黃土地區基坑近接施工變形控制標準數值模擬研究

王立新,李儲軍,汪 珂,白陽陽

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

隨著城市對地下空間的大力開發，地鐵換乘站的數量穩步上升，因此基坑工程的數量也隨之增多，顯現出規模大、開挖深的特點。且由于地鐵換乘站常修筑于城市繁華地段，故對深基坑工程的安全、經濟、實用及環保等要求較高。如何經濟有效地解決這些問題已然成為基坑工程新的熱點課題。

在此背景下，國內外相關學者進行了大量研究：國外Terzaghi[1]、Peck[2]和Bjerrum等[3]采用理論研究的方法，得出了有關基坑穩定、支護受力及坑底隆起的計算方法；Ou[4]、Lee[5]和Finno等[6]運用有限元軟件對基坑的坑角效應及其影響因素和范圍、變形規律進行了研究； Marta Dolezalova[7]研究了開挖復雜卸載工況下隧道的力學行為；Sharma J S[8]研究了大開挖對隧道的變形影響；國內周澤林等[9]開展了基坑施工對下臥地鐵隧道上抬變形影響的簡化理論分析；卜康正等[10]基于Mindlin應力解，推導得出復合地基側摩阻力作用下隧道軸線上的豎向、橫向附加荷載。

姜兆華[11]、宋兆銳[12]、胡海英[13]、孟小偉[14]等采用數值模擬的方法研究了既有隧道受基坑開挖影響規律；郭磊[15]采用有限元軟件模擬了近接基坑工程開挖對地鐵車站安全性的影響，并采取了針對性措施以確保工程安全；張玉偉等[16]開展了非對稱基坑開挖對淺埋下臥地鐵隧道的影響；劉天正[17]通過對監測數據進行分析，得出基坑開挖過程中既有結構的變形規律，并提出相應控制手段和措施。

圖2 三維模型(單位：m)

一方面，這些研究多對其規律進行總結，并未得出相關的控制標準；另一方面，依托的工況少存在于濕陷性黃土地區。隨著黃土地區地鐵的大力發展，地鐵近接施工在濕陷性黃土地區已難以避免，因此在濕陷性黃土地區研究基坑近接施工的位移變化規律及確定變形控制標準具有重要的實踐意義。鑒于此，以西安地鐵5號線車站基坑臨近區間隧道和車站為工程背景，采用MIDAS/GTS進行模擬，分析了在新建基坑距既有車站和既有隧道的3種不同凈距工況下的地表沉降、新建基坑圍護結構位移、既有隧道和既有車站位移，得出新建基坑施工時保證既有隧道安全運營的位移控制標準。

2 工程概況

新建基坑呈東西走向，既有車站為南北走向，新建基坑向下開挖深度為24 m，基坑東側圍護結構在東西方向距離既有隧道左線為24 m，距離既有車站在南北方向為18 m。基坑與既有車站及隧道平面位置關系如圖1所示。

圖1 新建車站深基坑與既有車站及隧道平面位置關系

3 有限元模型

3.1 模型建立

研究區域土層自上而下依次為：1-2素填土，厚度2.1 m；3-1-1新黃土，厚度5.4 m；3-1-2新黃土，厚度2.8 m；3-2-2古土壤，厚度3.5 m；4-4粉質黏土，厚度22.8 m。各土層均服從摩爾-庫倫準則，具體材料參數見表1[18]。地下水埋深10.0 m，既有車站的尺寸為18 m×52 m×16 m，隧道長度為118 m，斷面寬度6.28 m、高6.5 m，呈馬蹄形，隧道覆土厚度9.6 m。建立的具體模型如圖2所示。

表1 地層巖土參數

沿基坑縱向設置4道支撐，第1道支撐采用混凝土撐，第2道至第4道支撐采用鋼管撐，格構柱為直徑1.2 m混凝土柱，圍護結構采用C35鉆孔灌注樁。上述材料均采用彈性本構模型，參數的具體值見表2[19]。所有材料均為均質、連續、各項同性體。

表2 結構材料參數[19]

3.2 本構模型優化

考慮到黃土濕陷這一不良地質現象，水位線以下的飽和黃土和古土壤層已不能簡單地采用摩爾-庫倫本構模型，故對其進行改進，改進后的模型是彈塑性模型和非線性彈性模型的組合。采用改進后修正的摩爾-庫倫本構模型對該工況進行模擬，可對基坑鄰近圍護結構的地表隆起異常、坑底隆起過大進行明顯修正。

3.3 工況擬定

計算工況取3種：新建基坑距既有車站和隧道的X方向水平凈距L分別為新建基坑開挖深度H(24 m)的0.5倍，0.75倍和1.0倍。計算過程中除L為變量外，其他參數均相同。具體見表3。

表3 東西向不同水平凈距的工況

3.4 施工步序模擬

有限元模擬基坑工程開挖的施工工序共有6步，具體步驟見表4。

表4 施工步序

4 計算結果及分析

4.1 測點布置

如圖3所示，在新建基坑東側地表沿東西方向及南北方向布設地表位移測線，測線以向東、北為正方向；在新建基坑地下連續墻的東墻中線和南北墻中線沿深度方向、在既有隧道拱腰處布設位移測線，測線以向上、向北為正方向。

圖3 測點布置

4.2 各工況結果分析4.2.1 地表沉降分析

圖4 新建基坑地表沉降曲線

根據數值模擬計算結果可知：水平凈距L=12，18，24 m時，新建基坑東側的最大地表沉降量分別為3.6，3.1，2.6 mm，其隨L的增加呈線性減小。各工況下新建基坑東側及南北側地表沉降曲線如圖4所示。由圖4(a)可知，隨L的增加，地表沉降槽的寬度逐漸減小，地表沉降槽由窄而深向寬而淺發展；在L=12，18，24 m工況下，分別在距基坑東側水平距離為12，18，24 m的位置出現了一個沉降峰值，根據模型圖及測線位置圖得到這些峰值點均位于既有隧道所在位置。由圖4(b)可知，在距基坑南北端距離相等位置處的地表沉降值基本相等且基本不隨L的減小而變化，曲線表現為以0點為對稱軸的對稱曲線。說明地表沉降值僅在新建基坑與既有車站、隧道之間的范圍受水平凈距影響較大；基坑在南北側的最大地表沉降值為7.7 mm，遠大于基坑東側最大地表沉降值。

4.2.2 新建基坑圍護結構位移分析

圖5 新建基坑圍護結構位移曲線

各工況下基坑東側圍護結構X方向位移曲線如圖5(a)所示。由圖可知，隨著L的增加，產生了顯著的位移增量，在不同水平凈距L=12，18，24 m工況下的峰值分別為17.9，14.8，10.6 mm。由圖5(b)、5(c)可知，隨著L的增加，新建基坑于南北方向側的圍護結構Y方向的位移變化趨于穩定，可以得出既有車站和地鐵隧道對新建基坑此位置和方向上的位移變化影響可忽略不計。

4.2.3 既有隧道位移分析

各工況下既有隧道位移曲線如圖6所示，其中JZ-Z、JZ-Y分別代表左側既有隧道左拱腰、右拱腰的位移，JY-Z、JY-Y分別代表右側既有隧道左拱腰、右拱腰的位移。由圖6(a)可知，在同一水平凈距工況時，既有地鐵隧道X方向位移規律為：左線隧道大于右線隧道、隧道左拱腰處位移大于隧道右拱腰；隨著水平凈距L的增加，既有隧道左線和既有隧道右線在X方向上的位移變化趨勢均逐漸減小，不同工況時其位移峰值均約產生于Y=85 m處，即新建基坑東側圍護結構的中線位置。不同水平凈距工況下既有隧道測線在X方向的位移峰值如表5所示。

圖6 既有隧道位移曲線

表5 既有地鐵隧道X方向位移最大值mm

如圖6(b)所示，既有地鐵隧道左右線的收斂值均為負，隧道拱腰部位的收斂值特征與既有隧道在X方向上的位移規律相似，不再重述。不同水平凈距工況下既有隧道拱腰處的收斂值如表6所示。

表6 既有地鐵隧道拱腰收斂最大值 mm

4.2.4 既有車站位移分析

圖7 各工況既有車站側墻X方向位移曲線

提取既有車站側墻在各工況下各施工步X方向的最大位移值，對其隨L和施工步的變化規律進行研究，得到的最大位移曲線如圖7所示。由圖7可以得出：在X方向上，既有地鐵車站的北側端墻和東西向側墻最大位移值均沿X負方向；既有地鐵車站端墻及側墻最大位移值的大小排序在不同施工步驟(絕對值)時均為：端墻>西側墻>東側墻，隨著新建基坑不斷開挖，在X方向其各側墻位移值均是負值。由上述規律可以得出：隨著新建基坑開挖深度的增加，且既有車站各側墻在X方向都會朝著新建基坑發生水平位移，距新建基坑的距離越大其各側墻的位移越小；新建基坑的端墻直接連接在既有隧道上，既有地鐵隧道的變形將直接對端墻產生影響，故既有車站端墻在車站各側墻中的位移變化最大；既有車站側墻隨著基坑開挖的逐步進行，其位移均產生顯著響應。既有地鐵車站在不同工況下的端墻及側墻位移最大值如表7所示，可知隨著水平凈距L的增加,既有車站各側墻及端墻的位移值逐漸減小。

表7 既有車站側墻位移峰值 mm

為研究新建基坑側墻最大豎向位移隨L和施工步的變化規律，提取既有車站各側墻及端墻在Z方向時不同工況下各施工步驟的最大位移值或最大位移絕對值，可得出位移曲線如圖8所示，由此可知：新建基坑進行前三次開挖施工時，在Z方向上既有地鐵車站不同工況側墻及端墻的最大位移值均為正，端墻位移值最大，東側墻最小，西側墻處于兩者之間；車站側墻最大位移值在新建基坑的第4、第5次開挖時變為負值，且沿Z軸負方向西側墻的位移最大，端墻次之，東側墻最小；各施工階段既有車站側墻Z方向的位移值均隨L的減小而增大。結果表明：新建基坑進行前3次開挖施工時，既有地鐵車站各側墻及端墻產生了隆起，端墻直接連接既有隧道，故其隆起值受基坑開挖影響最大；在施工步序結束時既有車站各側墻及端墻發生了不均勻沉降，各側墻的沉降值與新建基坑的距離呈反比，且既有地鐵車站的沉降傾斜于西北角。

圖8 各工況側墻Z方向位移

提取既有車站端墻在各工況下各施工步Y方向的最大位移值，對其隨L和施工步的變化規律進行研究，得到的位移曲線如圖9所示，由圖9可知：既有車站端墻Y方向的位移最大值僅為0.2 mm，可以得到既有車站Y方向的位移受新建基坑的影響很小，其位移變化規律與X方向位移隨L和施工步的規律相似，不再重述。

圖9 端墻Y方向位移

5 保證既有隧道安全運營的位移控制標準

為保證既有線運營安全，既有地鐵隧道左右線X方向均應控制位移范圍為5 mm內。由圖10可知：當水平凈距為12 m時，既有地鐵隧道左右線的水平位移均大于標準控制值；當水平凈距為18 m時，左線既有地鐵隧道左拱腰處的水平位移最大值基本等于標準控制值；當水平凈距為24 m時，既有地鐵隧道左右線的水平位移均小于標準控制值，符合規定。重點研究水平凈距為18 m的工況，既有地鐵隧道已處于運營階段，新建基坑開挖過程中對既有隧道進行水平方向的位移監測既不方便又不現實，且成本高昂，故用基坑圍護結構限值替代地鐵隧道水平位移限值。既有地鐵隧道對新建基坑南北側圍護結構的水平位移影響比較微弱，故只分析新建基坑水平位移，以保證其控制值滿足既有隧道安全運營的水平位移控制標準。由圖11可以得出，新建基坑四周圍護結構水平位移接近15 mm時，既有地鐵隧道的水平位移接近5.0 mm，因此當既有隧道與新建基坑的水平凈距為18 m時，應將新建基坑東側圍護結構的水平位移控制在15 mm以內。

圖10 隧道水平位移與限值關系

圖11 東側圍護結構與控制值關系

新建基坑變形控制標準建議值可在GB 50911—2013《城市軌道交通監測技術規范》[20]中查取，根據數值模擬結果分析可知，基坑臨近既有地鐵隧道施工時，保證既有線的安全運營的基坑支護樁(墻)體水平位移控制標準應控制在15 mm以內，控制標準較規范所規定的基坑支護變形控制標準更為嚴格。見表8。

表8 城市軌道交通新建基坑控制標準建議值[20]

6 結論

(1)既有地鐵隧道和新建基坑東側圍護結構的水平位移、基坑東側地表沉降均隨著水平凈距L的減小而增大；新建基坑南北端圍護結構的水平位移與南北側地表沉降變化規律一致，其值與水平凈距L的變化基本無關。

(2)隨著新建基坑開挖深度的增加，沿著新建基坑方向既有地鐵車站發生了整體水平向移動，且結構位移變化幅度與水平凈距L成反比；隨著既有地鐵車站水平向的移動，新建基坑圍護結構傾斜沉降最大值點發生在西北角。

(3)為保證既有隧道安全運營，應盡量避免L<12 m的工況；當水平凈距為18m時，應將新建基坑東側圍護結構水平位移的最大值控制在15 mm以內。控制標準較規范所規定的基坑支護變形控制標準更為嚴格。