考慮降水軟土深基坑開挖對緊鄰地鐵車站結構的影響

劉繼林，鄭麗婷

(1.廣東省建筑設計研究院，廣東 廣州510000；2.廣東工業大學土木與交通工程學院，廣東 廣州510006)

0 引言

隨著高層建筑和地鐵等工程的建設發展，深基坑工程已成為巖土工程領域的主要課題[1]。由于基坑工程的復雜性，難以采用常規分析方法反映諸多影響因素，而數值計算能夠較好地刻畫土層-結構相互作用，因此得到很好的發展[2-5]。

由于地下水的存在，深基坑不可避免地面臨基坑降水問題[6]，因此有必要對基坑開挖降水作用下深基坑力學特性及其產生的環境效應開展探索。此外，現有基坑施工對鄰近建(構)筑物近接影響三維數值分析時，均視主體結構與附屬結構為一整體，然而工程實踐表明，基坑開挖對既有車站結構影響顯著區域往往出現在車站主體結構與出入口、通道及風亭等薄弱位置。

基于此，以典型工程實例為依托，考慮降水及鄰近建(構)筑物的超載效應，借助有限元軟件建立軟土深基坑施工過程的三維精細模型，探討基坑開挖引起的支護結構受力特性及緊鄰車站結構的變形響應特征，并揭示土層結構變形對基坑外降水的敏感性。

1 工程概況

某商業綜合樓工程位于廣州市荔灣區花地大道南路北側，花地大道中路西側?；又荛L約261 m，面積約4686 m2，開挖深度10.05～10.65 m，附屬配套設施地下室2層，地面以上20層(高91.5 m)?；硬捎霉嘧?與既有地鐵車站共用連續墻+鋼筋混凝土內支撐+預應力錨索的支護形式，主要包括:800mm厚連續墻，直徑1000mm的灌注樁，400mm厚的混凝土內支撐板，1000mm×1000mm及900mm×900mm內支撐梁，1000mm×1000mm冠梁及600mm×600mm腰梁，基坑平面支護形式如圖1所示。項目緊貼既有地鐵車站結構，基坑與車站銜接部位共用車站結構已有的地下連續墻。

圖1 新建基坑與車站位置關系

2 數值計算

2.1 三維模型建立

總體模型計算區域的選取充分考慮基坑開挖引起的邊界效應，水平方向計算區域取基坑開挖深度的3～5倍以上，豎直方向則取2～4倍以上為原則[7]，為此取計算模4型幾何尺寸x、y、z分別為150，140，40 m。計算模型側向加水平約束，底部加豎向約束，頂面為自由面，不加約束。

模型中土體、冠梁、灌注樁、人工挖孔樁采用三維實體單元，既有車站主體結構、出入口通道結構、進出通風口、緊急疏散通道、多層房屋結構、基坑內支撐板及連續墻采用殼單元模擬，車站柱、基坑立柱、內支撐梁與腰梁則采用梁單元模擬，錨索利用植入式桁架單元。模型中土體采用理想彈塑性本構模型，遵循Mohr-Coulomb屈服準則，而相關結構則采用彈性模量，三維計算模型如圖2所示。

圖2 三維計算模型

為充分考慮基坑圍護結構與土之間的滑移與脫離現象，在兩者界面間設置無厚度Goodman接觸單元[8]，其三維空間的面接觸單元在確定外荷載作用下滿足式(1)關系，單元的參數:法向剛度kn、切向剛度kz及轉動剛度kθ；N、Q、M表示軸力、剪力及彎矩；Δu為軸向位移，Δv為剪切應變，Δθ為相對轉角。

接觸單元設置于實體土層與實體、殼單元圍護結構間，由于實體單元僅存在線位移，因此接觸單元位移可抽象概括為水平與豎向位移，在出現滑移破壞前主要受法向剛度kn和切向剛度ks影響。可通過式(2)計算法向與切向剛度如下[9]:

式中，K與G為接觸面兩側材料的體積模量和剪切模量；Δzmin為接觸面法向厚度最小的網格寬度。接觸面參數與土體參數、網格尺寸有關，在本例數kn量級為(108～1010)Pa/m，ks數量級為(106～107)Pa/m。

數值計算過程中的考慮的主要荷載包括自重、地面設計超載20 kPa，基坑降水產生的水滲透壓力。此次分析含6個計算工況，具體如表1所示。

表1 計算工況

2.2 計算結果與分析

圖3，4為基坑開挖后(工況6)土層和支護結構側向位移云圖，定義位移指向坐標正向為正，反之為負。由圖3，4可知，圍護結構與土之間的相對位移很小，未超過土的極限剪應變，兩者間未產生相對滑動，兩者變形協調；由于基坑開挖卸載作用，基坑壁面兩側產生了不平衡的水土壓力，促使土層和圍護結構向臨空面移動，x、y方向產生的最大側移分別為7.31mm與4.86mm，出現在圍護結構頂部以下一定深度且使圍護結構呈現出“鼓肚形”，圍護結構所有側移均在變形控制值30mm的范圍內?？梢姡又ёo體系滿足基坑自身的穩定安全。

圖3 基坑施工后土層位移云圖

圖4 基坑施工后支護結構位移云圖

圖5為基坑后開挖引起的既有車站結構位移云圖。由圖5可知，基坑開挖引起的地鐵車站結構x、y、z方向最大位移分別為-1.675，1.240，-2.388mm。從地鐵車站結構位移來看，基坑施工對車站結構產生一定影響，但總體位移小于車站結構安全位移6mm[10-11]，車站結構能夠滿足安全要求。綜合基坑自身與緊貼車站結構變形情況，認為新建基坑支護方案具備可行性。

圖5 基坑施工后地鐵車站位移云圖

2.3 坑外降水的影響

為考察基坑開挖引起坑外降水對土層結構的影響，以圖2模型為基礎，分別開展坑外降水0，2，3 m降水進行穩定流計算，由此得到如圖6所示的降水2 m孔隙水壓力云圖及降水后的土層結構位移云圖。提取不同降水水位情況下引起的土層結構位移，如圖7所示。

圖6 降水2 m孔隙水壓與整體位移云圖

圖7 基坑不同降水土層與結構位移

由圖6～7可知，整體模型與車站結構位移隨降水水位加深明顯增大，尤其北側存在淤泥薄層使局部土層因水位下降浮重度變成干重度，豎向荷載增大而顯著下沉?？油饨邓疄? m時，車站結構x、y、z方向位移分別為-4.38，2.69，-4.01mm，水平向均指向基坑內，而豎直則向下，所有位移值都小于車站安全位移控制值。而當水位下降3 m時車站結構位移最大值達到9.36mm，位移值超過了控制值，因此建議坑外降水水深不應大于2 m。

3 結語

1)基坑開挖引起坑壁不平衡壓力，促使土層和圍護結構向臨空面移動，引起的最大側移為7.31mm，小于變形控制值。

2)基坑開挖卸載引起的緊貼地鐵車站結構最大位移為2.388mm，小于車站結構安全位移閾值，車站結構處于安全狀態。

3)坑外降水對基坑變形產生顯著影響，當水位下降至3 m時，車站結構位移超過了控制值，故降水應控制2 m內。