既有暗挖車站上蓋增層基坑圍護結構力學效應研究*

梁爾斌

(中鐵十四局集團有限公司，250014，濟南∥高級工程師)

基于國家創新驅動發展戰略，在新時代網絡化地下空間建設需求下，我國既有地下結構的擴建工程不斷涌現。地鐵換乘車站的上蓋增層擴建雖具有顯著的經濟優勢，但基坑內大體積土體卸載會對既有結構產生顯著影響，且基坑圍護結構部分與既有結構相連，其施工力學效應與常規基坑不同，設計和施工比鄰近建筑物基坑更為復雜。文獻[1]基于有限差分數值模擬和極限平衡法，提出基坑失穩模式更接近于圓弧滑動面，工程樁能有效限制基坑塑性剪切帶的延伸。此類研究多針對天然場地基坑展開，同周圍環境及建筑物的相互影響較少。當有鄰近既有結構時，基坑與既有結構間會產生復雜的相互影響。文獻[2]基于Plaxis有限元軟件建立數值模型，對近接淺基礎建筑物深基坑施工對圍護結構和鄰近建筑物的變形影響進行研究，并基于潛在失穩破壞區對基坑后方土體進行主次影響區域劃分。

目前，地下結構擴建相關研究尚不深入，尤其對于上蓋增層基坑與既有結構的相互作用影響分析尚屬空白，理論尚不成熟，亟待展開相關研究分析。

本文依托北京地鐵6號線(以下簡為“6號線”)蘋果園站擴建工程項目，對基坑嵌固樁和無嵌固樁關鍵節點展開分析，研究不同參數條件下圍護樁和既有車站的受力變形規律，并給出合理的參數優化建議，為今后類似的擴建工程提供理論依據。

1 工程概況

如圖1所示，6號線蘋果園站斜交70°密貼下穿既有北京地鐵1號線(以下簡為“1號線”)車站結構。該站主體結構采用洞樁法+明挖法施工。車站增層擴建的2個明挖基坑分別位于既有1號線東西兩側。增層擴建部分的地下2、3層采用洞樁法施工，在下部結構施工完成后進行地下1層的上蓋增層明挖擴建。2個明挖基坑尺寸相同，東西向長39.8 m，南北向寬27.9 m，深12.2 m。基坑圍護結構采用φ1 000 mm人工挖孔樁+3道內支撐形式，樁間距為1.6 m，樁間采用100 mm厚掛網噴射混凝土支護。豎向設3層內支撐(自上而下分別為L1,L2及L3)，其中L1的角撐為混凝土支撐，截面尺寸為0.6 m×1.0 m；其余支撐結構均為鋼支撐，采用直徑為0.8 m、壁厚為16 mm的鋼管。

圖1 蘋果園站平面位置圖

增層結構位于既有結構上方，東西兩端圍護樁直接落于車站頂拱。該部分圍護樁為無嵌固樁，屬于吊腳樁。南北兩側圍護樁嵌入土體一定深度，為嵌固樁。圍護樁鄰近既有車站結構導洞側壁，最小凈距離僅為0.2 m。對不同支護結構進行編號。基坑支護結構平面圖見圖2。

注：A為無嵌固樁；B為嵌固樁。

2 上蓋增層明挖基坑的有限元模型

2.1 有限元模型的建立

根據文獻[3]，無嵌固樁對基坑外側土體的影響范圍約為1.5He(He為基坑開挖深度)。本文在此基礎上考慮一定富余量，水平方向取3.3He，豎向從車站底部向下取2He，建立三維有限元模型，具體尺寸為119 m×105 m×55 m(見圖3)。有限元模型邊界條件包括應力位移和滲流[4-5]，因本工程地下水位于車站底板以下10.4 m，故不考慮滲流影響。模型上表面為自由面，不設置約束；四周限制水平方向約束；底部限制水平和豎直方向約束。在有限元模型中，施加荷載除材料自重外，根據基坑周圍堆載和施工機械放置情況，在圍護樁后2～10 m范圍內施加20 kPa的均布荷載模擬施工荷載。

圖3 蘋果園站明挖上蓋增層項目的有限元模型

2.2 參數的選取

根據實際受力特征，土體和既有車站主體結構采用實體單元，初襯結構采用板單元模擬，圍護樁、冠梁、混凝土支撐和鋼管柱采用梁單元模擬，鋼支撐采用桁架單元模擬。通過修改單元屬性實現注漿加固區土體到漿土混合體的材料性質轉換。模型中，除土體外均采用彈性本構模型進行模擬。有限元模型主要部位的物理力學參數見表1。

表1 模型主要部位的物理力學參數

由于基坑開挖涉及到大體積土體卸載問題，對變形參數較為敏感[6]，故本模型中的粉質黏土和卵石層采用Hardening-SoiL本構模型。車站范圍內主要為卵石。根據PLAXIS用戶手冊和已有研究的經驗值[2,7]，卵石取3Eoed=3E50=Eur(其中，Eoed為主固結模量，E50為割線模量，Eur為回彈模量)，粉質黏土取2Eoed=2E50=Eur，根據位移反分析可確定，E50=3E0(E0為初始壓縮模量)。砂巖采用Mohr-Coulomb模型，各參數取值見表2。

表2 土體主要材料力學參數

2.3 模型準確性的驗證

為驗證模型的準確性和參數的合理性，需對模型進行標定。圖4為無嵌固樁A2開挖至12.2 m時，樁體水平位移實測值與計算值對比曲線。從圖4可以看出：模擬數據與監測數據變形規律基本一致；水平位移最大值均出現在埋深4 m左右位置，分別為1.41 mm和1.89 mm，且兩者數值相近。實測數據曲線與模擬值曲線的形狀和大小均相近。由此可見，該模型的準確性滿足研究要求。

圖4 圍護樁樁體水平位移對比曲線

3 有限元模型計算結果分析

3.1 無嵌固樁與車站連接情況的影響

圖5為樁體與既有車站結構連接關系不同情況下的A3樁樁體水平位移曲線。從圖5可以看出，當He較小時，樁底是否連接對樁體的水平位移影響不大，主要是樁后被動區土體對樁體的約束作用[8]；隨著基坑內部土體開挖量增大，當拆除第3道支撐(L3)后，樁底不連接時的水平位移增量更大，最大增量約為2.02 mm，水平位移值增加約2.7倍，樁體產生踢腳式破壞[9]。拆除第3道鋼支撐后，He=4.0 m以下樁體缺乏約束，對樁體水平位移產生不利影響。此時的最大水平位移約為2.82 mm，位于He=8.7 m處，最大位移位置出現上移。

圖5 A3無嵌固樁樁體水平位移對比曲線

3.2 嵌固樁關鍵參數

由于增層部分的明挖基坑嵌固樁一側鄰近既有車站結構，且嵌固樁樁體與既有車站導洞凈距Lp僅為0.2 m，故其受力模式與常規基坑存在區別，勢必產生較為顯著的相互作用。嵌固樁樁體與既有車站導洞關系見圖6。對不同Lp情況下的對圍護樁B1樁進行受力和變形數值模擬分析，結果如圖7所示。

圖6 嵌固樁與既有車站結構距離示意圖

由圖7可知：當He較小時，不同Lp對樁體水平位移曲線形狀和大小影響不大；當He=12.2 m時，Lp由0.7 m增至4.7 m，樁體最大水平位移增加0.82 mm，增幅約39.4%；當Lp由4.7 m增至6.7 m時，樁體水平位移幾乎無增加；隨著Lp增加，既有車站結構對嵌固樁的約束效果逐漸減弱，導致樁體下部位移增大；當Lp增大到一定值后，不再產生約束作用，樁體水平位移趨于穩定。

圖7 不同近接距離B1嵌固樁樁體水平位移曲線

3.3 嵌固圍護樁嵌固深度的影響規律

本工程Lp僅為0.2 m，嵌固樁深度Hp對整個增層基坑的穩定性有顯著影響。針對不同Hp研究對比圍護樁受力變形情況如圖8所示。

圖8 不同HP下的B1嵌固樁樁體水平位移曲線

由圖8可知：隨著He的增加，當基坑拆除第3道支撐后，Hp由1.0 m增加至4.0 m時，樁體最大水平位移由5.08 mm減少至4.22 mm，減少約16.9%；當Hp>4.0 m時，樁體水平位移幾乎不再隨著Hp的增加而減少；隨著Hp的增加，土體與既有車站結構對嵌固樁底部的約束作用增大，限制了樁底水平位移；當Hp增加到一定值后，樁底約束作用不再增加，樁體變形趨于穩定。

4 結語

本文以蘋果園站增層擴建基坑為研究背景，建立有限元模型，模擬基坑動態開挖過程，并對基坑圍護樁與既有車站結構間復雜的相互影響展開分析，得出以下結論:

1)同無嵌固樁與車站結構連接時相比，如無嵌固樁與車站結構不連接，則樁體水平位移會顯著增大，且最大位移量增加約2.7倍，可見樁底連接和樁后注漿加固具有良好的工程效果。

2)在Lp=4.7 m時，樁體最大水平位移增加39.4%；隨著Lp的繼續增加，樁身位移變化趨于緩慢，說明Lp越大，樁體受既有車站結構約束越小，并在Lp足夠大后不再受既有車站約束。

3)Hp對樁體受力變形的影響，主要體現在樁體的下半部分：當Hp由1.0 m增至4.0 m時，樁體最大位移降幅約為16.9%；當Hp超過4.0 m后樁體變形基本不再變化，故建議類似工程Hp取4.0 m左右。