軟土深基坑與鄰近地鐵車站相互變形影響分析*

程玉蘭 王毅紅

(1.新疆建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，830026,烏魯木齊；2.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，710061,西安//第一作者，副教授)

在既有地鐵車站附近新建軟土深基坑工程時，既有車站會使基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地層變形受到不同程度的影響，新建基坑的開挖也會使既有車站周邊土體應(yīng)力場發(fā)生改變，使車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形，影響車站結(jié)構(gòu)安全，甚至影響地鐵列車正常運(yùn)行[1-2]。然而，文獻(xiàn)[3-9]等諸多研究大多采用摩爾-庫倫模型模擬地層土并忽略地下水的影響，未能同時考慮軟土的特殊變形特性以及基坑降水產(chǎn)生的滲流作用；而且，這些研究著重關(guān)注于新建基坑開挖對既有車站結(jié)構(gòu)的安全威脅，而忽視了既有車站對新建基坑變形的不利影響。本文以深圳地鐵5號線前海灣站軟土深基坑工程為背景，采用修正劍橋模型來模擬軟土，考慮流固耦合作用，研究了基坑樁體位移、地表沉降、支撐軸力，以及車站結(jié)構(gòu)位移在不同工況條件下的變化規(guī)律。

1 工程概況

新建的深圳地鐵5號線前海灣站位于既有的深圳地鐵1號線鯉魚門站西側(cè)6 m左右，兩站并行。車站標(biāo)準(zhǔn)段外包橫斷面尺寸為21.20 m×13.54 m(寬×高)，兩站并行頂板覆土厚度約3.50 m。為滿足兩線間聯(lián)絡(luò)線的設(shè)置要求，新建車站與既有車站的軌面高程應(yīng)保持一致，兩站的站廳地面標(biāo)高也應(yīng)接近。

前海灣站(新建車站)周圍空曠，施工前無地下管線和道路分布。該站基坑采用明挖法施工，基坑開挖深度約為16.59 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200 mm@1 350 mm套管鉆孔咬合樁(25 m深)+φ609 mm壁厚16 mm的鋼支撐形式，鋼支撐由上至下設(shè)置3道，分別位于地下0.50 m、6.60 m及12.35 m處?；訄龅胤秶鷥?nèi)，由上至下分別為人工填土、海積淤泥、粉質(zhì)黏土、粗砂、砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖和中分化花崗巖；地下水以孔隙潛水和基巖裂隙水為主，水位面位于地下1 m左右。

2 仿真模型

2.1 仿真模型建立

根據(jù)實(shí)際工程情況，取前海灣站標(biāo)準(zhǔn)段24 m長基坑進(jìn)行模擬開挖的仿真分析。采用FLAC3D軟件建立軟土深基坑開挖的仿真模型，如圖1所示。模型中，鯉魚門站圍護(hù)結(jié)構(gòu)深23.00 m厚1.20 m，邊墻厚0.80 m、高12.94 m，柱子寬0.70 m、長1.00 m,頂板厚度1.00 m,中板厚0.40 m,底板厚1.10 m。整個模型長203.15 m，寬24.00 m，高60.00 m，共含386 282個節(jié)點(diǎn)和364 900個單元。

圖1 軟土深基坑開挖的仿真模型

模型邊界條件為頂面自由，底面固定，四周法向約束。設(shè)場地面標(biāo)高為±0.00,基坑開挖由上至下共分4步開挖完成：第1步開挖至-1.80 m，設(shè)置第1道鋼支撐；第2步開挖至-7.60 m，設(shè)置第2道鋼支撐；第3步開挖至-13.35 m，設(shè)置第3道鋼支撐；第4步開挖至基坑底位置，為-16.59 m處。基坑在每步開挖前均需進(jìn)行坑內(nèi)降水，且降水后的坑內(nèi)水位均位于每步相應(yīng)開挖坑底下方1 m左右處。

2.2 仿真模型的計(jì)算參數(shù)

考慮流固耦合作用，在基坑開挖前，仿真模型對兩側(cè)還施加了定水頭壓力邊界條件，靜水水位位于地下1 m處。將既有車站主體結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)均設(shè)置為不透水模型，打開滲流模型，使地下水位場保持平衡?；娱_挖過程中，將新建基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為不透水模型。在每步開挖前，先進(jìn)行坑內(nèi)預(yù)先降水，并將坑內(nèi)降水深度之上的土體水壓力設(shè)置為0，再進(jìn)行流固耦合分析。

此外，為準(zhǔn)確反映場地內(nèi)軟土地層的變形特性，采用修正劍橋模型來模擬人工填土、海積淤泥以及粉質(zhì)黏土等3種軟土，采用摩爾-庫倫模型來模擬其他地層土。根據(jù)《前海灣站詳勘階段巖土工程勘察報告》巖土物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表，各土層的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1和表2所示。采用彈性單元來模擬基坑樁體及鯉魚門站主體結(jié)構(gòu)，其彈性模量和泊松比分別為30 GPa和0.25。

表1 軟土的修正劍橋模型參數(shù)

表2 非軟土的摩爾-庫倫模型參數(shù)

基坑開挖后,隨著基坑內(nèi)水位的降低，基坑兩側(cè)的地下水將繞過圍護(hù)樁向坑內(nèi)發(fā)生滲流，從而產(chǎn)生滲流壓力，對基坑變形造成影響。然而，既有地鐵車站的存在，阻止了基坑外側(cè)水向坑內(nèi)的流動，因此，既有車站一側(cè)地下水的滲流速度要明顯小于另一側(cè)，有利于該側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。本文以下分析中，基坑每步開挖的結(jié)果都已包含了地下水的滲流作用影響，因此，不再對滲流作用下既有車站和新建基坑的變形作單獨(dú)分析。

2.3 仿真設(shè)計(jì)工況

工況1：深基坑周邊不存在既有鯉魚門車站。

工況2：為實(shí)際工程情況，前海灣站軟土深基坑與鯉魚門站間隔距離為6 m。

工況3：深基坑與鯉魚門站結(jié)構(gòu)的間距為2 m。

工況4：深基坑與鯉魚門站結(jié)構(gòu)的間距為10 m。

工況5：深基坑與鯉魚門站結(jié)構(gòu)的間距為18 m。

工況6：深基坑與鯉魚門站結(jié)構(gòu)的間距為30 m。

2.4 仿真模型的正確性驗(yàn)算

由圖2所示的基坑第3步開挖結(jié)束后基坑變形仿真值與實(shí)測值的對比曲線?？梢姡瑯扼w位移仿真值和地表沉降仿真值均與實(shí)測值相近，而且仿真值沿深度或在地面上的分布規(guī)律也與實(shí)測值保持一致。由此可見，本文建立的軟土深基坑開挖仿真模型能較好地反映既有車站與新挖基坑的力學(xué)響應(yīng)特征，具有較高的參考價值。

圖2 基坑變形仿真值與實(shí)測值的比較

3 仿真結(jié)果分析

3.1 既有車站對基坑開挖變形的影響

為研究既有鯉魚門站對前海灣站軟土深基坑變形的影響，將工況1和工況2的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如圖3～5所示。

3.1.1 樁體位移

圖3給出了工況1和工況2下基坑鉆孔樁在不同開挖步下的位移分布曲線。

圖3 不同工況不同基坑開挖步下的樁體變形曲線

1) 工況1:基坑周邊不存在既有地鐵車站，基坑兩側(cè)鉆孔樁在不同開挖步下的位移分布基本一致。隨著基坑開挖深度的增加，兩側(cè)樁體位移都逐漸增大，樁體最大位移位置逐漸下移并最終出現(xiàn)在-15 m處?；觾蓚?cè)樁體位移在第2步和第4步開挖時增長幅度較大，當(dāng)基坑開挖至基底位置時，兩側(cè)樁體最大位移約為20.8 mm。

2) 工況2：基坑一側(cè)存在既有地鐵車站，由于既有地鐵車站剛度大，且空間尺寸較大，對周邊土體存在“遮攔”效應(yīng)，限制了基坑一側(cè)的土體應(yīng)力位移及孔隙水的補(bǔ)充傳遞，導(dǎo)致基坑兩側(cè)樁體位移在不同開挖階段均呈現(xiàn)非對稱變形。其中，靠近地鐵車站一側(cè)的樁體位移要比工況2的小約30%～50%，而遠(yuǎn)離地鐵車站一側(cè)的樁體位移則要比工況2的大約20%。

由工況1和工況2的仿真結(jié)果比較，可見從圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形方面考慮，既有地鐵車站的存在對基坑安全控制不利。

3.1.2 地表沉降

圖4為工況1和工況2基坑兩側(cè)地表在不同開挖步下的豎向位移曲線。

圖4 不同開挖步下基坑兩側(cè)的地表豎向位移曲線

1) 工況1：基坑周邊不存在既有地鐵車站，基坑兩側(cè)地表豎向位移呈對稱分布。隨著基坑開挖，坑內(nèi)降水深度逐漸增加，基坑兩側(cè)地表沉降量及沉降范圍都逐漸增大。當(dāng)開挖至基坑設(shè)計(jì)坑底時，受基坑降水影響，基坑兩側(cè)的地表沉降受影響范圍達(dá)50 m。最大地表沉降值為14.7 mm，出現(xiàn)在距圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣約8 m處。

2) 工況2：當(dāng)基坑一側(cè)存在既有地鐵車站時，一方面，由于既有站有“遮攔”作用，基坑兩側(cè)樁體位移分布差別較大，相應(yīng)的樁后土體因水平移動而產(chǎn)生的沉降量也存在區(qū)別；另一方面，坑內(nèi)土體挖除會使基坑底部及其附近的土體產(chǎn)生一定的隆起，進(jìn)而鄰近地鐵車站結(jié)構(gòu)和上覆土層也出現(xiàn)隆起現(xiàn)象?？梢?，工況2下，基坑兩側(cè)地表的豎向位移分布規(guī)律存在較大的差異?？拷庺~門站一側(cè)：在鯉魚門站與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的基坑地表雖表現(xiàn)為沉降，但其沉降值相對較小，且隨基坑開挖深度增加而逐漸減??；在鯉魚門站區(qū)域范圍內(nèi)的基坑地表則表現(xiàn)為隆起，且隆起值隨著基坑開挖深度的增加而減??；在鯉魚門站區(qū)域外的基坑地表表現(xiàn)為沉降，該沉降值受開挖及降水深度的影響，越靠近鯉魚門站的地表沉降值越大。與工況1相比，基坑遠(yuǎn)離鯉魚門車站的一側(cè)地表沉降分布規(guī)律大體一致，但其沉降值和影響范圍大了約25%。

3.1.3 基底隆起

工況1與工況2下軟土基坑底部的隆起曲線如圖5所示。一般而言，基坑底部隆起值主要由當(dāng)前坑底位置土層性質(zhì)決定，并受當(dāng)前開挖深度影響。對于本工程，第2步開挖完成后的坑底位置土層為海積淤泥軟土。經(jīng)分析可知，第2步開挖完成后的基底土體隆起值最大，達(dá)76.1 mm。因此，應(yīng)在基坑開挖前設(shè)置抗拔樁，以保證基底的安全。對比工況1與工況2的仿真結(jié)果可知，既有車站增大了基坑單側(cè)土體的剛度，減小了坑外土體繞過鉆孔樁后往坑內(nèi)的移動，有助于減小坑底回彈，但因作用有限，其對坑底隆起影響較小。

圖5 不同開挖步下基坑底部隆起曲線

3.2 車站與基坑間隔距離對基坑變形的影響

為研究車站與基坑間隔距離對基坑變形的影響，對比工況2～6的仿真結(jié)果，如圖8～10所示。

3.2.1 樁體水平位移

圖6所示的基坑兩側(cè)樁體在基坑開挖完成后的水平位移由曲線可見，各工況下的基坑兩側(cè)鉆孔樁水平位移均沿樁深方向呈“弓形”分布，且在-14 m處最大。隨著車站與基坑間距的增大，靠近車站一側(cè)的樁體水平位移，在-6 m以上范圍內(nèi)先減小后增大，在-6 m以下范圍內(nèi)逐漸增大，在-18 ～-10 m范圍的變化最為明顯。遠(yuǎn)離車站一側(cè)的樁體水平位移變化規(guī)律則恰恰相反：其樁體位移在-6 m以上先增大后減小，在-6 m以下范圍內(nèi)逐漸減小。

圖6 車站與基坑間距不同時的基坑樁體水平位移曲線

從樁體水平位移變化幅度上看，車站與基坑間距對樁體水平位移的影響，在靠近車站一側(cè)要比在遠(yuǎn)離車站一側(cè)大得多?？拷囌疽粋?cè)的樁體最大水平位移同鯉魚門站距基坑距離呈“指數(shù)衰減式”負(fù)相關(guān)關(guān)系，遠(yuǎn)離鯉魚門站一側(cè)的樁體最大水平位移則同車站距基坑距離呈“指數(shù)衰減式”正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)車站距基坑距離達(dá)25 m以上時，既有車站對新建基坑樁體變形的影響可忽略不計(jì)。

3.2.2 地表豎向位移

圖7為車站與基坑間距不同時基坑兩側(cè)地表的沉降曲線。由圖7可知，隨著車站與基坑間距的增大，靠近既有車站一側(cè)，在車站與基坑之間的土體地表豎向位移和范圍將逐漸增大，并最終基本保持穩(wěn)定，在既有車站范圍內(nèi)的土體隆起值則大體保持一致，約為2～4 mm；在既有車站外，土體沉降值和沉降范圍則逐漸減小，最終基本為0。在遠(yuǎn)離鯉魚門站的一側(cè)，隨著車站與基坑間距的增大，地表沉降量和影響范圍略有減小。

可見，車站與基坑的間距主要影響車站與基坑之間的土體沉降。且該處地表最大沉降值與車站與基坑間距呈“指數(shù)衰減”關(guān)系。當(dāng)車站與基坑間距大于10 m時，地表最大沉降值基本不變。

圖7 車站與基坑間隔距離不同時基坑地表的豎向位移曲線

3.2.3 支撐軸力

車站與基坑間距不同時，基坑各道鋼支撐的軸力如圖8所示。與工況2相比，工況6時第2道和第3道鋼支撐軸力值呈“指數(shù)衰減式”增大，軸力值增大了80～100 kN；而第1道支撐的軸力值呈“指數(shù)衰減式”減小，減小幅度約為53 kN。當(dāng)車站與基坑間距大于10 m時，車站與基坑間距對基坑鋼支撐軸力的影響可以忽略不計(jì)。

圖8 車站與基坑間隔距離不同時基坑鋼支撐軸力圖

3.3 基坑開挖對鯉魚門站變形的影響

3.3.1 基坑不同開挖步的影響

圖9為實(shí)際基坑分步開挖過程中鯉魚門站主體結(jié)構(gòu)的位移變化曲線。

由圖9a)可見，基坑不同開挖步下，鯉魚門站兩邊側(cè)墻的水平位移分布都基本相同。這意味著，5號線前海灣站深基坑開挖對臨近鯉魚門站結(jié)構(gòu)橫向變形的影響主要表現(xiàn)為水平方向的剛性移動。鯉魚門站整體水平位移與基坑開挖深度近似呈線性正相關(guān)關(guān)系。由圖9b)可知，基坑內(nèi)土體的挖除會導(dǎo)致鯉魚門站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻隆起。隆起值在靠近基坑一側(cè)較大，在遠(yuǎn)離基坑一側(cè)較小。

圖9 基坑開挖過程中鯉魚門站主體結(jié)構(gòu)位移變化曲線

此外，由于鯉魚門站結(jié)構(gòu)的豎向位移受到邊墻外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的約束作用，因此其在兩側(cè)的隆起值要小于中間。該站結(jié)構(gòu)最大隆起值約為3.3 mm，且最終將出現(xiàn)在車站中心靠近基坑方向約3 m處?？梢哉J(rèn)為，5號線前海灣站深基坑開挖對鯉魚門站結(jié)構(gòu)豎向變形的影響主要表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)的抬動。

圖10為基坑不同開挖步下車站主體結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)力值的變化曲線?；拥?步開挖完成后，鯉魚門站受結(jié)構(gòu)自重及周圍水土壓力的影響，其最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在車站頂板兩側(cè)跨中(A3、A4)及底板兩側(cè)墻腳外側(cè)(A1、A2)處，其仿真值為0.96 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中柱柱頂(B1、B2)、柱腳(B3、B4)及兩側(cè)墻腳(B5、B6)內(nèi)側(cè)位置，其仿真值為1.02 MPa；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在下層中柱的柱間位置(C1、C2)，其仿真值為4.20 MPa。隨著基坑開挖，鯉魚門站各組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。當(dāng)基坑開挖完成后，最大拉應(yīng)力增至1.61 MPa，并出現(xiàn)在A1點(diǎn)位置；最大壓應(yīng)力減至0.94 MPa，其出現(xiàn)位置與第1步開挖完成時相同；最大剪應(yīng)力增至4.35 MPa，其出現(xiàn)位置也基本不變。從結(jié)構(gòu)受力變化角度上說，新建基坑主要對既有車站遠(yuǎn)離基坑一側(cè)的結(jié)構(gòu)有不良影響。

圖10 基坑不同開挖步下車站主體結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力值

3.3.2 基坑與鯉魚門站間距不同的影響

基坑與鯉魚門站間距不同時，鯉魚門站結(jié)構(gòu)邊墻和頂板的位移變化曲線如圖11所示。當(dāng)基坑距車站距離較小時，車站靠近基坑一側(cè)邊墻的水平位移，上部明顯小于下部；而車站頂板的豎向位移，靠近基坑一側(cè)明顯大于另一側(cè)。這說明，鯉魚門站結(jié)構(gòu)在基坑開挖作用下發(fā)生了明顯的剛性移動和偏轉(zhuǎn)變形，而且隨著基坑距車站距離的增大，鯉魚門站的結(jié)構(gòu)水平位移和豎向位移逐漸減小，偏轉(zhuǎn)變形量也逐漸變小，這意味著整個車站結(jié)構(gòu)也越來越穩(wěn)定。經(jīng)分析，車站結(jié)構(gòu)最大位移與基坑距車站距離呈指數(shù)衰減關(guān)系，當(dāng)基坑距車站距離達(dá)20 m以上時，車站結(jié)構(gòu)水平位移和豎向位移基本不受基坑開挖影響。

圖12為基坑與鯉魚門站間距不同時的車站主體結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力值變化曲線。隨著基坑與鯉魚門站間距的增大，車站主體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值逐漸減小，最大壓應(yīng)力值逐漸增大，而最大剪應(yīng)力則基本不變。當(dāng)基坑與車站間隔距離大于18 m時，基坑與車站的相互影響效應(yīng)可以忽略不計(jì)，此時，車站結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及剪應(yīng)力與間隔距離2 m時相比，分別減小了33.0%、-11.0%和0.5%。

圖11 基坑與車站間隔距離不同時車站結(jié)構(gòu)位移變化曲線

圖12 基坑與車站間距不同時的車站結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力

4 結(jié)論

1) 既有鯉魚門站使得基坑兩側(cè)樁體位移在不同開挖階段均呈現(xiàn)非對稱變形?？拷庺~門站一側(cè)的樁體位移，工況2要比工況1小約30%～50%，而另一側(cè)則大了約20%。

2) 基坑開挖過程中，在鯉魚門站區(qū)域內(nèi)的土體地表隆起，在其余區(qū)域的土體地表則沉降。隨著基坑開挖深度的增大，既有站區(qū)域范圍內(nèi)的地表隆起值也不斷增大。

3) 由工況2～6的仿真結(jié)果比較可知：隨著既有車站與基坑間距的增大，基坑兩側(cè)樁體最大位移呈“指數(shù)衰減式”變化；當(dāng)既有車站距基坑距離達(dá)25 m以上時，既有車站對新建基坑樁體變形的影響可以忽略不計(jì)。

4) 新建基坑開挖對既有車站的影響主要表現(xiàn)為剛性水平位移及豎向位移。隨著基坑距既有車站距離的增大，既有車站結(jié)構(gòu)最大水平位移和豎向位移均呈“指數(shù)衰減式”減小。