深大基坑開挖對緊鄰既有地鐵結構變形趨勢研究

□文/袁創輝

隨著基坑寬度及深度的不斷增加，工程和環境風險隨之增加，如何減少深大基坑開挖對周邊環境尤其是緊鄰既有地下結構的影響至關重要。張國亮[1]采用FLAC3D有限元軟件，對深圳新建地鐵5號線前海灣站基坑近既有地鐵1號線鯉魚門站工程進行數值模擬計算，結果表明：新建基坑開挖會導致既有地鐵車站產生不均勻隆起及偏轉。李偉強[2]采用Plaxis 2D有限元軟件，對北京某高層辦公樓基坑鄰近某既有地鐵車站工程進行數值模擬計算，得出：新建基坑開挖對既有地鐵車站的水平位移影響不大，既有地鐵車站在新建基坑開挖過程中出現不同程度的回彈，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街深基坑鄰近既有地鐵的工程實例，應用有限元軟件建立巖土-結構整體計算模型，通過詳細分析計算，研究新建深基坑工程對鄰近既有地下結構產生的影響。

1 工程概況

遼寧省沈陽市某地下商業街共劃分為A、B、C、D四個區，其中，商業A區與沈陽地鐵九號線鐵西廣場站—興華公園站區間同期結合設計與施工，地鐵區間位于地下商業結構下方。鐵西廣場站為新建地鐵九號線和既有地鐵一號線換乘站，為地下兩層雙柱三跨車站，明挖法施工，結構寬24.5 m、高14.5 m，頂板覆土厚3.23 m，圍護結構采用?800 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁。

地下商業A 區基坑寬40.8 m、深25.8 m，采用圍護樁+鋼支撐支護體系，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5 道支撐，基坑邊與鐵西廣場站側墻外皮凈距5.2 m。見圖1。

圖1 商業街基坑與既有鐵西廣場站相對位置

為保證基坑開挖過程中鐵西廣場站的安全，鄰近鐵西廣場站一側，圍護結構采用?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 工程地質情況

根據詳勘報告，工程場地內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、碎石及砂類土組成，局部含少量建筑垃圾、生活垃圾（個別地段為垃圾填埋場）；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～長石質，次棱角形，均粒結構，顆粒級配差，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～長石質，棱角形，混粒結構，顆粒級配較好，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；

4）⑤74粗砂，11.2～16.3 m；黃褐色，石英～長石質，次棱角形，混粒結構，顆粒級配一般，含約15%黏性土，局部有礫砂夾層，濕，水下飽和，密實。

3 計算分析

3.1 計算模型

采用MIDAS-GTS 有限元軟件，建立尺寸為81 m×92 m×37 m 的模型，包含既有地鐵一號線鐵西廣場站主體及圍護結構、新建商業體基坑圍護及臨時結構。各土層均采用彈塑性材料，三維實體單元，采用Mohr-Coulomb 屈服準則；基坑圍護樁、主體結構頂底板及側墻、臨時支撐等采用彈性模型、板單元；主體結構梁柱等采用彈性模型、梁單元。模型側面邊界水平位移和底面邊界豎向位移受到約束；共計43 074 個單元。見圖2和圖3。

圖2 計算模型

圖3 基坑鄰近既有車站模型

力學參數見表1。

表1 巖土層力學參數

既有結構及新建結構均為鋼筋混凝土結構，梁、柱、板等各部分結構的參數根據設計情況在表2中選取。

表2 結構參數

既有車站站廳、站臺樓板均布活荷載為4 kPa，列車滿載等效均布荷載為16.16 kPa，地面車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，平衡初始地應力。

2）鈍化既有一號線車站土體單元，激活既有一號線圍護、主體結構。

3）鈍化商業體基坑各開挖層的土體單元并激活鋼支撐單元，模擬基坑開挖過程。

4）重復步驟3直到完成整個基坑的施工過程。整個分析步序見圖4。

圖4 分析步序

3.3 結果分析

既有地鐵車站受商業體基坑開挖影響，最大沉降0.62 mm，最大水平位移為1.99 mm，為朝向基坑方向。

為得到鐵西廣場站在整個基坑施工過程中的影響數據，選取了代表性計算監測點，見圖5。

圖5 監測點位置

圖5中，D軸為靠近基坑一側，取7 ～13 軸立柱底點為監測點繪制豎向位移時程曲線，見圖6。

圖6 各監測點時程曲線

由圖6可知：

1）臨近基坑一側D軸，隨基坑開挖有上隆現象，開挖第三層土體后開始發生沉降，最大上隆量為0.14 mm，發生在D8 監測點；

2）A、B、C軸時程曲線規律一致，均為隨基坑開挖結構產生沉降，最大沉降值為0.50 mm，發生在A8 監測點。

一號線鐵西廣場站中心線及左右線軌道中心線最終沉降量見圖7。

圖7 1號線鐵西廣場站最終沉降曲線

由圖7可知，右線軌道中心線差異沉降較大，左線軌道中心線及結構中心線差異沉降較小。說明地鐵一號線鐵西廣場站差異沉降量相對較大的區域主要集中在車站距離商業體基坑較近位置。

3.4 基坑開挖施工對既有站造成的變形預測

受基坑開挖影響，鐵西廣場站整體變形預測見圖8。

圖8 既有鐵西廣場站整體預測變形

由圖8可知：受地下商業街深大基坑開挖的影響，既有一號線鐵西廣場站主體結構靠近基坑側，結構自身及土體產生隆起現象；遠離基坑側，結構自身及土體產生沉降；結構頂底部均發生朝基坑側的水平位移，底部水平位移較大；結構整體朝基坑側呈反向旋轉趨勢。這與傳統基坑開挖引起的周邊土體變形不一樣。坑內土體開挖卸載，會引起坑外土體產生主動土壓力區，該范圍土體水平應力減小，剪力增大，形成一定范圍的塑性區，土體在自重作用下，產生豎向位移，砂卵石地層有支撐體系基坑開挖，會造成基坑外側地表形成一個“沉降槽”，地表沉降最大位置發生在距離基坑邊0.5倍基坑深度位置處，見圖9；另外，坑內土體開挖卸載，會導致坑內基底范圍內土體產生被動土壓力區，該部分土體受到較大的水平向壓應力，剪應力增大，在基坑底形成局部塑性區，發生向上隆起位移，當基坑較寬且較深時，基坑底會發生塑性隆起且基坑邊緣的基底隆起量較基坑中間更大，見圖10。

圖9 圍護結構變形

圖10 基底的隆起變形

4 施工監測數據

通過施工監測，驗證本工程對既有地下結構造成的影響。為保證既有地鐵安全運營，基坑開挖過程中對鐵西廣場站左右線道床位移采用自動化監測并結合人工監測進行校核，見圖11。

圖11 既有站道床水平及豎向位移監測點設計

監測數據顯示，基坑開挖過程中，既有站整體朝基坑側發生水平位移，最大位移量為1.6 mm；既有站左線道床豎向位移，先沉降，后隆起，最大沉降量0.7 mm，最大隆起量0.4 mm；既有站右線道床豎向隆起，最大隆起量2.9 mm；基坑開挖至基坑底以后，既有站變形趨于平緩。滿足地鐵運營安全及設計要求。見圖12。

圖12 既有站道床位移-工況變化曲線

鐵西廣場站受基坑開挖影響產生的實際變形見圖13。

圖13 既有鐵西廣場站整體實際變形

與圖8相比：水平位移基本相符；遠離基坑側豎向變形，預測為沉降，實際為先沉降后隆起；接近基坑側豎向變形，與預測基本相符，但實際隆起數值卻增大了超過20倍。最終，既有鐵西廣場站結構朝地下商業街基坑反向偏轉，與預測相符。

5 原理分析

造成地下結構的隆起的因素有很多，比如地下水位上升，鋼支撐預加力設計值過大，施工單位技術水平不高等。

1）基坑全程降水，地下水位一直控制在開挖面以下1 m，而且地下水對既有結構造成的隆起應該是均勻的，而本工程表現為不均勻隆起。所以排除地下水位的影響。

2）通常基坑施作應該“先撐后挖”，但為減少基坑暴露時間及滿足施工工期的要求，有的基坑會“先挖后撐”。對鋼支撐施加預加力可以控制基坑側壁水平位移及坑外地表沉降的進一步發展；但鋼支撐預加力過大造成的隆起是當基坑開挖深度達到鄰近既有地下結構底板以下時開始的；而本工程從基坑開挖開始就已經有隆起的趨勢。所以排除鋼支撐預加力設計值過大的影響。

3）很多基坑變形均由施工單位的土方超挖或支撐架設不及時造成的；但土方超挖或支撐架設不及時會導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水平并不是導致本工程結構隆起的因素。

4）基坑工程手冊[3]提到：當基坑圍護樁樁底清孔良好且樁底經過注漿加固的情況下，圍護樁會隨基坑開挖引起的坑底隆起，而產生相應的抬高。本工程商業街基坑邊樁樁底土層為承載力較高的粗砂或圓礫地層，由于坑底隆起勢必造成圍護樁的豎向上抬；圍護樁上抬與鄰近既有地下鐵西廣場站的不均勻隆起有較大聯系。

樁體通過與鐵西廣場站結構間的土體向鐵西廣場站傳遞豎向摩擦力，靠近基坑側的鐵西廣場站結構隨基坑開挖深度的加大，隆起量一直增大；遠離基坑側的鐵西廣場站結構，在基坑開挖初始階段，因為重力起控制作用而沉降，隨著基坑開挖深度加大，向上的摩擦力起控制作用，亦導致其產生一定隆起；當基坑開挖至底后，基底隆起量趨于穩定，既有結構的隆起量隨之趨于穩定；最終臨近基坑的既有鐵西廣場站產生了朝基坑側的反轉。

6 結果與討論

1）深大基坑圍護樁樁底清孔良好且樁底位于承載力較高的持力層時，隨基底隆起，鄰近既有地下結構會產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，該隆起量并不會對既有地下結構造成過度影響。

2）造成鄰近既有地下結構不均勻隆起的原因：隨基坑開挖，基底隆起，圍護樁隨之上抬，樁與既有地下結構間的土體傳遞了向上的摩擦力，最終導致了既有地下結構的不均勻隆起及反轉。

3）控制基坑邊既有地下結構隆起的措施：適當加大基坑圍護樁的嵌固深度，增大樁抗拔力，從而減小邊樁豎向上抬；如有條件，應根據既有地下結構隆起的狀況，采取在地面或結構內部壓重的措施，控制結構隆起。

4）通過有限元軟件，可有效預測既有地下結構的整體變形趨勢；但受地層和結構參數選取、地下水位變化及施工水平等諸多因素影響，數值模擬與實際變形會存在一定差異。

5）希望該論文為類似工程建設提供參考并為相關數值模擬分析所借鑒，對輸入參數做進一步優化，讓數值模擬更加貼合實際，從而好地指導深大基坑工程的設計與施工。