共用地下連續(xù)墻的雙側(cè)基坑近接開挖對地鐵車站位移變形的影響

中圖分類號：TU47文獻標志碼：A 開放科學(xué)識別碼（OSID碼）：

Influences of Proximity Excavation of Bilateral Foundation Pits with Common Diaphragm Walls on Displacement Deformation of Subway Stations

LIU Wanqun ¹ ， LIU Yan ¹ ， LIU Yong ² ， YANG Fan3， ZHANG Shuming ¹ ，YAN Bo4 （1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，UniversityofJinan，Jinan25022，Shandong，China；2.Shandong Chambon Construction GroupCo.，Ltd.，Jinan250014，Shandong，China；3.Jinan Dinghui CivilEngineering TechnologyCo.Ltd， Jinan 250002，Shandong，China；4.Shandong SanjianConstruction EngineeingCo.，Ltd.，Jinan25010，Shandong，China）

Abstract：To explore displacement deformation of subwaystationscaused bydifferent excavation processes of bilateral foundation pits with common diaphragm walls shared with subway stations，taking the bilateral foundation pit project with commondiaphragm walssharedwith asubwaystation in Jinan Cityasanexample，a totalof7proximityexcavation procesesof bilateral foundationpitsin4 types weredesigned byusing the methodofcombining thethre-dimensional finiteelement modelof bilateralfoundation pitsintheproject withon-site monitoring.Theoptimal excavationproces was selected according to displacement deformation of the subway station caused by proximity excavationof thebilateral foundation pits，and was verifiedaccording todisplacement deformationofbilateral foundationpit enclosure structuresand the subway station.Theresultsshowthat proximity excavation processesof bilateral foundation pits haveasignificant influenceon displacement deformation of the subway station.The order of 4 types of excavation processes are successively excavation，layered altemnating excavation，synchronous layered excavation，and alternating excavation with balanced excavation volume according to thecaused displacement deformationof the subwaystation formlarge tosmall.Compared withothe excavationprocesses，altematingexcavation withbalanced excavationvolumeprocess hasasignificantlyreduced influenceon displacement deformationof the subway station.Whenthe bilateral foundation pitswith common diaphragm wallsshared withthesubwaystationare proximately excavatedandtheexcavationarea difference islarge，onthe premise of ensuring thatdisplacement deformationof the subway stationcausedby proximity excavationof the bilateral foundation pitsisassmallaspoible，theoptimal excavationprocess isprocess5，hatis，synchronousexcavationof thefirstlayer offoundation pitAand foundation pitB is alternated byexcavation of foundation pitA to the botom of the pit.

Keywords：proximityexcavation；optimal excavationprocess；numerical simulation；bilateral foundationpit；on-site monitoring；displacement deformation；subway station；common diaphragm wall

隨著城市化進程的加速，各大城市的城市軌道交通建設(shè)正如火如荼地開展?？紤]到普遍存在的安全性問題，多數(shù)城市在城市軌道交通用地周邊距離為 50m 的范圍內(nèi)實施了嚴格的開發(fā)限制，導(dǎo)致大量土地資源閑置和浪費，因此實現(xiàn)城市軌道交通與土地利用的協(xié)調(diào)成為城市發(fā)展的核心問題。陳湘生1對該問題開展了深入研究，提出在確保安全的基礎(chǔ)上可以近接施工。高盟等2采用FLAC3D軟件模擬與地鐵車站共用地下連續(xù)墻的基坑開挖導(dǎo)致的地鐵車站位移變形特征，結(jié)果表明，地鐵車站地下連續(xù)墻的水平位移與加固深度成反比，而墻體與加固體之間的接觸摩擦力使地下連續(xù)墻的豎向位移與加固深度成正比。郭海柱等[3]采用ABAQUS軟件模擬與地鐵車站共用地下連續(xù)墻的基坑開挖導(dǎo)致的地下連續(xù)墻的位移變形特征，結(jié)果表明，不同于普通的無地下圍護結(jié)構(gòu)的位移變形，共用段地下連續(xù)墻在基坑開挖面之上時的位移變形較小。陳錦劍等4通過修正劍橋模型研究不同雙側(cè)基坑開挖順序?qū)灿玫叵逻B續(xù)墻的地鐵車站位移變形的影響規(guī)律，結(jié)果表明，雙側(cè)基坑開挖時分隔式開挖通過隔離大基坑開挖對隧道的影響而有效地減少隧道隆起，非對稱開挖雖然能減少單次卸荷導(dǎo)致的隆起，但是可能增加隧道側(cè)向位移風(fēng)險。唐長東等[5]采用midasGTS NX軟件模擬基坑開挖過程中不同分層、分區(qū)對共用地下連續(xù)墻位移變形特征的影響，結(jié)果表明，分區(qū)開挖對共用墻體的位移變形具有一定的抑制作用，并且地鐵車站的遮擋效果在巖層地區(qū)的基坑工程中仍然有效。王志杰等[采用FLAC3D軟件數(shù)值模擬基坑開挖，研究了基坑施工對緊鄰地鐵車站位移變形的影響，結(jié)果表明，基坑開挖導(dǎo)致地鐵車站產(chǎn)生不同程度的沉降，地鐵車站底板處于拉伸狀態(tài)，而地鐵車站的水平位移變形較小。馬凱倫等[7]采用midasGTSNX軟件分析雙側(cè)基坑開挖對密貼地鐵車站的影響，得出施工降水及開挖均導(dǎo)致地鐵車站產(chǎn)生不同位移變形的結(jié)論。

地鐵車站對位移變形的要求異常嚴格，當位移變形達到 10mm^[8] 時地鐵停運。在零距離施工時，雙側(cè)基坑近接開挖對地鐵車站的影響更復(fù)雜，雙側(cè)基坑近接開挖工序為主要影響因素，特別是地鐵車站兩側(cè)同時存在基坑時，雙側(cè)基坑近接開挖工序是影響地鐵車站位移變形的非常重要的因素。目前雙側(cè)基坑近接開挖工序?qū)Φ罔F車站的影響研究相對較少。本文中以市某共用地鐵車站地下連續(xù)墻的雙側(cè)基坑工程為例，利用該工程中雙側(cè)基坑的三維有限元模型與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究雙側(cè)基坑不同開挖工序?qū)Φ罔F車站位移變形的影響，在確保雙側(cè)基坑近接開挖導(dǎo)致地鐵車站位移變形盡可能小的前提下，提出雙側(cè)基坑近接開挖最優(yōu)開挖工序。

1工程概況

市某共用地鐵車站地下連續(xù)墻的雙側(cè)基坑工程中的雙側(cè)基坑分東、西側(cè)2個部分開挖，雙側(cè)基坑的位置緊鄰地鐵車站，工程平面圖與雙側(cè)基坑剖面圖如圖1所示。地鐵車站基坑第1層內(nèi)支撐未拆除，地鐵車站的地下連續(xù)墻同時用作雙側(cè)基坑的圍護結(jié)構(gòu)。地鐵車站西側(cè)基坑A坑深為 17.008～ 17.308m ，基坑A東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)借用地鐵車站的主體圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻，基坑A北、西側(cè)圍護結(jié)構(gòu)采用厚度分別為 800，1000mm 的地下連續(xù)墻。地鐵車站東側(cè)基坑B坑深為 17.46m ，基坑B西側(cè)圍護結(jié)構(gòu)借用地鐵車站的主體圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻，基坑B東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)采用厚度為 800mm 的地下連續(xù)墻，均采用明挖順做法施工。

2 雙側(cè)基坑三維有限元模型建立及近接開挖工序設(shè)計

2.1 三維有限元模型建立

為了深入探究雙側(cè)基坑近接開挖對地鐵車站位移變形的影響，采用midasGTSNX軟件建立工程中雙側(cè)基坑的三維有限元模型，如圖2所示。該模型的建立基于如下假定：1）土體簡化為理想彈塑性材料，復(fù)雜多變的土層通過合并簡化為若干較均質(zhì)的土層；2）初始應(yīng)力場僅考慮基坑開挖范圍的土體和地鐵車站的自重。根據(jù)雙側(cè)基坑近接開挖導(dǎo)致的邊界效應(yīng)，確定地鐵車站水平方向的長度為 350m ，垂直方向的寬度為 190m ，豎直方向的高度為 55m 。

三維有限元模型中各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。地鐵頂板、中板1、中板2、底板、側(cè)墻均采用強度等級為C35的混凝土。采用線彈性本構(gòu)模型數(shù)值模擬雙側(cè)基坑近接開挖，彈性模量為3.15×10⁷kPa ，泊松比為0.2。

為了驗證數(shù)值模擬中相關(guān)參數(shù)的合理性，模擬與地鐵車站共用地下連續(xù)墻的雙側(cè)基坑近接開挖導(dǎo)致的周邊地表沉降，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，本文中的數(shù)值模擬曲線與文獻［9]中的經(jīng)驗曲線擬合度較高。

2.2 近接開挖工序設(shè)計

為了分析雙側(cè)基坑近接開挖工序?qū)Φ罔F車站位移變形的影響，設(shè)計4類共7種開挖工序。1）雙側(cè)基坑先后開挖工序，包括先開挖基坑A后開挖基坑B、先開挖基坑B后開挖基坑A，分別記為工序1、2。2）分層交替開挖工序，記為工序3，剖面圖如圖4所示。3）均衡開挖量交替開挖工序，包括同步開挖基坑A第1層和基坑B前2層與同步開挖基坑A第2層和基坑B第3層交替開挖、同步開挖基坑A第1層和基坑B與開挖基坑A至坑底交替開挖、同步開挖基坑A前2層和基坑B與基坑A開挖至坑底交替開挖，分別記為工序4、5、6，剖面圖如圖5所示。均衡開挖量遵循分層開挖分層支護的原則，即在基坑B分層挖至目標深度時，基坑A同期開挖完成并做好支撐，從而保持基坑A、B兩側(cè)開挖量大致均衡。4）同步分層開挖，記為工序7，剖面圖如圖6所示。

3 最優(yōu)開挖工序篩選

與地鐵車站共用地下連續(xù)墻的雙側(cè)基坑近接開挖工序不同時地鐵車站位移的最大值如表2所示。從表中可以看出：近接開挖工序編號按照地鐵車站水平位移最大值由小到大的順序為5、7、6、4、3、2、1。近接開挖工序編號按照地鐵車站豎向位移最大值由小到大的順序為 1，5，3，2，4，6，7 。地鐵車站的水平位移差異較大，水平位移最大值為 4.96mm ，對應(yīng)工序1，水平位移最小值為 3.64mm ，對應(yīng)工序5。地鐵車站的豎向位移差異較小，豎向位移最大值為 2.09mm ，對應(yīng)工序2，豎向位移最小值為2.04mm ，對應(yīng)工序1。綜上，在確保雙側(cè)基坑近接開挖導(dǎo)致地鐵車站位移變形盡可能小的前提下，4類開挖工序按照地鐵車站位移變形由大到小的順序為先后開挖、分層交替開挖、同步分層開挖、均衡開挖量交替開挖。相較于其他開挖工序，均衡開挖量交替開挖對地鐵車站位移變形的影響顯著減小。

與地鐵車站共用地下連續(xù)墻的雙側(cè)基坑近接開挖工序不同時地鐵車站底板的位移變形如圖7所示，其中里程樁樁號分別為 2K5+627 、 7K5+897 處為地鐵車站起點、終點，基坑A的長度為 63～217m ，基坑B的長度為 103～175m 。由圖7（a）可知：工序5 導(dǎo)致的地鐵車站底板水平位移最小，為 3.61mm ：工序7導(dǎo)致的地鐵車站水平位移為 3.84mm 。當雙側(cè)基坑近接開挖且開挖面積差距較大時，均衡開挖量交替開挖工序中的工序5控制地鐵車站位移變形的效果最優(yōu)。由圖7（b）可知：在不同工序條件下，地鐵車站底板的豎向位移變形均為隆起變形，地鐵車站底板的豎向位移的趨勢呈拱形，服從正態(tài)分布；工序5導(dǎo)致的地鐵車站底板豎向位移最小，為1.26mm 。綜上，在不同的近接開挖工序中，地鐵車站的豎向位移變形均為隆起變形，并且豎向位移穩(wěn)定在約 2.08mm ，各工序的差異較小，表明與地鐵車站水平位移相比，雙側(cè)基坑的近接開挖工序?qū)Φ罔F車站豎向位移的影響較小。當雙側(cè)基坑近接開挖面積存在較大差距時，工序1、2對地鐵車站位移變形的影響最大。在確保雙側(cè)基坑近接開挖量相對接近的情況下，工序5、6、7對地鐵車站位移變形的影響顯著減小。由此可知，在近接開挖與地鐵車站共用地下連續(xù)墻的雙側(cè)基坑且雙側(cè)基坑近接開挖面積差異較大的情況下，為了最小化雙側(cè)基坑近接開挖對地鐵車站的位移變形影響，應(yīng)優(yōu)先考慮采用均衡開挖量交替開挖工序中的工序5。

4最優(yōu)開挖工序驗證

4.1 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比分析

工程現(xiàn)場采用的近接開挖工序為工序7。選取地鐵車站水平、豎向位移現(xiàn)場監(jiān)測點，對應(yīng)的模擬值與監(jiān)測值如圖8所示。由圖可知：地鐵車站水平位移最大值在左線監(jiān)測點 Z₂₁ 處取得，約為 3.65mm ，監(jiān)測值約為 4.91mm ；右線監(jiān)測點 Y₁₇ 處模擬值約為 3.46mm ，監(jiān)測值約為 4.82mm 。左線監(jiān)測點 Z₂₀ 處的最大豎向位移模擬值約為 1.04mm ，監(jiān)測值約為 1.69mm ；右線監(jiān)測點 Y₁₆ 處最大豎向位移模擬值約為 1.16mm ，監(jiān)測值約為 1.63mm 。綜上，當雙側(cè)基坑近接開挖采用工序7時，地鐵車站位移變形偏大，因此有必要分析是否有更優(yōu)的開挖工序，以減少雙側(cè)基坑近接開挖對地鐵車站位移變形的影響。

4.2 最優(yōu)開挖工序驗證結(jié)果分析

采用工序5時雙側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移變形云圖如圖9所示，其中圍護結(jié)構(gòu)為基坑A西側(cè)地下連續(xù)墻、基坑B東側(cè)地下連續(xù)墻、基坑A東側(cè)及基坑B西側(cè)共用地鐵車站地下連續(xù)墻。從圖9（a）中可以看出，基坑A北側(cè)地下連續(xù)墻產(chǎn)生向基坑A內(nèi)側(cè)方向的水平位移，最大值約為 12.87mm 。從圖9（b）中可以看出：基坑A西側(cè)地下連續(xù)墻產(chǎn)生向基坑A內(nèi)側(cè)的水平位移，最大值約為 15.00mm 。東側(cè)共用地鐵車站地下連續(xù)墻上部產(chǎn)生向基坑外側(cè)即地鐵車站方向的水平位移，最大值約為 5.52mm ，下部產(chǎn)生向基坑A內(nèi)側(cè)的水平位移，最大值約為8.81mm ?；覤東側(cè)地下連續(xù)墻產(chǎn)生向基坑B內(nèi)側(cè)的水平位移，最大值約為 9.26mm ，西側(cè)共用地鐵車站地下連續(xù)墻上部產(chǎn)生向基坑B內(nèi)側(cè)的水平位移，最大值約為 3.25mm ，下部產(chǎn)生向基坑外側(cè)即地鐵車站方向的水平位移，最大值約為 4.14mm ，最大水平位移出現(xiàn)在基坑B開挖面以下。

采用工序5時地鐵車站位移變形云圖如圖10所示。從圖10（a）、（b）中可看出，地鐵車站底部水平位移最大，約為 3.64mm ，位于基坑A側(cè)，產(chǎn)生向基坑A方向的位移變形。從圖10（c）、（d）中可以看出，雙側(cè)基坑近接開挖導(dǎo)致地鐵車站產(chǎn)生隆起變形，地鐵車站的最大豎向位移分別為 1.55、2.13mm 。

表3所示為采用工序5時雙側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)與地鐵車站位移與規(guī)范[8控制值對比。由表可知，當采用工序5時，雙側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移最大值約為規(guī)范控制值的 32% ，地鐵車站水平、豎向位移最大值分別約為規(guī)范控制值的 36% 、 21% ，因此當采用工序5時，地鐵車站的位移變形始終處于安全范圍內(nèi)。

當采用工序5時，地鐵車站的位移變形最小，因此在與地鐵車站共用地下連續(xù)墻的雙側(cè)基坑近接開挖面積差異較大的情況下，為了最小化雙側(cè)基坑近接開挖對地鐵車站位移變形的影響，應(yīng)優(yōu)先考慮采用均衡開挖量交替開挖工序。

5結(jié)論

本文中利用市某共用地鐵車站地下連續(xù)墻的雙側(cè)基坑工程中雙側(cè)基坑的三維有限元模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，探討了雙側(cè)基坑近接開挖工序?qū)Φ罔F車站位移變形的影響，篩選并驗證了最優(yōu)開挖工序，得到以下主要結(jié)論：

1）4類雙側(cè)基坑近接開挖工序按照導(dǎo)致地鐵車站產(chǎn)生的位移變形由大及小的順序為先后開挖、分層交替開挖、同步分層開挖、均衡開挖量交替開挖，相較于其他開挖工序，均衡開挖量交替開挖對地鐵車站位移變形的影響顯著減小。

2）在所設(shè)計的7種雙側(cè)基坑近接開挖工序中，在確保雙側(cè)基坑近接開挖導(dǎo)致地鐵車站位移變形盡可能小的前提下，最優(yōu)開挖工序為工序5，對地鐵車站位移變形的影響最小，因此在雙側(cè)基坑共用地鐵車站地下連續(xù)墻近接開挖且雙側(cè)基坑近接開挖面積差異較大時，為了最小化雙側(cè)基坑近接開挖對地鐵車站位移變形的影響，應(yīng)優(yōu)先考慮采用均衡開挖量交替開挖工序。

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（責(zé)任編輯：王 耘）