深大基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰既有地鐵結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)研究

□文/袁創(chuàng)輝

隨著基坑寬度及深度的不斷增加，工程和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)隨之增加，如何減少深大基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境尤其是緊鄰既有地下結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要。張國(guó)亮[1]采用FLAC3D有限元軟件，對(duì)深圳新建地鐵5號(hào)線(xiàn)前海灣站基坑近既有地鐵1號(hào)線(xiàn)鯉魚(yú)門(mén)站工程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明：新建基坑開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致既有地鐵車(chē)站產(chǎn)生不均勻隆起及偏轉(zhuǎn)。李偉強(qiáng)[2]采用Plaxis 2D有限元軟件，對(duì)北京某高層辦公樓基坑鄰近某既有地鐵車(chē)站工程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出：新建基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵車(chē)站的水平位移影響不大，既有地鐵車(chē)站在新建基坑開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的回彈，距離基坑越近回彈越大，最大值約8 mm。

本文依托某地下商業(yè)街深基坑鄰近既有地鐵的工程實(shí)例，應(yīng)用有限元軟件建立巖土-結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型，通過(guò)詳細(xì)分析計(jì)算，研究新建深基坑工程對(duì)鄰近既有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

1 工程概況

遼寧省沈陽(yáng)市某地下商業(yè)街共劃分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)，其中，商業(yè)A區(qū)與沈陽(yáng)地鐵九號(hào)線(xiàn)鐵西廣場(chǎng)站—興華公園站區(qū)間同期結(jié)合設(shè)計(jì)與施工，地鐵區(qū)間位于地下商業(yè)結(jié)構(gòu)下方。鐵西廣場(chǎng)站為新建地鐵九號(hào)線(xiàn)和既有地鐵一號(hào)線(xiàn)換乘站，為地下兩層雙柱三跨車(chē)站，明挖法施工，結(jié)構(gòu)寬24.5 m、高14.5 m，頂板覆土厚3.23 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用?800 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁。

地下商業(yè)A 區(qū)基坑寬40.8 m、深25.8 m，采用圍護(hù)樁+鋼支撐支護(hù)體系，施工前降水，保證地下水位于基坑底以下0.5 m，從上至下共設(shè)5 道支撐，基坑邊與鐵西廣場(chǎng)站側(cè)墻外皮凈距5.2 m。見(jiàn)圖1。

圖1 商業(yè)街基坑與既有鐵西廣場(chǎng)站相對(duì)位置

為保證基坑開(kāi)挖過(guò)程中鐵西廣場(chǎng)站的安全，鄰近鐵西廣場(chǎng)站一側(cè)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用?1 200 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐。

2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)詳勘報(bào)告，工程場(chǎng)地內(nèi)自上而下土層依次為：

1）①1填土層，層厚1.0～2.3 m；主要由黏性土、碎石及砂類(lèi)土組成，局部含少量建筑垃圾、生活垃圾（個(gè)別地段為垃圾填埋場(chǎng)）；道路地段表層為瀝青路面，瀝青路面下為碎石墊層，稍濕，松散；

2）③63中砂，層厚4.8～6.7 m；黃褐色，石英～長(zhǎng)石質(zhì)，次棱角形，均粒結(jié)構(gòu)，顆粒級(jí)配差，含約10%黏性土，局部為粗砂夾層，濕，稍密～中密；

3）③83礫砂，層厚0～16.3 m；黃褐色，石英～長(zhǎng)石質(zhì)，棱角形，混粒結(jié)構(gòu)，顆粒級(jí)配較好，含約20%黏性土，局部為圓礫薄層，濕，水下飽和，稍密～中密，局部密實(shí)；

4）⑤74粗砂，11.2～16.3 m；黃褐色，石英～長(zhǎng)石質(zhì)，次棱角形，混粒結(jié)構(gòu)，顆粒級(jí)配一般，含約15%黏性土，局部有礫砂夾層，濕，水下飽和，密實(shí)。

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

采用MIDAS-GTS 有限元軟件，建立尺寸為81 m×92 m×37 m 的模型，包含既有地鐵一號(hào)線(xiàn)鐵西廣場(chǎng)站主體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)、新建商業(yè)體基坑圍護(hù)及臨時(shí)結(jié)構(gòu)。各土層均采用彈塑性材料，三維實(shí)體單元，采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則；基坑圍護(hù)樁、主體結(jié)構(gòu)頂?shù)装寮皞?cè)墻、臨時(shí)支撐等采用彈性模型、板單元；主體結(jié)構(gòu)梁柱等采用彈性模型、梁?jiǎn)卧?。模型?cè)面邊界水平位移和底面邊界豎向位移受到約束；共計(jì)43 074 個(gè)單元。見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 計(jì)算模型

圖3 基坑鄰近既有車(chē)站模型

力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土層力學(xué)參數(shù)

既有結(jié)構(gòu)及新建結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，梁、柱、板等各部分結(jié)構(gòu)的參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)情況在表2中選取。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

既有車(chē)站站廳、站臺(tái)樓板均布活荷載為4 kPa，列車(chē)滿(mǎn)載等效均布荷載為16.16 kPa，地面車(chē)輛超載等效均布荷載為20 kPa。

3.2 分析步序

1）施加重力荷載，平衡初始地應(yīng)力。

2）鈍化既有一號(hào)線(xiàn)車(chē)站土體單元，激活既有一號(hào)線(xiàn)圍護(hù)、主體結(jié)構(gòu)。

3）鈍化商業(yè)體基坑各開(kāi)挖層的土體單元并激活鋼支撐單元，模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程。

4）重復(fù)步驟3直到完成整個(gè)基坑的施工過(guò)程。整個(gè)分析步序見(jiàn)圖4。

圖4 分析步序

3.3 結(jié)果分析

既有地鐵車(chē)站受商業(yè)體基坑開(kāi)挖影響，最大沉降0.62 mm，最大水平位移為1.99 mm，為朝向基坑方向。

為得到鐵西廣場(chǎng)站在整個(gè)基坑施工過(guò)程中的影響數(shù)據(jù)，選取了代表性計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

圖5中，D軸為靠近基坑一側(cè)，取7 ～13 軸立柱底點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)繪制豎向位移時(shí)程曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6。

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線(xiàn)

由圖6可知：

1）臨近基坑一側(cè)D軸，隨基坑開(kāi)挖有上隆現(xiàn)象，開(kāi)挖第三層土體后開(kāi)始發(fā)生沉降，最大上隆量為0.14 mm，發(fā)生在D8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

2）A、B、C軸時(shí)程曲線(xiàn)規(guī)律一致，均為隨基坑開(kāi)挖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降，最大沉降值為0.50 mm，發(fā)生在A8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

一號(hào)線(xiàn)鐵西廣場(chǎng)站中心線(xiàn)及左右線(xiàn)軌道中心線(xiàn)最終沉降量見(jiàn)圖7。

圖7 1號(hào)線(xiàn)鐵西廣場(chǎng)站最終沉降曲線(xiàn)

由圖7可知，右線(xiàn)軌道中心線(xiàn)差異沉降較大，左線(xiàn)軌道中心線(xiàn)及結(jié)構(gòu)中心線(xiàn)差異沉降較小。說(shuō)明地鐵一號(hào)線(xiàn)鐵西廣場(chǎng)站差異沉降量相對(duì)較大的區(qū)域主要集中在車(chē)站距離商業(yè)體基坑較近位置。

3.4 基坑開(kāi)挖施工對(duì)既有站造成的變形預(yù)測(cè)

受基坑開(kāi)挖影響，鐵西廣場(chǎng)站整體變形預(yù)測(cè)見(jiàn)圖8。

圖8 既有鐵西廣場(chǎng)站整體預(yù)測(cè)變形

由圖8可知：受地下商業(yè)街深大基坑開(kāi)挖的影響，既有一號(hào)線(xiàn)鐵西廣場(chǎng)站主體結(jié)構(gòu)靠近基坑側(cè)，結(jié)構(gòu)自身及土體產(chǎn)生隆起現(xiàn)象；遠(yuǎn)離基坑側(cè)，結(jié)構(gòu)自身及土體產(chǎn)生沉降；結(jié)構(gòu)頂?shù)撞烤l(fā)生朝基坑側(cè)的水平位移，底部水平位移較大；結(jié)構(gòu)整體朝基坑側(cè)呈反向旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)。這與傳統(tǒng)基坑開(kāi)挖引起的周邊土體變形不一樣?？觾?nèi)土體開(kāi)挖卸載，會(huì)引起坑外土體產(chǎn)生主動(dòng)土壓力區(qū)，該范圍土體水平應(yīng)力減小，剪力增大，形成一定范圍的塑性區(qū)，土體在自重作用下，產(chǎn)生豎向位移，砂卵石地層有支撐體系基坑開(kāi)挖，會(huì)造成基坑外側(cè)地表形成一個(gè)“沉降槽”，地表沉降最大位置發(fā)生在距離基坑邊0.5倍基坑深度位置處，見(jiàn)圖9；另外，坑內(nèi)土體開(kāi)挖卸載，會(huì)導(dǎo)致坑內(nèi)基底范圍內(nèi)土體產(chǎn)生被動(dòng)土壓力區(qū)，該部分土體受到較大的水平向壓應(yīng)力，剪應(yīng)力增大，在基坑底形成局部塑性區(qū)，發(fā)生向上隆起位移，當(dāng)基坑較寬且較深時(shí)，基坑底會(huì)發(fā)生塑性隆起且基坑邊緣的基底隆起量較基坑中間更大，見(jiàn)圖10。

圖9 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

圖10 基底的隆起變形

4 施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)施工監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證本工程對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)造成的影響。為保證既有地鐵安全運(yùn)營(yíng)，基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)鐵西廣場(chǎng)站左右線(xiàn)道床位移采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)并結(jié)合人工監(jiān)測(cè)進(jìn)行校核，見(jiàn)圖11。

圖11 既有站道床水平及豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，既有站整體朝基坑側(cè)發(fā)生水平位移，最大位移量為1.6 mm；既有站左線(xiàn)道床豎向位移，先沉降，后隆起，最大沉降量0.7 mm，最大隆起量0.4 mm；既有站右線(xiàn)道床豎向隆起，最大隆起量2.9 mm；基坑開(kāi)挖至基坑底以后，既有站變形趨于平緩。滿(mǎn)足地鐵運(yùn)營(yíng)安全及設(shè)計(jì)要求。見(jiàn)圖12。

圖12 既有站道床位移-工況變化曲線(xiàn)

鐵西廣場(chǎng)站受基坑開(kāi)挖影響產(chǎn)生的實(shí)際變形見(jiàn)圖13。

圖13 既有鐵西廣場(chǎng)站整體實(shí)際變形

與圖8相比：水平位移基本相符；遠(yuǎn)離基坑側(cè)豎向變形，預(yù)測(cè)為沉降，實(shí)際為先沉降后隆起；接近基坑側(cè)豎向變形，與預(yù)測(cè)基本相符，但實(shí)際隆起數(shù)值卻增大了超過(guò)20倍。最終，既有鐵西廣場(chǎng)站結(jié)構(gòu)朝地下商業(yè)街基坑反向偏轉(zhuǎn)，與預(yù)測(cè)相符。

5 原理分析

造成地下結(jié)構(gòu)的隆起的因素有很多，比如地下水位上升，鋼支撐預(yù)加力設(shè)計(jì)值過(guò)大，施工單位技術(shù)水平不高等。

1）基坑全程降水，地下水位一直控制在開(kāi)挖面以下1 m，而且地下水對(duì)既有結(jié)構(gòu)造成的隆起應(yīng)該是均勻的，而本工程表現(xiàn)為不均勻隆起。所以排除地下水位的影響。

2）通?；邮┳鲬?yīng)該“先撐后挖”，但為減少基坑暴露時(shí)間及滿(mǎn)足施工工期的要求，有的基坑會(huì)“先挖后撐”。對(duì)鋼支撐施加預(yù)加力可以控制基坑側(cè)壁水平位移及坑外地表沉降的進(jìn)一步發(fā)展；但鋼支撐預(yù)加力過(guò)大造成的隆起是當(dāng)基坑開(kāi)挖深度達(dá)到鄰近既有地下結(jié)構(gòu)底板以下時(shí)開(kāi)始的；而本工程從基坑開(kāi)挖開(kāi)始就已經(jīng)有隆起的趨勢(shì)。所以排除鋼支撐預(yù)加力設(shè)計(jì)值過(guò)大的影響。

3）很多基坑變形均由施工單位的土方超挖或支撐架設(shè)不及時(shí)造成的；但土方超挖或支撐架設(shè)不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致基坑水平位移和坑外地表沉降的加大。因此施工單位的技術(shù)水平并不是導(dǎo)致本工程結(jié)構(gòu)隆起的因素。

4）基坑工程手冊(cè)[3]提到：當(dāng)基坑圍護(hù)樁樁底清孔良好且樁底經(jīng)過(guò)注漿加固的情況下，圍護(hù)樁會(huì)隨基坑開(kāi)挖引起的坑底隆起，而產(chǎn)生相應(yīng)的抬高。本工程商業(yè)街基坑邊樁樁底土層為承載力較高的粗砂或圓礫地層，由于坑底隆起勢(shì)必造成圍護(hù)樁的豎向上抬；圍護(hù)樁上抬與鄰近既有地下鐵西廣場(chǎng)站的不均勻隆起有較大聯(lián)系。

樁體通過(guò)與鐵西廣場(chǎng)站結(jié)構(gòu)間的土體向鐵西廣場(chǎng)站傳遞豎向摩擦力，靠近基坑側(cè)的鐵西廣場(chǎng)站結(jié)構(gòu)隨基坑開(kāi)挖深度的加大，隆起量一直增大；遠(yuǎn)離基坑側(cè)的鐵西廣場(chǎng)站結(jié)構(gòu)，在基坑開(kāi)挖初始階段，因?yàn)橹亓ζ鹂刂谱饔枚两担S著基坑開(kāi)挖深度加大，向上的摩擦力起控制作用，亦導(dǎo)致其產(chǎn)生一定隆起；當(dāng)基坑開(kāi)挖至底后，基底隆起量趨于穩(wěn)定，既有結(jié)構(gòu)的隆起量隨之趨于穩(wěn)定；最終臨近基坑的既有鐵西廣場(chǎng)站產(chǎn)生了朝基坑側(cè)的反轉(zhuǎn)。

6 結(jié)果與討論

1）深大基坑圍護(hù)樁樁底清孔良好且樁底位于承載力較高的持力層時(shí)，隨基底隆起，鄰近既有地下結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的豎向不均勻隆起。在不考慮其他任何附加措施的前提下，該隆起量并不會(huì)對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)造成過(guò)度影響。

2）造成鄰近既有地下結(jié)構(gòu)不均勻隆起的原因：隨基坑開(kāi)挖，基底隆起，圍護(hù)樁隨之上抬，樁與既有地下結(jié)構(gòu)間的土體傳遞了向上的摩擦力，最終導(dǎo)致了既有地下結(jié)構(gòu)的不均勻隆起及反轉(zhuǎn)。

3）控制基坑邊既有地下結(jié)構(gòu)隆起的措施：適當(dāng)加大基坑圍護(hù)樁的嵌固深度，增大樁抗拔力，從而減小邊樁豎向上抬；如有條件，應(yīng)根據(jù)既有地下結(jié)構(gòu)隆起的狀況，采取在地面或結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓重的措施，控制結(jié)構(gòu)隆起。

4）通過(guò)有限元軟件，可有效預(yù)測(cè)既有地下結(jié)構(gòu)的整體變形趨勢(shì)；但受地層和結(jié)構(gòu)參數(shù)選取、地下水位變化及施工水平等諸多因素影響，數(shù)值模擬與實(shí)際變形會(huì)存在一定差異。

5）希望該論文為類(lèi)似工程建設(shè)提供參考并為相關(guān)數(shù)值模擬分析所借鑒，對(duì)輸入?yún)?shù)做進(jìn)一步優(yōu)化，讓數(shù)值模擬更加貼合實(shí)際，從而好地指導(dǎo)深大基坑工程的設(shè)計(jì)與施工。