淺析深基坑分坑開挖對(duì)臨近地鐵附屬結(jié)構(gòu)的影響

李昌寶

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

近年來，隨著我國(guó)城市建設(shè)的大力發(fā)展，城市地下空間開發(fā)的周邊環(huán)境越來越復(fù)雜，對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物的保護(hù)也越來越受到重視。基于深基坑工程空間大小、挖深、平面位置的復(fù)雜多變性，難以準(zhǔn)確反應(yīng)深基坑開挖對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物的變形影響，工程設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工程項(xiàng)目中往往擴(kuò)大設(shè)計(jì)的加強(qiáng)范圍，造成不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

在基坑設(shè)計(jì)中，不僅要保證基坑自身的安全可靠，同時(shí)也要盡可能地降低基坑開挖對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物的影響。當(dāng)深大基坑的開挖卸載引起的變形超過一定范圍時(shí)，可影響鄰近地鐵的正常運(yùn)營(yíng)。采用分層、分部開挖和鄰近地鐵側(cè)加密支撐可有效控制基坑開挖對(duì)鄰近的建（構(gòu)）筑物的變形[1-4]，部分深基坑工程施工場(chǎng)地狹小和周邊環(huán)境復(fù)雜，可采用超大混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐[5]。部分學(xué)者開展了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物沉降影響，如從成槽施工[6]、坑外二次加固[7]等方面展開。但少有研究基坑分坑尺寸對(duì)臨近地鐵附屬結(jié)構(gòu)的影響。現(xiàn)結(jié)合上海漕河涇開發(fā)區(qū)趙巷園區(qū)二期深基坑支護(hù)實(shí)例，采用Plaxis2D 軟件，建立二維彈塑性模型，模擬不同分坑寬度基坑開挖對(duì)鄰近地鐵附屬結(jié)構(gòu)的變形影響，對(duì)比實(shí)際工程設(shè)計(jì)方案，可對(duì)類似工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

上海漕河涇開發(fā)區(qū)趙巷園區(qū)二期深基坑位于青浦盈港東路以南，佳采路以北，嘉松中路以西，佳迪路以東（見圖1 所示）。地塊東西向最長(zhǎng)處約198 m，南北向?qū)捈s132 m，總面積約19 584 m2，基坑周長(zhǎng)約600 m，基坑普遍挖深約9.35～9.65 m。基坑北側(cè)鄰近盈港東路軌道17 號(hào)線嘉松中路站，距現(xiàn)有地鐵站旁連橋輪廓線約5.9 m，周邊環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

開挖深度影響范圍內(nèi)土層為①1雜填土、②粉質(zhì)黏土、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③3-1黏土、⑥1粉質(zhì)黏土和⑥2砂質(zhì)粉土，對(duì)基坑開挖有影響的主要為⑥2層承壓水，經(jīng)觀測(cè)，第⑥2層承壓含水層水位埋深在3.40～3.98 m 之間。該工程普遍挖深在10 m 以內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)算不涉及承壓水處理問題，以疏干降水為主。該工程圍護(hù)設(shè)計(jì)所采用的土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1所列。

表1 土層地質(zhì)參數(shù)表

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分區(qū)開挖

該基坑具有挖深大、形狀不規(guī)則和開挖面積大等特點(diǎn)，且基坑北側(cè)緊鄰地鐵附屬連橋結(jié)構(gòu)，環(huán)境保護(hù)要求高。考慮東西向長(zhǎng)約198 m，如此大規(guī)模的基坑若大面積開挖勢(shì)必會(huì)引起鄰近建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生較大變形。為了控制長(zhǎng)邊效應(yīng)，需進(jìn)行分坑開挖。土方開挖時(shí)，由南向北、由西向東推進(jìn)，并依據(jù)先形成對(duì)撐，最后開挖角撐和陽角區(qū)域的土層原則分塊跳挖，先施工基坑A 區(qū)，在該區(qū)施工到±0.00 后，并結(jié)構(gòu)頂板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再施工B 區(qū)（B1→B2→B3）。通過分區(qū)施工不僅可以減少基坑北側(cè)長(zhǎng)邊一次性開挖對(duì)地鐵附屬結(jié)構(gòu)連橋的影響，也可以保證對(duì)塔樓的施工進(jìn)度，如圖2 所示。

圖2 基坑分區(qū)布置圖

2.2 支護(hù)選型

基坑為地下二層，考慮到該工程北側(cè)中部臨近地鐵連橋，圍護(hù)施工空間有限，環(huán)境保護(hù)要求較高，該段區(qū)域采用地下連續(xù)墻，兩側(cè)采用三軸攪拌樁槽壁加固。基坑其他區(qū)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)有一定的施工空間，周邊環(huán)境保護(hù)要求相對(duì)寬松，且該區(qū)域地段地層參數(shù)較好，因此，為有效控制造價(jià)，其他區(qū)段的圍護(hù)設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注排樁+三軸攪拌樁止水帷幕。

考慮基坑A 區(qū)形狀復(fù)雜，開挖面積大，采用兩道混凝土支撐以減少圍護(hù)體的水平位移并保證圍護(hù)體的穩(wěn)定，B2 區(qū)鄰近需保護(hù)的地鐵連橋，為了控制基坑開挖的暴露時(shí)間，第二道支撐采用軸力補(bǔ)償伺服系統(tǒng)的鋼支撐。基坑圍護(hù)剖面見圖3（一般區(qū)域，采用兩道混凝土支撐）和圖4（鄰近地鐵連橋區(qū)域，采用一道混凝土支撐和一道軸力補(bǔ)償伺服鋼支撐）所示。

圖3 基坑圍護(hù)剖面圖1

圖4 基坑圍護(hù)剖面圖2

2.3 坑內(nèi)加固

對(duì)北側(cè)臨近地鐵的區(qū)域的坑底采用三軸3φ850@1200 裙邊滿堂加固，第二道支撐底至坑底弱加固，坑底以下5.5 m 強(qiáng)加固，加固寬度為一般區(qū)域不少于基坑1 倍深度。

3 有限元分坑計(jì)算模擬

3.1 有限元模型建立

根據(jù)土層、基礎(chǔ)資料和設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用Plaxis2d有限元軟件建立二維分析模型。考慮基坑施工過程的復(fù)雜多變，基本假定如下：

（1）假定地面平整，土層實(shí)體各向連續(xù)均質(zhì)同性。

（2）土體實(shí)體單元采用小應(yīng)變硬化土模型（HSS）[8]，地下連續(xù)墻和承臺(tái)采用板單元，樁采用梁?jiǎn)卧尾捎缅^桿屬性單元。

（3）不考慮地下水的影響。

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，為減少模型邊界效應(yīng)的影響[9]，基坑模型豎向尺寸采用約3 倍挖深，水平向尺寸采用3～5 倍挖深。結(jié)合基坑挖深H 約10 m，鄰近地鐵附屬連橋需分坑開挖，模型計(jì)算深度采用30 m，寬90 m，土體單元采用15 節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，建立B 區(qū)基坑寬度取為xH 的基坑模型進(jìn)行對(duì)比分析，其中x 分別對(duì)應(yīng)0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 和3.0，如圖5 所示，模型網(wǎng)格如圖6 所示，單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量近1 000 個(gè)。模型地面為自由面，四周采用水平約束，底部固定。

圖5 分坑寬度示意圖

圖6 有限元分析網(wǎng)格模型

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

采用HSS 模型可較為合理地模擬基坑開挖過程中引起的土體卸荷應(yīng)力路徑[8]，基坑力學(xué)計(jì)算參數(shù)可詳見表1 所列，上海黏性土層的值介于（3.5～5.0）倍的Eurref，γ0.7大致介于（1.5～2.8）×10-4，變化范圍很小[10]。HSS 模型計(jì)算參數(shù)見表2 所列，結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表3 所列。

表2 HS S 模型計(jì)算參數(shù)表

表3 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)表

3.3 分坑開挖工況模擬

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)方案，在基坑開挖之前，計(jì)算模型先采用k0計(jì)算方法模擬基坑影響范圍內(nèi)的土體應(yīng)力場(chǎng)。在基坑開挖之前，需將模型變形重置為零，再根據(jù)實(shí)際工況先開挖A 區(qū)基坑土體，再開挖B 區(qū)基坑土體，具體基坑開挖工況見表4 所列。

表4 開挖工況一覽表

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 B 區(qū)基坑2H 寬度計(jì)算分析

基坑開挖會(huì)引起周邊土體產(chǎn)生豎向位移和水平位移，考慮分坑開挖可以有效地限制大面積開挖引起土體變形，根據(jù)基坑實(shí)際開挖工況，通過有限元模型計(jì)算分析基坑開挖過程中對(duì)鄰近地鐵附屬結(jié)構(gòu)的影響，其計(jì)算結(jié)果詳見圖7～圖9 所示。

圖7 基坑開挖后土體水平變形云圖

圖8 基坑開挖后土體豎向變形云圖

圖9 鄰近連橋樁基位移圖

通過分區(qū)開挖有限元數(shù)值計(jì)算，由圖7～ 圖9 可知，基坑開挖引起土體卸荷作用，由于樁土共同作用，鄰近基坑的連橋樁基會(huì)產(chǎn)生變形。相對(duì)來說，鄰近B 區(qū)基坑地鐵連橋樁基在地面下坑底標(biāo)高附近變形最大，達(dá)到1.05 mm 左右，可以滿足地鐵保護(hù)要求。在工程的后續(xù)過程中，應(yīng)加強(qiáng)樁基的位移監(jiān)測(cè)，及時(shí)分析基坑開挖的工后固結(jié)變形影響。

3.4.2 不同分坑寬度計(jì)算對(duì)比分析

重置初始地應(yīng)力場(chǎng)、添加地連墻和樁基引起的變形為零，考慮A 區(qū)基坑和B 區(qū)基坑相應(yīng)工況開挖引起的連橋樁基變形，詳見表5 所列和圖10 所示。

表5 不同分坑寬度樁基最大位移統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

由表5 和圖10 可知，隨著A 區(qū)第一層土開挖至B 區(qū)開挖至坑底，基坑開挖引起的樁基變形逐漸增大；當(dāng)分坑寬度為0.5H 時(shí)，A 區(qū)開挖引起的樁基變形占總變形約64.5%，其他分坑寬度開挖引起的樁基變形在43.6%以下，且當(dāng)分坑寬度在1.5 H～2.5 H之間時(shí)，變形在30%左右；由圖10 可知，當(dāng)分坑寬度在1.5 H～3.0 H 之間時(shí)，B 區(qū)基坑開挖至坑底時(shí)，引起的樁基變形比較接近。綜上可知，當(dāng)臨近地鐵的分坑寬度過小時(shí)，遠(yuǎn)離地鐵的大坑開挖會(huì)引起地鐵附屬樁基變形速率增長(zhǎng)較快，不利于前期的控制保護(hù)。為此，合理選擇分坑范圍應(yīng)在1.5 H～2.5 H 之間。

圖10 不同分坑寬度基坑開挖下樁基變形曲線圖

基坑設(shè)計(jì)方案實(shí)際采用2 H（20 m）進(jìn)行分坑開挖，研究不同分坑寬度相對(duì)2H 的離散化程度。由表6 和圖11 可知，當(dāng)分坑寬度在0.5 H～1.5 H 之間時(shí)，最大離散偏離程度在35%以上，偏離較大；當(dāng)分坑寬度在2.0 H～3.0 H 之間時(shí)，最大離散偏離程度在3%以內(nèi)，說明當(dāng)采用分坑寬度在2 H 時(shí)已經(jīng)可以滿足臨近地鐵附屬結(jié)構(gòu)的保護(hù)，無需再擴(kuò)大分坑寬度；當(dāng)分坑寬度在1.5 H～2.0 H 之間時(shí)，最大離散偏離程度在35%以下，且根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，取2 H 的分坑寬度是合理的。

表6 相對(duì)2.0H 基坑分坑寬度離散化處理一覽表

圖11 相對(duì)2H 分坑寬度基坑開挖樁基變形離散分布圖

6 結(jié)語

本文首先以上海軟土地區(qū)臨近地鐵深基坑實(shí)例為背景，介紹了相關(guān)基坑設(shè)計(jì)保護(hù)方案，通過有限元計(jì)算分析對(duì)比不同分坑寬度對(duì)臨近地鐵附屬連橋樁基的變形影響，得出以下結(jié)論：

（1）基坑開挖引起鄰近保護(hù)樁基變形，最大變形在坑底深度位置處。

（2）當(dāng)臨近地鐵的分坑寬度過小時(shí)，遠(yuǎn)離地鐵的大坑開挖會(huì)引起地鐵附屬樁基較大變形速率，不利于前期的控制保護(hù)。

（3）分坑寬度在（1.5～2.5）H 之間較為合理，一般可取用2.0H 分坑寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以有效達(dá)到控制基坑開挖對(duì)周邊保護(hù)樁基的影響。