)之間仍有一定差距。

圖3 現(xiàn)階段工況位移內力圖Fig.3 Displacement and internal force diagram of current working condition

（2）預測開挖到基坑底工況變形，見圖4。

圖4 開挖到基坑底工況位移內力圖Fig.4 Displacement and internal force diagram of excavation to the bottom of foundation pit

（3）預測支撐全部拆除完成工況變形,見圖5。

圖5 支撐全部拆除完成工況位移內力圖Fig.5 Displacement and internal force diagram of complete support removal

當前及后續(xù)各工況計算結果如表5所示。

表5 理正計算結果匯總表Table 5 Summary of Lizheng calculation results

根據(jù)上述計算結果可知，在當前施工工況（即本基坑第三道支撐施工完成）之后，后續(xù)鄰地鐵側圍護結構的水平位移增量約17 mm。

5 有限元數(shù)值模擬

采用大型商業(yè)有限元數(shù)值軟件PLAXIS 3D，建立三維有限元模型進行基坑各個階段的施工工況對地鐵車站變形的分析，分析基坑開挖時地鐵車站的位移響應。土體材料本構模型采用土體硬化（HSs模型），基坑支護結構、支撐、換撐、車站結構等采用彈性材料類型?；又ёo結構、支撐、車站結構等采用板單元模擬，換撐采用錨錠桿模擬。詳見表6～7。

表6 土體HSs模型參數(shù)Table 6 Parameters of soil HSs model

表7 結構材料參數(shù)Table 7 Structural material parameters

根據(jù)基坑開挖所產生的影響范圍，合理選取模型尺寸以減少邊界條件對計算結果的影響。確定分析模型尺寸為550 m（X方向）×300 m（Y方向）×40 m（Z方向），見圖6。模型邊界采用標準約束形式，即在側面施加法向約束，在底面施加完全約束，頂面自由。網(wǎng)格劃分總計單元數(shù)465 290個，節(jié)點數(shù)588 512個。

圖6 基坑與地鐵車站相對位置關系圖Fig.6 Relative position of foundation pit and tunnel

5.1 鄰地鐵側圍護結構變形預測

根據(jù)Plaxis 3D數(shù)值模擬分析結果，在當前施工工況（即本基坑第三道支撐施工完成）之后，后續(xù)鄰地鐵側圍護結構的水平位移增量約15 mm，見圖7、8。

圖7 土體總位移云圖Fig.7 Total displacement of soil mass

圖8 圍護結構水平增量位移云圖Fig.8 Horizontal incremental displacement nephogram of retaining structure

5.2 地鐵結構變形預測

根據(jù)Plaxis 3D數(shù)值模擬分析結果，在當前施工工況之后，后續(xù)車站主體結構的最大變形增量為：水平位移4.79 mm、豎向位移0.71 mm；車站附屬結構的最大變形增量為：水平位移2.91 mm，豎向位移3.15 mm；車站與附屬結構交接處差異沉降最大增量3.16 mm，詳見表8。

表8 地鐵結構變形預測值Table 8 Predicted value of subway structure deformation

6 土體計算參數(shù)對計算結果的影響

6.1 土體計算參數(shù)取值

前文第4、第5節(jié)中基坑圍護結構計算及有限元模擬時對土層參數(shù)指標進行了折減。本小節(jié)中就土體計算參數(shù)取值及其對計算結果的影響進行簡要的對比分析。表9為主要計算土層HSs模型計算參數(shù)折減前后對比表。

表9 主要計算土層HSs模型計算參數(shù)對比表Table 9 Comparison of calculation parameters of HSs model for main calculation soil layers

6.2 土體計算參數(shù)對計算結果的影響

由表10可知，采用折減前后的土層參數(shù)指標計算得出的后續(xù)鄰地鐵側圍護結構水平位移增量差值約4.80 mm；車站主體結構變形增量差值約為水平位移2.55 mm、豎向位移0.23 mm；車站附屬結構變形增量差值約為水平位移1.20 mm，豎向位移1.07 mm；車站與附屬結構交接處差異沉降變形增量差值約為1.23 mm。

表10 鄰地鐵側圍護結構及地鐵結構變形預測值對比表Table 10 Comparison table of deformation prediction value of adjacent subway side enclosure structure and subway structure

7 結 語

本文以杭州市某商業(yè)項目地下室基坑工程為背景，通過Plaxis 3D有限元計算軟件對緊鄰地鐵車站的基坑工程施工對既有車站的影響進行了模擬分析，得出以下結論：

（1）施工過程評估根據(jù)已有設計、評估、施工、監(jiān)測等資料，通過模擬分析來復核修正有關參數(shù)。然后根據(jù)調整后的施工方案，從數(shù)值模擬以及風險角度來分析基坑工程施工對地鐵設施的后續(xù)影響。

（2）施工過程評估與施工前評估相比，需對地基土強度折減、圍護結構施工質量、時空效應、基坑既有變形等問題進行考慮，并應結合理論、經驗等進行反演分析，對土體強度、圍護結構剛度等指標進行折減，由此得出的結果與實際情況偏差更小。

（3）基坑開挖時應考慮時空效應，沿按限定長度的開挖段逐段開挖，在每個開挖段中分層、分小段開挖，隨挖隨撐，按規(guī)定時限完成支撐、地下室底板澆筑，減少基坑暴露時間。

（4）通過有限元模擬分析，可以為設計方案的制定和圍護結構體系的優(yōu)化提供重要的依據(jù)。模擬結果與理正深基坑設計計算軟件計算結果接近。