既有隧道旁側(cè)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)開挖響應(yīng)分析

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在中國(guó)的快速發(fā)展，我國(guó)基建發(fā)展重心也經(jīng)歷了從地上向地下的轉(zhuǎn)變，并且這種轉(zhuǎn)變的高速推進(jìn)在未來是可持續(xù)性的。車站等在日常交通中是比較關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，聯(lián)合其周邊的區(qū)域正在逐步形成各種大型的地下空間綜合體。廣州市巖土工程條件的一個(gè)顯著特點(diǎn)為復(fù)雜多變，因此更需注意其基坑工程引起的周邊環(huán)境變化。該地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)富含軟土，加上現(xiàn)在基坑工程大多在城市的核心區(qū)域進(jìn)行緊鄰施工，因此對(duì)變形的控制更為嚴(yán)格。

Goh等［1］在新加坡美術(shù)館的工程實(shí)例研究基礎(chǔ)上，綜合評(píng)估了建筑剛度以及建筑損傷的影響。馮曉臘等［2］對(duì)武漢老鋪片商業(yè)區(qū)的深基坑工程進(jìn)行研究，采用有限元的方法進(jìn)行基坑全過程開挖的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了工程施工方法的合理性；黃迅等［3］以杭州某鄰近盾構(gòu)隧道的軟土基坑開挖工程作為工程背景，采用PLAXIS三維有限元建模，進(jìn)行鄰近開挖的影響分析。研究主要突出深大基坑開挖引起的環(huán)境影響方面，并提出了地表沉降預(yù)測(cè)曲線［4-5］。李大鵬等［6］總結(jié)了前人研究的地表沉降模式，美中不足的是缺少了對(duì)基坑周圍深層土體位移的研究；李連祥等［7］基于離心實(shí)驗(yàn)，對(duì)復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間有一定距離的工程實(shí)例進(jìn)行有限元數(shù)值建模，研究了土條寬度與結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的影響規(guī)律。此前，筆者已經(jīng)對(duì)關(guān)于廣州北站的基坑墻頂水平位移、地表沉降以及對(duì)既有廣鐵九號(hào)線的影響作了報(bào)道［8］。

本文以廣州北站站房工程為研究對(duì)象，研究站房工程施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)問題。同時(shí)在前人對(duì)廣州北站站房工程的研究基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步分析，利用有限元軟件研究緊鄰地下空間的基坑開挖引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響，以期對(duì)廣州地區(qū)類似的鄰近開挖基坑工程的設(shè)計(jì)以及施工，起到一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

1 工程概況

廣州北站項(xiàng)目位于廣州市花都區(qū)新華街，既有京廣鐵路武廣鐵路西側(cè)，在建廣州地鐵九號(hào)線東北側(cè)。車站建筑設(shè)計(jì)采用“高架候車+線側(cè)站房”的布局方式，側(cè)式站房基坑設(shè)計(jì)范圍為站房地下一層基坑?；悠矫嫘螤羁傮w呈多邊形，不規(guī)則，南北長(zhǎng)約141 m，東西寬約120 m，基坑深7.5 m?；硬捎玫叵逻B續(xù)墻+內(nèi)支撐，坑內(nèi)疏干降水。地下連續(xù)墻厚800 mm，入巖1 m，平均樁長(zhǎng)約16 m。豎向采用一道混凝土斜支撐，支撐水平間距為4～6 m，混凝土斜支撐兩端支撐在冠梁和基坑第二排樁基承臺(tái)上?；炷林沃鳁U截面為0.8 m×1.2 m，斜支撐長(zhǎng)14～17 m。

基坑所處地塊為廣州市軌道交通9號(hào)線東北側(cè)，工程場(chǎng)地屬于花都沖積平原區(qū)，地形整體平坦開闊，地勢(shì)起伏較小，地面高程一般為5～10 m。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及收集施工檢測(cè)資料，車站施工質(zhì)量良好，車站結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，已澆筑混凝土表面無裂紋，表觀質(zhì)量較好。場(chǎng)地土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 場(chǎng)地土物理力學(xué)參數(shù)

本文研究重點(diǎn)集中于地下水位監(jiān)測(cè)、墻體側(cè)向變形監(jiān)測(cè)以及支撐軸力監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目。見圖1。

圖1 站房基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

2 基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 墻體側(cè)向變形監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)觀測(cè)工作預(yù)埋X1～X15共15根測(cè)斜管，最終累計(jì)位移量最大的測(cè)斜孔是X2，向基坑內(nèi)側(cè)位移18.5 mm；最終累計(jì)位移量最小的測(cè)斜孔是X5，向基坑內(nèi)側(cè)位移12.5 mm?？偟膩碚f，各測(cè)斜孔的位移量均較小，累計(jì)位移量均未超過設(shè)計(jì)及規(guī)范中的變形允許控制值（±30 mm）。究其原因，X2點(diǎn)位外恰好是農(nóng)新路與站前路的交叉口，每天車流量較大，再加上在基坑開挖過程中的土方卸載以及主動(dòng)土壓力的增大，在支撐前期并沒有受力的情況下，地連墻的變形相對(duì)靈敏，故此處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大。靠近廣州軌道九號(hào)線的點(diǎn)位的墻體側(cè)向變形不突出，可能是采取了袖筏管注漿操作，在一定程度上有效地控制了地鐵隧道位移。

由圖2可以看出變形比較大的點(diǎn)位于基坑圍護(hù)的中部；而變形相對(duì)比較小的點(diǎn)位于基坑圍護(hù)的角點(diǎn)部位。由此可得：具有圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的基坑，往往在開挖中會(huì)呈現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)，其中部的側(cè)向變形會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊角，呈現(xiàn)出中部對(duì)稱性［9］。從圖2可以看出，基坑開挖過程中地連墻墻體側(cè)向變形表現(xiàn)為一種典型的復(fù)合曲線，即曲線頂端初始隨著中心土開挖變形不斷擴(kuò)大，在“平衡土開挖+斜撐支護(hù)”階段，曲線頂端基本不再變化，而開挖面附近某個(gè)高度隨著開挖進(jìn)行逐漸擴(kuò)大至一具體數(shù)值。這是初期頂部未設(shè)置大剛度支撐，并且后續(xù)設(shè)置斜撐的墻體側(cè)向變形模式，符合基坑的實(shí)際情況。丁智等［9］在類似基坑監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目中曾得出，各測(cè)點(diǎn)的土體最大側(cè)移深度均處于基坑開挖面上4.00 m至開挖面下2.00 m范圍內(nèi)。而本文的墻體側(cè)向變形情況，通過力的傳導(dǎo)也可認(rèn)為與其得出的結(jié)論相一致。此外，由于基坑的支護(hù)設(shè)置情況與丁智等［9］和張立明等［10］不同，無法完全類比的由墻體側(cè)向變形推出深層土體變形的具體形態(tài)，但根據(jù)圖2可以看出：若前期已設(shè)置大剛度斜撐，則深層土體變形可能會(huì)更接近丁智［9］的“階梯鼓肚形”。

圖2 墻體側(cè)向變形監(jiān)測(cè)結(jié)果（測(cè)孔X2）

2.2 地下水位監(jiān)測(cè)

地下水位監(jiān)測(cè)工作共設(shè)置10個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)孔，編號(hào)為W1-W10。整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中，地下水位測(cè)點(diǎn)W6（-1646 mm）、W7（-1165 mm）、W10（-1136 mm）最終累計(jì)變化量已超出控制值（±1000 mm），3個(gè)測(cè)點(diǎn)均位于基坑西南側(cè)；其他地下水位測(cè)點(diǎn)的水位變化量均較小，且累計(jì)變化量均未超過規(guī)范的變化允許控制值，見圖3。根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料可知：施工現(xiàn)場(chǎng)存在覆蓋型巖溶，其中場(chǎng)地北側(cè)、西側(cè)及東南側(cè)巖溶發(fā)育程度較高；場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水主要為第四系松散巖土類孔隙水與覆蓋型碳酸鹽巖類裂隙溶洞水兩類，勘察期間測(cè)得地下水穩(wěn)定水位埋深2.3～2.7 m，本次水位出現(xiàn)預(yù)警情況的測(cè)點(diǎn)主要位于基坑西南側(cè)。比較合理的解釋為該期間為枯水期，正常情況地下水位也處于低水位期。

圖3 地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.3 支撐軸力監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)過程中，最終受力值最大的是L4，支撐受力值為2138.8 kN；最終受力值最小的是L8，支撐受力值為1851.6 kN；總的來說，L1-L12測(cè)點(diǎn)最終受力均穩(wěn)定在2000 kN左右，具體支撐軸力變化過程見圖4。與墻體側(cè)向變形對(duì)比來看，這樣的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯得尤為合理。首先，在初期軸力變化最大的L1點(diǎn)，其在5月中旬軸力的變形突增，呈現(xiàn)出一種跳空陡增而后回落的態(tài)勢(shì)。前文墻體側(cè)向變形中我們提到過，X2點(diǎn)位（L1軸力測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地連墻測(cè)點(diǎn)）外恰好是農(nóng)新路與站前路的交叉口，每天車流量較大，再加上土方卸載以及主動(dòng)土壓力增大等因素，在支撐前期并沒有受力的情況下，地連墻的變形會(huì)相對(duì)比較靈敏，故此處前期圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大。使用支撐控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形后，變形得到控制的同時(shí)，支撐的軸力也會(huì)相應(yīng)的激增，這樣的現(xiàn)象是相對(duì)合理的。而靠近廣州軌道九號(hào)線的點(diǎn)位的墻體側(cè)向變形本就不算突出，因此相應(yīng)支撐設(shè)置之后的軸力變化也沒有那么明顯，呈現(xiàn)出一種階梯狀的緩慢爬升態(tài)勢(shì)（L11、L12）。

圖4 支撐軸力變化曲線

3 基于Plaxis的有限元分析

3.1 主要參數(shù)取值

為研究實(shí)際工程監(jiān)測(cè)中無法完全揭示的一些變形及規(guī)律，本文擬采用有限元軟件Plaxis來進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由于在模擬中，若忽略土的小應(yīng)變剛度，則極有可能會(huì)導(dǎo)致地面沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的高估。因此本文考慮采用小應(yīng)變土體硬化模型（HSS模型），此高級(jí)本構(gòu)模型或許更符合實(shí)際工況下的變形。該模型對(duì)土體剛度的精確描述，是在土體硬化模型的基本設(shè)置上改進(jìn)土體參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)值模擬中土體參數(shù)數(shù)值主要依據(jù)廣州地區(qū)土體實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的物理參數(shù)來取值，其中HSS模型的具體取值見表2。

表2 HSS模型參數(shù)取值

由于工程實(shí)例的基坑與車站過于不規(guī)則，探究一般性規(guī)律存在困難，因此在本節(jié)運(yùn)用Plaxis構(gòu)建一個(gè)理想化模型，采用廣州北站案例的地質(zhì)條件和一些相關(guān)參數(shù)，旨在探究基坑鄰近開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一般性規(guī)律。其中基坑外寬度取40 m，為開挖深度的3倍，基坑寬度12 m，初始有限土體寬度取10 m，開挖深度12 m?；炷恋剡B墻的軸向剛度取EA=1.5×107kN/m，鋼筋混凝土支撐軸向剛度取EA=8×105kN/m?；悠矫嫫拭嬉妶D5。

圖5 基坑平面剖面

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

由圖6可以看出，在基坑的開挖過程中，隨著開挖的進(jìn)行和支撐的架設(shè)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定程度的變化。總的來說，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形模式呈現(xiàn)為“弓形”。從有限元分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)隨著基坑開挖的不斷進(jìn)行，側(cè)向位移也不斷增加，且表現(xiàn)為最大的側(cè)向位移下移，大致發(fā)生在開挖面附近。且從圖6中可以看出，在各道工況下，基坑A區(qū)的西側(cè)圍護(hù)墻墻A的側(cè)向位移值較之東側(cè)圍護(hù)墻墻B的側(cè)向位移值要大，且墻A都是向坑內(nèi)位移，墻B在開挖階段則出現(xiàn)了向坑外位移的情況。當(dāng)基坑開挖至底層時(shí)，在開挖面附近基坑A區(qū)東西兩側(cè)的地連墻側(cè)向位移值達(dá)到了最大值，分別為22.42、13.44 mm，可以看出墻A的地連墻最大側(cè)向位移值要大于墻B的地連墻側(cè)向最大位移值。主要原因?yàn)锳基坑與B基坑間的土體為有限土體，由于其受到的土壓力為有限土壓力，會(huì)小于常規(guī)的朗肯土壓力，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形也偏小。其次，在前期車站結(jié)構(gòu)施工時(shí)，對(duì)于A區(qū)的土體以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)有一個(gè)向坑外的反向變形作用，因此在后期變形時(shí)，首先需要抵消這方面的變形，因此墻B側(cè)向位移值較之墻A會(huì)偏小。

圖6 不同開挖深度下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，墻B的彎矩在挖深不大時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)彎矩，而墻A則一直承受正彎矩的作用，當(dāng)開挖深度為3 m時(shí)，墻B的正負(fù)彎矩拐點(diǎn)出現(xiàn)在地下2.5 m附近。隨著挖深增大，地連墻的最大彎矩也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)。當(dāng)基坑對(duì)應(yīng)的開挖深度為9、12 m時(shí)，墻A、墻B的最大彎矩值分別為407.37、833.40、360.05、746.39 kN·m?？梢?，A區(qū)基坑西側(cè)的地連墻彎矩在各開挖階段都要大于東側(cè)，由于AB坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)間土壓力為有限土壓力，故往往小于朗肯土壓力，同時(shí)也限制了墻體彎矩的正常發(fā)展。結(jié)合挖深可以發(fā)現(xiàn)，墻體彎矩的最大值通常發(fā)生在開挖面附近，這是由于在坑底附近，地連墻的側(cè)向位移與彎矩往往在此處達(dá)到極值。且隨著挖深的不斷增大，彎矩值表現(xiàn)出由地面開始先增大后減小，最后趨于零的一般規(guī)律。因此在鄰近既有建筑的基坑開挖工程中，尤其要注意坑底位置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算。

圖7 基坑A區(qū)圍護(hù)墻彎矩變化

3.4 有限土體寬度對(duì)基坑變形的影響

首先分析原始的有限土體寬度為B=10 m的情況，取基坑A區(qū)作為研究對(duì)象，研究基坑A區(qū)的支護(hù)結(jié)構(gòu)在初始有限土體寬度情況下的變形情況。圖8為基坑A區(qū)開挖完成后的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)比圖。其中，處于西向的墻A遠(yuǎn)離有限土體，處于東向的墻B靠近有限土體。由圖8可以看出，墻A的水平位移明顯大于墻B，且將單基坑開挖加入比較可得，墻A的水平位移大于單基坑開挖引起的水平位移，而墻B的水平位移則小于單基坑開挖引起的水平位移。其中的主要原因還是前文提到的A、B坑間土體為有限土體，將其與傳統(tǒng)的半無限土體進(jìn)行比較，土壓力要偏小，這直接導(dǎo)致了靠近有限土體一側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移減小，且會(huì)使得基坑A區(qū)的支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力相較于傳統(tǒng)單基坑軸力偏小，故遠(yuǎn)離有限土體一側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移反而會(huì)大于傳統(tǒng)單基坑開挖產(chǎn)生的水平位移。其次，鄰近基坑開挖的墻A最大水平位移值為22.42 mm，與單基坑開挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移值18.16 mm比較增加了23.46%；墻B的最大水平位移值為13.44 mm，與單基坑開挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移值18.16 mm比較減少了25.99%。由此可以看出，基坑鄰近開挖的情況下，靠近有限土體一側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的影響往往會(huì)大于遠(yuǎn)離有限土體一側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖8 相鄰支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)比

由圖9可以看出，墻B的水平位移值會(huì)隨著有限土體寬度的增大而逐漸增大。究其原因，是隨著土體寬度的增大，有限土體的土壓力會(huì)增大，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形也相應(yīng)增大。B=10 m的情況下，墻B的水平位移值為13.44 mm；而當(dāng)B=20 m時(shí)，墻B的水平位移值達(dá)到了16.89 mm，水平位移值增加了25.67%。

圖9 不同土體寬度墻B變形

4 結(jié)語

1）墻體側(cè)向變形比較大的點(diǎn)位大多位于基坑圍護(hù)的中部；而墻體側(cè)向變形相對(duì)比較小的點(diǎn)位大多位于基坑圍護(hù)的角點(diǎn)部位，展現(xiàn)出明顯的中部對(duì)稱性。初期軸力變化較大的點(diǎn)位，在5月中旬附近軸力變形突增，呈現(xiàn)出一種跳空陡增而后回落的態(tài)勢(shì)，而靠近廣州軌道九號(hào)線的點(diǎn)位軸力變化不明顯，呈現(xiàn)出一種階梯狀的緩慢爬升態(tài)勢(shì)。

2）基于Plaxis的有限元模擬結(jié)果可得，在基坑的開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形模式呈現(xiàn)為“弓形”。支護(hù)結(jié)構(gòu)隨著基坑開挖的進(jìn)行，最大的側(cè)向位移下移，大致發(fā)生在開挖面附近。在各道工況下，基坑A區(qū)的西側(cè)圍護(hù)墻墻A的側(cè)向位移值較之東側(cè)圍護(hù)墻墻B的側(cè)向位移值要大。

3）基于Plaxis的有限元模擬結(jié)果可得，隨著挖深的不斷增加，地連墻的最大彎矩也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)。且A區(qū)基坑西側(cè)的地連墻彎矩在各開挖階段都要大于東側(cè)地連墻彎矩，結(jié)合挖深可以發(fā)現(xiàn)，墻體彎矩的最大值通常發(fā)生在開挖面附近。墻A的水平位移大于單基坑開挖引起的水平位移，而墻B的水平位移則小于單基坑開挖引起的水平位移?？拷邢尥馏w一側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的影響往往會(huì)大于遠(yuǎn)離有限土體一側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，墻B的水平位移值會(huì)隨著有限土體寬度的增大而逐漸增大。