基坑復(fù)合變形模式下對(duì)鄰近不同位置既有地鐵車站的影響研究

摘要：以深基坑鄰近既有地鐵車站為工程依托，利用有限元軟件建立了考慮土體小應(yīng)變的數(shù)值模型，通過將現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，從而對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并詳細(xì)的描述了既有地鐵車站的變形和內(nèi)力響應(yīng)規(guī)律。基于驗(yàn)證的數(shù)值模型，針對(duì)坑外不同位置處既有地鐵車站的變形和彎矩進(jìn)行了參數(shù)分析。研究表明：在基坑開挖過程中，由于橫撐的控制效果，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形較小，并呈現(xiàn)出復(fù)合型變形模式;受基坑開挖的影響，既有車站在靠近基坑側(cè)墻上部發(fā)生最大水平變形量為1.73mm，在頂板處發(fā)生最大的沉降變形量為-0.657mm;既有車站位于圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形最大位置附近時(shí)，既有車站受基坑的開挖影響較大，且既有車站變形較大處往往彎矩的增幅也較大。在實(shí)際施工過程中，應(yīng)對(duì)車站變形較大處進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：基坑施工;數(shù)值模擬;既有車站變形與內(nèi)力;圍護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合變形

0" "引言

全面加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對(duì)暢通國內(nèi)大循環(huán)，促進(jìn)國內(nèi)國際雙循環(huán)，擴(kuò)大內(nèi)需，推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展，均具有重大意義。其中，地下空間的開發(fā)和利用已成為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重中之重。城市地下空間的大規(guī)模開發(fā)，必然會(huì)出現(xiàn)鄰近既有地鐵車站的深基坑工程。既有地鐵車站對(duì)變形要求較為嚴(yán)格，在保證既有地鐵安全運(yùn)營的前提下進(jìn)行深基坑的正常施工，是目前工程界亟待解決的難題。

現(xiàn)階段，針對(duì)深基坑施工對(duì)既有地鐵車站、隧道的影響，學(xué)者們?nèi)远嘁袁F(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。王立新等[1]以西安某新建基坑為工程依托，利用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬方法，對(duì)既有地鐵車站的變形特性進(jìn)行了深入的分析。鄭剛等[2-4]采用數(shù)值方法，研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同變形模式下，坑外不同位置處隧道的變形響應(yīng)，并對(duì)相應(yīng)影響區(qū)進(jìn)行了劃分。基于西安地鐵5號(hào)線車站基坑鄰近區(qū)間隧道和車站施工，王立新等[5]采用數(shù)值模擬方法，對(duì)不同凈距狀態(tài)下，基坑開挖引起的既有車站、隧道的響應(yīng)進(jìn)行了研究。章潤紅等[6]采用HSS模型通過數(shù)值計(jì)算，研究了基坑開挖過程中，鄰近隧道的埋深、隧道和基坑之間的凈距以及剛度比等關(guān)鍵因素對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響。江智鵬[7]以蘇州軌道交通1號(hào)線星海街站為工程依托，利用數(shù)值方法，分析了地鐵車站兩側(cè)基坑的對(duì)稱開挖和非對(duì)稱開挖方式對(duì)既有地鐵車站變形的影響。建議當(dāng)具備對(duì)稱開挖基坑條件時(shí)，應(yīng)采取兩側(cè)基坑同時(shí)開挖的方法減少對(duì)既有地鐵車站的影響。

由于地鐵車站的剛度和規(guī)模遠(yuǎn)大于隧道，導(dǎo)致地鐵車站受基坑開挖影響的程度遠(yuǎn)小于隧道。學(xué)者們針對(duì)基坑開挖對(duì)既有隧道的響應(yīng)進(jìn)行了大量研究，但在一定程度上忽視了基坑開挖對(duì)既有地鐵車站的影響。現(xiàn)階段，絕大多數(shù)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形模式為復(fù)合型。鑒于此，為得到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合變形模式下對(duì)鄰近不同位置既有地鐵車站的影響，本文以北京某深基坑工程為依托，利用Plaxis 2D建立了深基坑與既有地鐵車站的二維數(shù)值模型，并利用實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證。進(jìn)一步通過數(shù)值模型研究在深基坑施工過程中，坑外不同位置處既有地鐵車站變形和內(nèi)力的響應(yīng)。

1" "基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式

現(xiàn)有的研究成果表明[8-9]，受內(nèi)支撐（橫撐或錨索）布置方式、剛度以及施工方法等因素的影響，基坑的變形模式可歸納為4種，分別為懸臂型、踢腳型、內(nèi)凸型和復(fù)合型。現(xiàn)分別對(duì)不同變形模式的特點(diǎn)進(jìn)行闡述：

1.1" "懸臂型

當(dāng)基坑開挖時(shí)未設(shè)置支撐，或開挖較淺還未及時(shí)設(shè)置支撐時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形表現(xiàn)為懸臂型，如圖1a所示。

1.2" "踢腳型

當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)坑底以下位于軟土地區(qū)，且勘入深度不足時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的底部產(chǎn)生較大的水平變形，此時(shí)表現(xiàn)為踢腳型，如圖1b所示。

1.3" "內(nèi)凸型

當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)開挖初期頂部設(shè)置了剛度較大的水平支撐，隨著基坑開挖的進(jìn)行，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部未發(fā)生明顯變形，而在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部發(fā)生明顯的水平變形，此時(shí)表現(xiàn)為內(nèi)凸型，如圖1c所示。

1.4" "復(fù)合型

當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平支撐剛度較小時(shí)，隨著基坑的開挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部同樣產(chǎn)生水平變形，但該水平變形小于圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部的水平變形，此時(shí)表現(xiàn)為復(fù)合型，如圖1d所示。

隨著基坑深度的逐漸增加，在施工過程中必須要輔以水平支撐來保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鄭剛等指出，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生踢腳型變形時(shí)，對(duì)坑外既有結(jié)構(gòu)豎向變形的影響更為劇烈，影響程度更大。另外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生踢腳型變形極易導(dǎo)致整體失穩(wěn)。因此現(xiàn)階段，深基坑的變形模式仍是以內(nèi)凸型和復(fù)合型為主。

2" "工程概況

北京市某新建地鐵車站緊鄰既有地鐵車站，新建車站為地下三層雙柱三跨島式站臺(tái)車站。新建車站主體結(jié)構(gòu)長183.20m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.9m。新建車站共設(shè)置2個(gè)出入口、3個(gè)風(fēng)道及3個(gè)換乘通道。新建車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法進(jìn)行施工，基坑標(biāo)準(zhǔn)段深約為25.20m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑為1.0m鉆孔灌注樁，并設(shè)置四道內(nèi)撐。其中，第1道支撐為混凝土支撐，后3道支撐為鋼支撐。鉆孔灌注樁樁間采用掛鋼筋網(wǎng)（Φ6.5@150mm×150mm）、噴射100mm厚的混凝土。

在新建車站北側(cè)存在一既有地鐵車站，該地鐵車站與新建車站擬通過換乘通道進(jìn)行換乘。既有車站為一雙層雙跨島式地下車站，其頂部埋深3.90m。該既有車站與新建車站平行，與新建車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的凈距大約為14.4m，如圖2所示。

工程場地下的土層主要以黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土為主，且土層分布較為均勻。工程場地范圍內(nèi)的土層由上至下，分別為雜填土、砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土。根據(jù)地勘報(bào)告可知，在地表以下18.45～19.7m存在一層潛水，在施工過程中采用降水進(jìn)行地下水的處理。因此在本工程施工中不考慮地下水的影響。

3" "有限元模型建立及參數(shù)選取

本文利用采用Plaxis 2D有限元軟件，建立了新建基坑與既有地鐵車站的二維模型。為了消除邊界效應(yīng)，最終確定模型的長200m，寬60m，如圖3所示。在數(shù)值模型中，土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，既有車站頂板、中板、底板、側(cè)墻和中柱采用板單元進(jìn)行模擬，其中將中柱根據(jù)抗彎剛度等效的原則折算為板。混凝土支撐和鋼支撐采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿進(jìn)行模擬。模型底部設(shè)置為固定邊界，模型兩側(cè)設(shè)置為法向固定邊界，模型頂部設(shè)置為自由邊界。

對(duì)基坑開挖數(shù)值分析的本構(gòu)模型的選擇，有較多學(xué)者進(jìn)行了深入研究[10-13]，均認(rèn)為基坑開挖條件下的土體本構(gòu)模型，應(yīng)考慮土體變形特性的應(yīng)力路徑相關(guān)性和壓硬性，并明確指出，采用土體硬化模型（Hardening Soil Model）和小應(yīng)變模型（HS-small）進(jìn)行基坑開挖的數(shù)值模擬較為合適。鑒于此，在模型中土體采用小應(yīng)變模型，且模型中的土體輸入?yún)?shù)可通過地勘報(bào)告以及經(jīng)驗(yàn)[14-16]確定，如表1所示。模型中支護(hù)結(jié)構(gòu)和既有車站的參數(shù)如表2所示。

4" "模型驗(yàn)證與既有車站響應(yīng)

4.1" "模型驗(yàn)證

在實(shí)際施工過程中，采用測斜管對(duì)樁身變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，并選取3根樁的實(shí)測結(jié)果與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。從圖4可以看出，數(shù)值結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的變形模式均為復(fù)合型。不同圍護(hù)樁的變形實(shí)測結(jié)果存在一定的差異。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形的數(shù)值結(jié)果為9.6mm。Z1號(hào)樁的實(shí)測結(jié)果最大，達(dá)到了12mm，而Z3號(hào)樁的實(shí)測結(jié)果最小，僅為7mm。

總體來看，圍護(hù)樁的數(shù)值結(jié)果介于實(shí)測結(jié)果之間，且與實(shí)測結(jié)果擬合度較高。另外，還對(duì)坑外地表沉降的數(shù)值結(jié)果和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖5所示。坑外地表沉降的實(shí)測值為5.2mm，而數(shù)值結(jié)果為3.4mm，實(shí)測結(jié)果稍大于數(shù)值結(jié)果。地表沉降的實(shí)測結(jié)果和數(shù)值結(jié)果的變形趨勢較為一致，沉降最大值均出現(xiàn)在距離圍護(hù)樁8m附近。

4.2" "既有車站響應(yīng)

4.2.1" "變形

圖6為在施工前、后既有地鐵車站的變形對(duì)比。由圖6可以看出，既有車站發(fā)生朝向基坑的水平變形，最大值為1.73mm，變形最大位置發(fā)生在靠近基坑的側(cè)墻上部。在豎向變形方面，既有地鐵車站在靠近基坑一側(cè)發(fā)生沉降變形。隨著與基坑距離的增加，車站的沉降值逐漸變小，并轉(zhuǎn)變?yōu)槁∑稹Ｆ渲校囌镜某两底畲笪恢冒l(fā)生在頂板處，為-0.657mm;隆起的最大位置發(fā)生在底板處，為0.244mm。

由于既有地鐵車站與基坑的凈距為14.4m，相對(duì)較遠(yuǎn)，因此既有地鐵車站的變形相對(duì)較小。以北京市地鐵軌道的控制指標(biāo)（隆起2mm，沉降3mm，水平變形2mm）來看，既有地鐵車站的變形滿足要求。

4.2.2" "內(nèi)力

受基坑開挖的影響，既有地鐵車站在發(fā)生變形的同時(shí)，內(nèi)力也發(fā)生相應(yīng)的改變。圖7為基坑施工完成前、后，既有地鐵車站的彎矩和剪力的對(duì)比。其中，施工前后各關(guān)鍵部位的彎矩和剪力已在圖7中標(biāo)明。由圖7可以明顯看出，既有車站不同位置處的彎矩和剪力的變化程度較小，說明基坑開挖對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)的影響較小，可忽略不計(jì)。結(jié)合對(duì)既有車站變形的分析可知，基坑施工對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)的影響有限，只需要重點(diǎn)關(guān)注道床的變形滿足要求即可。

5" "復(fù)合型變形對(duì)坑外不同位置地鐵車站位置影響

5.1" "計(jì)算模型與工況

以本文的依托工程為基礎(chǔ)（見圖2）進(jìn)行后續(xù)的參數(shù)分析，仍采用二維平面應(yīng)變模型。同時(shí)，為了簡化計(jì)算，不考慮多層土對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，僅采用第四層的粉質(zhì)黏土進(jìn)行計(jì)算。其余計(jì)算參數(shù)仍按前文進(jìn)行選取，在此不再贅述。

鄭剛等通過對(duì)坑外不同位置隧道的變形響應(yīng)分析，指出坑外的不同位置，對(duì)既有隧道的變形存在顯著差異。為了分析基坑外不同位置處既有地鐵車站，在圍護(hù)樁同一變形下的變形和內(nèi)力響應(yīng)，本文對(duì)距離坑外不同位置處的地鐵車站工況進(jìn)行了模擬。

利用既有地鐵車站與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的凈距與基坑開挖深度的比值（Lt/H，Lt為圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵車站的凈距，H為基坑的開挖深度），和地鐵車站的中板埋深與基坑開挖深度的比值（Ht/H，Ht為既有車站中板的埋深）的歸一化參數(shù)，來表征地鐵車站的不同位置。參數(shù)Lt、Ht和H已在圖2中給出，共設(shè)置12個(gè)工況，如表3所示。

5.2" "計(jì)算結(jié)果

5.2.1" "變形

圖8為地鐵車站處于坑外不同位置時(shí)的變形示意圖。各個(gè)工況下既有地鐵車站最大水平變形，最大沉降變形和最大隆起變形已在圖8中標(biāo)注。值得說明的是，未標(biāo)明隆起變形的工況，則表示既有車站僅發(fā)生沉降變形。

由圖8可以明顯看出，隨著既有地鐵車站與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的凈距增加，既有車站的變形呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。在既有地鐵車站與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的凈距一定情況下，當(dāng)既有地鐵車站位于圍護(hù)樁水平變形最大位置附近時(shí)，既有地鐵車站受基坑的開挖影響越大，對(duì)此應(yīng)引起注意。不同位置處的地鐵車站的變形均以水平變形為主，沉降變形次之，隆起變形最小，且隆起變形僅在Ht/H=1、Lt/H=0.25和Ht/H=1.5、Lt/H=0.25兩個(gè)工況下較大，在其余工況下均較小。據(jù)此可認(rèn)為，基坑復(fù)合變形下對(duì)坑外既有地鐵車站的影響主要是水平變形和沉降。

由于既有地鐵車站所處位置的差異性，最大水平變形發(fā)生的位置也存在一定的區(qū)別。當(dāng)Ht/H=0.5時(shí)，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在既有車站底板以下，既有車站發(fā)生斜向下的變形。在Lt/H=0.25和Lt/H=0.5情況下，既有車站的水平變形最大值發(fā)生在側(cè)墻下部。然而，在Lt/H=0. 5和Lt/H=0.75情況下，既有地鐵車站的水平變形最大值轉(zhuǎn)移到側(cè)墻上部。當(dāng)Ht/H=1和1.5時(shí)，不同工況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形最大值均發(fā)生在側(cè)墻上部。對(duì)于既有地鐵車站最大沉降位置來說，除工況Lt/H=0.25和Lt/H=0.5外，其余工況均發(fā)生在車站頂板處。

圖9為不同埋深下既有車站最大水平變形和最大沉降變形隨歸一化凈距（Lt/H）的關(guān)系。由圖9可以看出，隨著歸一化凈距的增加，既有地鐵車站的最大水平變形呈現(xiàn)出非線性減小并收斂的趨勢。最大沉降在工況Ht/H=0.5和1.0時(shí)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)既有地鐵車站距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)較近時(shí)（Lt/H=0.25），由于既有車站的剛度較大，抑制了中夾土的沉降變形。當(dāng)既有車站與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的凈距Lt為0.5H時(shí)，既有車站對(duì)中夾土的抑制效果逐漸減弱，中夾土的沉降在逐漸增加，因此既有車站的沉降變形有增大趨勢。但隨著既有車站與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的凈距逐漸變遠(yuǎn)，地鐵車站逐漸遠(yuǎn)離基坑開挖的影響區(qū)，地鐵車站受到的擾動(dòng)在逐漸減弱，因此車站最大沉降出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢。

5.2.2" "彎矩

受基坑開挖的影響，既有地鐵車站發(fā)生變形的同時(shí)還伴隨著內(nèi)力的改變。其中，彎矩易導(dǎo)致混凝土開裂和剝落等現(xiàn)象，因此受到了研究和設(shè)計(jì)人員的重點(diǎn)關(guān)注。坑外不同位置處既有地鐵車站的彎矩如圖10所示。圖10標(biāo)出了關(guān)鍵位置處的彎矩值。需要說明的是，括號(hào)外數(shù)值代表基坑開挖施工后的彎矩值，而括號(hào)內(nèi)數(shù)值代表基坑開挖施工前的彎矩值。

由圖10可知，當(dāng)既有地鐵車站處于坑外不同位置時(shí)，中板與中柱的彎矩值較小，而頂板、底板以及側(cè)墻的彎矩值較大，說明中板與中柱受基坑開挖的影響較小，而頂板、底板以及側(cè)墻受基坑開挖的影響較大。結(jié)合圖8的車站變形可知，在車站整體變形最大位置附近的彎矩增加幅度也最大。因此，在實(shí)際施工過程中，應(yīng)對(duì)車站變形較大處進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，防止因結(jié)構(gòu)超過極限承載力而出現(xiàn)混凝土開裂、剝落等現(xiàn)象。

6" "結(jié)論

本文以北京某基坑鄰近既有地鐵車站為工程依托，利用有限元軟件Plaxis 2D建立了數(shù)值模型，通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)所建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)既有地鐵車站的變形和內(nèi)力進(jìn)行了分析。基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)合變形模式，進(jìn)一步對(duì)坑外不同位置的地鐵車站受基坑開挖的影響進(jìn)行了參數(shù)分析。通過以上分析研究，取得的結(jié)論如下：

在依托工程中，不同圍護(hù)樁實(shí)測結(jié)果的最大變形分別為12mm和7mm，而數(shù)值結(jié)果為9.6mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形介于實(shí)測結(jié)果之間，且與實(shí)測結(jié)果的擬合度較高，證明了采用小應(yīng)變模型可以較為準(zhǔn)確的模擬基坑開挖。

通過數(shù)值方法對(duì)依托工程的研究發(fā)現(xiàn)，既有地鐵車站的變形相對(duì)較小。既有車站在靠近基坑的側(cè)墻上部發(fā)生的最大水平變形量為1.73mm。在靠近側(cè)墻的頂板處發(fā)生最大沉降變形量為-0.657mm。另外，通過對(duì)施工前后內(nèi)力的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)既有地鐵車站各關(guān)鍵部位的彎矩和剪力變化程度較小，說明了基坑開挖對(duì)既有車站的的影響較小。

通過對(duì)坑外不同位置地鐵車站的參數(shù)分析，證明了既有地鐵車站的變形和圍護(hù)樁的變形息息相關(guān)。當(dāng)既有地鐵車站位于圍護(hù)樁水平變形最大位置附近時(shí)，既有地鐵車站受基坑的開挖影響越大，應(yīng)值得引起注意。

在既有車站變形較大處往往彎矩的增幅也較大，因此在實(shí)際施工過程中，應(yīng)對(duì)車站變形較大處進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，防止因結(jié)構(gòu)超過極限承載力而出現(xiàn)混凝土開裂、剝落等現(xiàn)象。

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