基坑卸載對臨近地鐵車站影響的數(shù)值模擬研究

王立新， 王 強， 李炳龍， 薛勛強， 徐碩碩， 范飛飛

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司， 陜西 西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043； 3.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 陜西 西安 710048； 4.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 5.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司， 上海 200092)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，城市建設(shè)用地面積銳減，城市地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)成為我國城市基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分。針對城市交通擁堵問題，地鐵在緩解客運交通壓力方面效果顯著[1-3]。由于我國公共用地日益緊張，使得目前眾多新建工程不得不與既有地鐵車站近接施工。而新建工程施工勢必會導(dǎo)致大量土體開挖卸荷，破壞本區(qū)域原有的應(yīng)力平衡，使周圍土體產(chǎn)生移動，進(jìn)而引起鄰近既有車站結(jié)構(gòu)變形[4-6]，由于地鐵車站結(jié)構(gòu)的重要性，地鐵車站對于自身變形有著嚴(yán)格的管控標(biāo)準(zhǔn)，從而對鄰近基坑工程施工提出了更高的技術(shù)要求。因此對于鄰近地鐵車站深基坑施工，保障既有地鐵車站安全運營是目前工程界亟待解決的工程難題。

針對基坑開挖對既有車站的響應(yīng)規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者以數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等手段開展了系統(tǒng)研究。張愛民等[7]依托南昌某新建基坑工程探討了不同基坑開挖工序?qū)扔熊囌窘Y(jié)構(gòu)變形的影響；章潤紅等[8]通過數(shù)值模擬，研究了基坑開挖卸荷作用下，鄰近地鐵隧道的埋深、隧道和基坑地連墻的距離及剛度比等關(guān)鍵因素對地鐵結(jié)構(gòu)附加彎矩和附加位移的影響；殷一弘[9]通過現(xiàn)場實測驗證了設(shè)置隔離樁和軸力補償鋼措施可有效控制深基坑開挖對側(cè)方地鐵結(jié)構(gòu)的影響；江智鵬[10]采用有限元軟件對蘇州地鐵一號線星海街站基坑工程建立了數(shù)值計算模型，發(fā)現(xiàn)基坑對稱開挖對既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響較??；王志杰等[11]結(jié)合板殼理論、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測，探究了綜合交叉換乘車站群大型基坑單側(cè)開挖對既有車站變形響應(yīng)的影響特征；王立新等[12]以實際工程為例，采用數(shù)值模擬手段，分析了新建基坑開挖對既有車站、既有隧道的影響。上述研究中，關(guān)于基坑開挖對既有車站結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律雖大致相同，但由于區(qū)域差異，不同工況下基坑開挖對既有地鐵車站的響應(yīng)規(guī)律不盡相同，因此還有待進(jìn)一步深入研究。

鑒于此，為獲得西安地區(qū)黃土地層新建基坑開挖對鄰近既有地鐵車站的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，以西安某地鐵車站旁新建基坑為依托工程，建立新建基坑與既有地鐵車站三維數(shù)值模型，總結(jié)了基坑不同開挖步驟下圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形、既有地鐵車站變形、周邊地表沉降的響應(yīng)規(guī)律，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，研究新建基坑對既有車站的影響，相關(guān)研究成果可為提升黃土地層地鐵車站減災(zāi)防災(zāi)能力提供參考。

1 工程概況

1.1 新建基坑與既有地鐵車站相對位置關(guān)系

本文所依托的工程為西安市某基坑工程，基坑與已運營的既有地鐵車站近接施工，平面位置如圖1所示。

圖1 新建基坑與既有車站平面位置關(guān)系Fig.1 Plane position relationship between the new foundation pit and the existing station

新建基坑總體呈南北走向，開挖長度為60 m，開挖寬度為25 m，開挖深度為23 m，新建基坑圍護結(jié)構(gòu)與既有車站圍護結(jié)構(gòu)在水平方向的最小距離僅為2.4 m。既有車站長160 m，為三層結(jié)構(gòu)，最寬處約為25 m，頂板埋深為3.4 m，車站底板埋深為23 m。車站頂板、中板、底板厚度不一，分別為800 mm、400 mm、1 000 mm，側(cè)墻厚900 mm。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.3 圍護結(jié)構(gòu)形式

圍護結(jié)構(gòu)形式的選擇是保證基坑施工安全的關(guān)鍵因素。參考黃土地層以往的成功案例，結(jié)合基坑工程所處環(huán)境條件，采用鉆孔灌注樁和內(nèi)支撐作為新建基坑的圍護結(jié)構(gòu)。由于新建基坑工程支護結(jié)構(gòu)距既有車站圍護結(jié)構(gòu)的凈距僅有2.4 m，故在緊鄰既有車站一側(cè)采取加強措施，即利用既有地鐵車站基坑的圍護樁(Φ1200@1600 mm，長35 m)作為后樁，選用對周圍環(huán)境影響較小的鉆孔灌注樁(Φ1200@1600 mm，長33 m)作為前樁，前后樁采用高800 mm、寬1 200 mm的連梁進(jìn)行連接，組成雙排樁，雙排樁凈距為2.4 m，樁間采用袖閥管注漿進(jìn)行加固。基坑其他三面則采用Φ1200@1600 mm鉆孔灌注樁支護，鉆孔灌注樁嵌固深度為10 m。整個基坑采用壁厚為16 mm的Φ800鋼管作為內(nèi)支撐，典型剖面如圖2所示。

圖2 基坑工程與既有地鐵車站典型橫剖面圖Fig.2 Typical cross section of foundation pit project and existing subway station

2 安全控制標(biāo)準(zhǔn)

基坑內(nèi)土體開挖卸荷，導(dǎo)致基坑鄰域內(nèi)土體應(yīng)力重分布而產(chǎn)生位移，將基坑開挖對周邊土體的擾動區(qū)域劃分為可能影響區(qū)、次要影響區(qū)、主要影響區(qū)[13-14]。新建基坑工程擾動區(qū)域簡圖如圖3所示，擾動分區(qū)如表1所示，其中H為基坑設(shè)計深度。

表1 基坑工程周邊土體擾動分區(qū)Tab.1 Zoning of soil disturbance around foundation pit engineering

圖3 新建基坑工程擾動區(qū)域簡圖Fig.3 Schematic diagram of disturbed area of new foundation pit engineering

在本基坑工程中，考慮到新建基坑與既有地鐵車站的水平距離僅有2.4 m，為確?；娱_挖過程中，地鐵車站結(jié)構(gòu)的安全與正常運營，全面結(jié)合國內(nèi)有關(guān)地鐵深基坑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)工程，同時借鑒西安地區(qū)黃土地層地鐵建設(shè)的相關(guān)經(jīng)驗[13-15]，確定新建基坑、既有地鐵車站施工變形安全控制值如表2所示。

表2 各結(jié)構(gòu)施工變形安全控制值Tab.2 Safety control value of construction deformation of each structure

3 三維有限元模型的建立

3.1 工程地質(zhì)條件

3.1.1模型尺寸

采用有限元軟件MIDAS GTS NX建立新建基坑及既有車站結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模型。根據(jù)圣維南原理，充分考慮基坑施工對基坑周邊的影響范圍，為消除邊界效應(yīng)影響并考慮模型單元數(shù)量和計算精度[15-16]，擾動范圍取基坑開挖尺寸的3倍，結(jié)合基坑開挖尺寸，最終確定整個模型的尺寸為：長200 m (Y方向)，寬160 m (X方向)，高95 m (Z方向)，共計440 693個單元，594 339個節(jié)點，整體模型如圖4所示?；拥膬?nèi)支撐及圈梁模型如圖5所示。

圖4 整體模型Fig.4 Overall model

圖5 基坑內(nèi)支撐及圈梁Fig.5 Inner support and ring beam of the foundation pit

模型土體采用3D實體單元進(jìn)行模擬，采用修正的摩爾-庫倫本構(gòu)模型。基坑冠梁、鉆孔灌注樁及雙排樁根據(jù)間距與截面尺寸用具有等效厚度的3D實體單元進(jìn)行模擬，車站結(jié)構(gòu)采用2D板單元模擬，鋼管內(nèi)支撐、格構(gòu)柱、連梁、圈梁采用1D梁單元模擬，采用線彈性本構(gòu)模型。在模型四周施加法向的邊界約束，在模型底部施加豎向約束，模型上部設(shè)置為自由邊界。

3.1.2模型計算參數(shù)

模型中涉及的土層物理力學(xué)參數(shù)以及圍護結(jié)構(gòu)、新建基坑工程和既有車站的結(jié)構(gòu)參數(shù)均參考地質(zhì)勘探報告，并結(jié)合以往工程設(shè)計經(jīng)驗來確定。雙排樁及由袖閥管加固過的地層可根據(jù)樁及加固土體的彈性模量，折減為有限元模型中3D實體單元的整體彈性模量。具體數(shù)值如表3、表4所示。

表3 車站及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Tab.3 Physical and mechanical parameters of stations and supporting structures

表4 土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.4 Physical and mechanical parameters of soil

試驗中的割線剛度、彈性卸載再加載時的彈性模量。

3.2 計算工況設(shè)計

為得到各階段的基坑位移以及施工中支護結(jié)構(gòu)的位移變形云圖，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行計算工況設(shè)計。

由于新建基坑開挖時，地鐵車站已經(jīng)存在，因此對既有地鐵車站的施工不做詳細(xì)模擬，且不考慮車站施工對土層的擾動，即在初始地應(yīng)力分析后，將車站單元激活，并進(jìn)行位移清零。

模型計算時，先對模型土體進(jìn)行初始地應(yīng)力分析，然后進(jìn)行車站的激活并位移清零。基坑的開挖步序：基坑開挖前施作排樁圍護結(jié)構(gòu)、格構(gòu)柱，然后進(jìn)行土層開挖，每層開挖完成后，及時施作鋼管內(nèi)支撐、連梁、圈梁，以保證基坑不產(chǎn)生較大的變形，直至開挖至基坑底部。

計算分析步序如表5所示。

表5 計算分析步序Tab.5 Calculation and analysis steps

此外，本工程中的黃土均不具有濕陷性，對于黃土或其它特殊土在有限元中的模擬，主要通過修正其物理力學(xué)參數(shù)來實現(xiàn)。

近年來出現(xiàn)了很多以局部施工監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，反演計算得出土層物理力學(xué)參數(shù)的方法[17-18]。在本地區(qū)同類型研究中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行土體參數(shù)反演分析，將反演結(jié)果運用到由MIDAS GTS NX有限元軟件建立的模型中，模擬全工況下隧道結(jié)構(gòu)的變形預(yù)測值。

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

4.1 基坑圍護結(jié)構(gòu)變形分析

由于基坑采用鉆孔灌注樁和鋼管內(nèi)支撐作為圍護結(jié)構(gòu)，故重點關(guān)注圍護結(jié)構(gòu)的變形情況。圖6為新建基坑開挖過程中基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化云圖，圖7為圍護結(jié)構(gòu)的變形曲線。

圖6 不同開挖步序下圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形云圖Fig.6 Cloud map for lateral deformation of enclosure structure under different excavation steps

圖7 地下連續(xù)墻側(cè)向位移變化曲線圖Fig.7 Curve of lateral displacement of underground diaphragm wall

由圖6可知，基坑開挖過程中，最大側(cè)向位移主要集中于圍護結(jié)構(gòu)的中間部位，而兩側(cè)位移較小，這是因為圍護結(jié)構(gòu)兩端有另一排樁作為支撐，而中部支撐較弱。隨著基坑逐步開挖，最大側(cè)向位移產(chǎn)生部位下移，墻體頂部與底部的位移相對較小。

為進(jìn)一步研究基坑開挖過程中基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的變化，選取基坑圍護結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離車站的長邊和與其相鄰的一側(cè)短邊作為測試斷面，提取不同深度處的側(cè)向位移值。

由圖7可知，圍護結(jié)構(gòu)X向與Y向的變形曲線總體上呈“內(nèi)凸型”分布，長邊排樁在X方向的最大位移為7.41 mm(正值表示向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生變形)，最大變形大約位于墻深15 m位置處，短邊排樁在Y方向的最大位移為8.79 mm，同樣，最大變形大約位于墻深15 m位置處，約為0.65H，這是由于隨基坑開挖深度的增加，坑內(nèi)外土壓力差逐漸增大，當(dāng)基坑開挖至底部時，圍護結(jié)構(gòu)達(dá)到變形峰值所致。并且，長邊排樁在X方向的變形隨基坑開挖緩慢增加，而Y方向的變形在第二次、第三次開挖后快速增長，Y方向的最大變形大于X方向的最大變形，這主要是因為本模型為便于計算，在基坑開挖時僅對X方向施加了內(nèi)支撐，對Y方向未施加內(nèi)支撐，但兩者的最大變形均滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，實際基坑開挖過程中，在對長邊墻加設(shè)支撐的同時，應(yīng)加強對短邊墻的變形監(jiān)測。

此外，由圖6可知，緊鄰地鐵車站一側(cè)由于采用了加強支護，在開挖深度為-3 m、-9 m、-16 m、-21 m及-23 m時，變形值分別為0.40 mm、1.88 mm、4.22 mm、6.27 mm及6.69 mm，其變形值較遠(yuǎn)離車站一側(cè)的0.44 mm、2.18 mm、4.68 mm、6.95 mm及7.42 mm，平均減小了10.5%。因此，雙排樁加強支護對基坑的變形抑制效果顯著。

4.2 基坑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

圖8(a)～(d)給出了基坑第2～5次開挖過程中內(nèi)支撐的軸力變化云圖。計算結(jié)果顯示，在五次開挖過程中，內(nèi)支撐的軸力均為負(fù)值(見表6)，這是由于基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻向基坑內(nèi)產(chǎn)生變形而擠壓內(nèi)支撐，內(nèi)支撐受壓從而表現(xiàn)為負(fù)值。

圖8 鋼管內(nèi)支撐軸力變化云圖Fig.8 Cloud diagram of axial force change in steel pipe

表6 內(nèi)支撐軸力值Tab.6 Axial force value of inner support

為研究內(nèi)支撐在控制基坑圍護結(jié)構(gòu)變形上所發(fā)揮的作用，選取基坑內(nèi)典型的內(nèi)支撐作為研究對象，提取其軸力值。結(jié)果表明，隨基坑逐步開挖，內(nèi)支撐的軸力總體呈增長趨勢，即施加內(nèi)支撐后，圍護結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)變形而擠壓內(nèi)支撐，內(nèi)支撐對控制基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形作用明顯。并且，當(dāng)后一道支撐施作后，前一道支撐的軸力增長速率有所減小，這是因為新架支撐分擔(dān)了一部分側(cè)向壓力。當(dāng)基坑第4、5次開挖時，第一道支撐的軸力有所減小，這可能是因為隨著基坑的開挖，基坑圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移向下移動，下部支撐承受了更大的側(cè)向壓力，從而減小了第一道支撐的壓力。在整個基坑開挖過程中，第一、二、三、四道內(nèi)支撐的最大軸力值分別為-564.460 kN、-1 479.679 kN、-1 873.470 kN、-760.868 kN，均小于鋼管內(nèi)支撐的臨界力，滿足規(guī)范要求。

4.3 既有車站變形分析

基坑開挖后，既有車站產(chǎn)生側(cè)向位移，選取既有車站靠近基坑的一側(cè)作為測試斷面，沿車站埋置深度和長度方向分別提取橫向位移及豎向位移，如圖9所示。既有車站側(cè)墻的橫向變形如圖10所示，圖中正值表示向基坑方向產(chǎn)生位移。

圖9 側(cè)墻及地表位移提取點Fig.9 Side wall and surface displacement extraction points

圖10 側(cè)墻橫向變形曲線圖Fig.10 Lateral deformation curve of side wall

由圖10可知，既有地鐵車站頂板部位的橫向位移隨基坑開挖不斷增大，至第5次開挖結(jié)束時最大值為0.76 mm。并且，既有車站側(cè)墻的橫向位移隨車站埋深總體上呈先增大后減小的趨勢，為典型的“內(nèi)凸型”曲線。第1次開挖結(jié)束后，車站側(cè)墻的最大側(cè)向位移位于-4 m處，最大值為0.88 mm；第2次開挖完成后，最大位移值的位置下移至-6.5 m處，最大值為1.05 mm，相比第1次開挖，增幅達(dá)19.3%；第3次開挖完成后，最大位移值的位置繼續(xù)下移至-8 m處，最大值為1.10 mm，相比第2次開挖，增幅為4.8%，最大位移較第2次開挖后增長減緩，且第2次、第3次、第4次開挖后，側(cè)墻側(cè)向變形曲線有多處重合，側(cè)向位移變形較小，這可能是由于車站本身剛度和受到的約束較大，使得新建基坑土體開挖對車站結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移影響較小。

為研究基坑開挖過程中車站結(jié)構(gòu)豎向位移的變化，于車站近基坑側(cè)墻體深度10 m處，沿長度方向每隔4 m提取墻體豎向位移值，如圖9所示，豎向位移變化曲線如圖11所示。

由圖11可知，隨基坑逐步開挖，車站側(cè)墻在Z方向的位移均為負(fù)值，即產(chǎn)生向下的沉降位移，并且隨基坑開挖深度的增加，沉降逐漸增大?；娱_挖后，最大沉降發(fā)生在墻體中間部位，墻體兩側(cè)的沉降值較小，呈現(xiàn)由中間向兩邊遞減的趨勢，這是因為新建基坑位于車站中部，基坑土體的開挖對側(cè)墻中間部位的影響最大。第1、2次開挖后變形最大值分別為-0.99 mm和-1.62 mm；隨基坑繼續(xù)開挖，墻體持續(xù)發(fā)生沉降變形，至第3次開挖至-16 m時，最大沉降為-2.45 mm，較第2次開挖后增加了51.2%；第4、5次開挖后最大沉降值分別為-3.04 mm和-3.25 mm，增幅減緩，變形值均小于變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 近基坑側(cè)墻豎向位移變化Fig.11 Vertical displacement change of side wall near the foundation pit

綜上分析，既有地鐵車站的最大側(cè)向位移和最大豎向位移均發(fā)生在車站中間部位。緊鄰新建基坑一側(cè)的中間部位作為站廳、站臺的核心部位，具有一定的特殊性，因此，施工時應(yīng)加強對該部位的監(jiān)測，防止產(chǎn)生過大變形。

4.4 地表沉降分析

新建基坑土體大范圍卸荷，將會擾動基坑鄰域地表土體產(chǎn)生沉降，故以基坑邊緣為X軸原點，作既有車站A斷面，如圖9所示。作周鄰地表隨基坑開挖的沉降規(guī)律曲線，如圖12所示。

由圖12可知，鄰近既有地鐵車站的土體在基坑開挖后產(chǎn)生沉降變形，至第5次開挖結(jié)束，近基坑一側(cè)的地表最大沉降值為-8.63 mm，遠(yuǎn)基坑一側(cè)的地表最大沉降值為-6.90 mm。這是由于基坑內(nèi)土體開挖卸荷對周邊土體的影響程度隨水平凈距的增大而逐漸減小，即距離基坑越近的土體受影響越大。并且，當(dāng)既有車站兩側(cè)土體沉降的同時，車站上方的土體也發(fā)生了沉降，最大沉降發(fā)生在近基坑既有車站邊緣，最大值達(dá)到-3.18 mm，這可能是由于既有車站相較于土體剛度更大，隨著基坑內(nèi)土體的開挖，周邊土體向基坑方向移動，導(dǎo)致車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降，車站上方的土體也隨之發(fā)生沉降，但均小于控制值。

圖12 既有車站A斷面地表沉降變化Fig.12 Changes in surface settlement of section A of existing station

4.5 方案優(yōu)化及影響因素分析

為探究基坑及既有車站變形的影響因素，結(jié)合基坑的支護形式、開挖工序，優(yōu)化既有車站的支護方法。同時，由于基坑遠(yuǎn)離車站的一側(cè)周圍無建筑物，具備施作錨桿的條件，故此增設(shè)有錨桿的工況進(jìn)行分析。錨桿長15 m，錨固長度5 m，施加160 kN預(yù)應(yīng)力。開挖深度和內(nèi)支撐的施作位置不變，預(yù)應(yīng)力錨桿共施作六道，分別位于-2 m、-6 m、-10 m、-14 m、-18 m、-22 m深度處，水平間隔4 m。同時，基坑開挖完成后，對坑底以下3 m 內(nèi)古土壤進(jìn)行地基加固。錨桿使用MIDAS GTS NX軟件中的植入式桁架來模擬；地基加固則通過鈍化和激活材料屬性來實現(xiàn)。施作錨桿及數(shù)據(jù)提取點示意圖如圖13所示。計算完成后，提取基坑兩個長邊中間部位的X方向(水平方向)位移值與未施加錨桿工況進(jìn)行對比，如圖14所示。

圖13 施作錨桿及位移提取點示意圖Fig.13 Schematic diagram of applying anchor and displacement extraction point

由圖14可知，左側(cè)曲線表示圍護結(jié)構(gòu)施作預(yù)應(yīng)力錨桿的區(qū)域，右側(cè)曲線表示圍護結(jié)構(gòu)采用雙排樁加強支護的區(qū)域。在此工況下，遠(yuǎn)離基坑一側(cè)施作錨桿的圍護結(jié)構(gòu)隨著開挖深度的增大，最大變形值分別為0.35 mm、1.82 mm、4.09 mm、6.07 mm和6.90 mm，較未施作錨桿時平均減小了10.2%；靠近基坑一側(cè)施作雙排樁的圍護結(jié)構(gòu)隨著開挖深度的增大，最大變形值分別為0.42 mm、2.07 mm、4.43 mm、6.43 mm和6.98 mm，較未施作錨桿時平均減小了5.7%。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨桿和地基加固措施對減小基坑變形效果顯著，且雙排樁一側(cè)的變形也有小幅減小。綜上所述，在條件允許且預(yù)算充足的情況下，可以在原有支護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上施作預(yù)應(yīng)力錨桿，在基坑開挖完成后進(jìn)行地基加固，以減小基坑變形。

圖14 施作錨桿后基坑X方向變形值Fig.14 Deformation value of foundation pit in X direction after bolting

根據(jù)不同工況的數(shù)值模擬結(jié)果，新建基坑對相鄰既有地鐵車站變形的影響因素主要有以下幾個：①結(jié)合實際工況，在臨近既有車站一側(cè)加強支護措施可有效減小對車站變形的影響；②內(nèi)支撐布置形式對基坑變形影響顯著，在數(shù)值模擬中，為簡化分析，僅在X方向設(shè)置了內(nèi)支撐，導(dǎo)致Y方向變形大于X方向，因此，在工程建設(shè)時應(yīng)關(guān)注這一點，必要時采取一定的措施，以保證施工過程中Y向變形可控；③在條件允許的情況下，增加預(yù)應(yīng)力錨桿和對基坑進(jìn)行地基加固，可進(jìn)一步降低基坑變形和對既有車站的影響。

5 基坑與既有車站變形監(jiān)測

5.1 現(xiàn)場監(jiān)測布置

基坑施工現(xiàn)場采用鉆孔灌注樁加鋼管內(nèi)支撐的維護方式，在臨近既有車站一側(cè)采用雙排樁支護，未施作錨桿。為對基坑變形及地鐵車站變形進(jìn)行監(jiān)控測量，在基坑的鉆孔灌注樁中安裝測斜管，同時，在既有車站臨近基坑側(cè)墻處布置水平位移監(jiān)測點，如圖15所示。

圖15 圍護結(jié)構(gòu)及既有車站位移關(guān)鍵監(jiān)測位置Fig.15 Key monitoring positions for displacement of enclosure structure and existing station

5.2 實測與數(shù)值模擬結(jié)果對比

基坑開挖完成后，為研究基坑變形情況，評估基坑風(fēng)險性，選取基坑JK-2、JK-4、JK-6和JK-8位置的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提取有限元模型中對應(yīng)位置的計算結(jié)果，繪制水平位移變形曲線，如圖16所示。

圖16 圍護結(jié)構(gòu)實測位移與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.16 Comparison between measured displacement and numerical simulation results of enclosure structure

由圖16可知，基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移實測值與數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律一致且偏差較小，基坑實際位移小于數(shù)值模擬結(jié)果。其中JK-4和JK-8數(shù)值模擬結(jié)果較大，這可能是由于模型中簡化了Y向的內(nèi)支撐所致，同時，模型中的基坑也沒有設(shè)置角撐，從而導(dǎo)致短邊的模擬結(jié)果比實測值大。基坑四個方向的最大實測位移分別為6.26 mm、7.03 mm、6.82 mm和7.20 mm，均小于安全控制標(biāo)準(zhǔn)，基坑整體穩(wěn)定性良好、圍護結(jié)構(gòu)安全，基坑施工風(fēng)險較低。

基坑開挖完成后，為研究既有車站的變形情況，選取既有車站側(cè)墻CZ-4、CZ-6和CZ-8位置處的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提取有限元模擬中對應(yīng)工況對應(yīng)位置的計算結(jié)果，繪制水平位移變形曲線，如圖17所示。

圖17 車站側(cè)墻實測位移與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.17 Comparison between measured displacement and numerical simulation results of station side wall

由圖17可知，既有車站側(cè)墻的水平位移實測值與數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律一致且偏差較小，可認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果符合實際。既有車站側(cè)墻中間部位的最大模擬值為1.22 mm，而最大實測值為1.18 mm。綜上，選取的三條測線的實測值均小于模擬值，既有車站側(cè)墻的最大水平位移符合控制標(biāo)準(zhǔn)，基坑卸載對臨近既有地鐵車站影響較小。

6 結(jié) 論

依托西安某新建基坑工程，借助MIDAS GTS NX有限元軟件建立了新建基坑與既有車站結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，模擬了新建基坑開挖全過程中，圍護結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力、既有地鐵車站位移與周邊地表沉降的響應(yīng)規(guī)律。

1) 在依托工況的數(shù)值模擬中，圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移發(fā)生在基坑中間部位，且沿中部向兩側(cè)遞減。墻體在X方向的最大位移為7.41 mm，在Y方向的最大位移為8.79 mm。緊鄰基坑一側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)由于采取了加強措施，其變形值較遠(yuǎn)離基坑一側(cè)減小了10.5%，因此，雙排樁加強支護對于基坑的變形抑制效果顯著。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，在基坑開挖過程中，鋼管內(nèi)支撐受到圍護結(jié)構(gòu)的擠壓，隨基坑開挖產(chǎn)生較大變化。由于后續(xù)支撐的施加，第一道支撐的軸力在基坑開挖后期有所減小，說明內(nèi)支撐的施加可以有效控制圍護結(jié)構(gòu)的變形。鋼管內(nèi)支撐的最大軸力為-1 873.469 8 kN，小于鋼支撐的臨界力，滿足相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)。

3) 既有車站橫向位移變形曲線與基坑圍護結(jié)構(gòu)變形曲線相似，呈典型的“內(nèi)凸型”。受基坑開挖的影響，車站側(cè)墻在Z方向表現(xiàn)為沉降變形，車站結(jié)構(gòu)沉降變形的增長率隨基坑開挖深度的增加有所減小。最大側(cè)向位移和最大豎向位移均出現(xiàn)于車站中間部位，因此，施工時應(yīng)加強對該部位的監(jiān)測，防止出現(xiàn)過大變形。

4) 車站周邊地表沉降隨著基坑的開挖逐步增大，至第5次開挖結(jié)束，最大沉降值為-8.63 mm。車站上方土體也產(chǎn)生了沉降，最大沉降值為-3.18 mm，均小于安全控制值。

5) 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，基坑圍護結(jié)構(gòu)各個方向的最大實測位移分別為6.26 mm、7.03 mm、6.82 mm和7.20 mm，均小于安全控制標(biāo)準(zhǔn)，基坑整體穩(wěn)定性良好、圍護結(jié)構(gòu)安全，基坑施工風(fēng)險較低；既有車站側(cè)墻中間部位的最大實測值為1.18 mm。實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果規(guī)律一致、相差較小，基坑卸載對臨近既有地鐵車站影響較小。