地铁站深基坑逆作法施工过程地下室结构与毗邻基础的相互影响
2016-11-17王丽杨文彬武钰翔郑刚
王丽，杨文彬，武钰翔，郑刚
(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*
地铁站深基坑逆作法施工过程地下室结构与毗邻基础的相互影响
王丽1，2，杨文彬2，武钰翔2，郑刚1
(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*
在反演分析得到的参数基础上研究地铁站基坑逆作法施工过程中基坑地下室结构与临近桩基础和浅基础的相互影响.当基坑周边有浅基础时，当其他条件相同时，随着浅基础与基坑的距离增加、基础埋深增加、基础宽度增加，基坑开挖引起的浅基础中心点的沉降量逐渐减小；随着浅基础埋深增加，浅基础与基坑距离增加，开挖引起的挡土墙和桩柱上部(0～28 m)侧移减小；浅基础宽度变化对挡土墙和桩柱侧移影响不大.当基坑周边有桩基础时，当桩基础与挡土墙之间的距离相同时，桩长越长，桩基础受到基坑开挖导致的土体回弹影响越大；桩基础的存在对挡土墙的墙身侧移影响很小；在浅基础及桩基础各工况中，开挖引起的坑内桩柱及挡土墙的回弹十分接近，开挖引起的挡土墙土压力沿深度分布也十分接近.
逆作法；浅基础；桩基础；地下连续墙；地铁站深基坑
0 引言
在建筑群密集的城市进行地铁站深基坑开挖时，如何减小基坑施工对周边建筑基础的影响一直以来是城市向地下空间发展面临的一个难题.
文献[1-5]探讨了基坑明挖施工对毗邻建筑的影响.逆作法基坑施工利用地下室结构兼做水平支撑系统，支撑强度大，整体性好，且没有拆除支撑引起的附加变形，越来越广泛应用于密集建筑群城市的基坑施工中.例如，上海轨道交通4号线宜山路站半逆作基坑施工过程中紧邻的7层浅基础建筑和高架地铁站的沉降监测结果表明距离基坑0.4 m的建筑物最大沉降小于10 mm[6].杭州解百商业城半逆作法深基坑施工引起的基坑周边道路最大地表沉降为35 mm[7].上海西站15号线地铁站基坑逆作法施工引起列车轨道路基出现隆起，隆起量约为7 mm[8].上海市外滩一高层酒店深基坑逆作法施工引起距离基坑边线仅1 m的多层钢筋砼框架结构沉降值基本控制在20 mm[9].上海浦东新高层建筑超大基坑逆作法施工过程引起的周边桩基础建筑差异沉降较小，地下管线沉降主要是均匀沉降[10].文献[11-12]详细介绍了上海兴业银行大厦基坑全逆作法施工引起的周边建筑及地下管线的沉降.上海某医院地下车库基坑逆作法施工中，基坑开挖、地墙施工和其他因素(地下障碍物清除、地基加固等)引起建筑物沉降分别约占建筑物总沉降的40%、25%和35%[13].文献[14]介绍了上海世博500 kV地下变电站工程逆作法施工引起的周边建筑及地下管线的沉降.上海市铁路南站基坑工程采用中心岛开挖加周边环型底板逆作施工，距基坑围护结构最近距离约为25 m房屋的累计最大沉降量为61mm[15].以上海地铁10号线南京东路站基坑逆作法为背景，利用FLAC3D研究深基坑施工对周边建筑变形影响[16].深圳市福田区某基坑“部分逆作法”施工过程周边建筑沉降表明沉降大小与基础形式、埋深有关系，基础埋深大，沉降变化相对较小[17].文献[18]详细记录了上海某地铁站基坑逆作法施工过程周边建筑沉降监测结果.
上述文献中，除文献[12,18]外，其余文献中对邻近建筑影响的监测数据较少，关于地铁站基坑施工对毗邻建筑基础的影响还有待于进一步探讨.
有限元方法能够更好的研究地铁站基坑开挖与临近建筑基础的相互影响.本文利用有限元分析软件ABAQUS对地铁站基坑逆作法施工中基坑围护结构与临近桩基础和浅基础相互影响进行研究.
1 逆作法有限元模型
本文作者在文献[19]中对上海的地铁站逆作法施工[18]进行了有限元模拟分析，反演分析得到有限元相关参数.在文献[19]有限元模型基础上，本文进行了表1共计12个工况的有限元模拟，研究逆作法施工过程，浅基础、桩基础与基坑围护结构的相互影响.表1中各符号含义见图1.
表1 逆作法工况
(a) 浅基础与基坑
(b) 桩基础与基坑
有限元模型的土层分布及基坑加固情况见图1.图1中基坑内涂黑部分的土体为注浆加固土体，编号①-⑤的土体参数见表1[19].逆作法开挖共计20步，每步完成项目详见表2[19]表描述.地下室结构之间以及结构构件与土体之间的连接方式、结构构件材料参数详见文献[19].
浅基础与土体为tie连接，桩基础与土体采用 摩擦接触，摩擦系数为0.25.
2 有限元计算结果
2.1 基坑与浅基础相互影响
图2为开挖过程中浅基础中心处的沉降或上浮值.横坐标与表2[19]中20个开挖步相对应.
图2 浅基础的上浮或沉降量
当基础宽度b和基础埋深d相同时，随着基础与基坑距离a增加，基坑开挖引起的基础沉降逐渐减小.例如，当基础宽度b=20 m，基础埋深d=5m时，基础与基坑距离a为5、10、15 m时，浅基础最终位移分别为-6.1，-2.4和0.1 mm.
当基础与基坑距离a和基础埋深d相同时，随着基础宽度b增加，基坑开挖引起的基础沉降逐渐减小.例如，当基础与基坑距离a=5 m，基础埋深d=5 m时，基础宽度b为10、20、30 m时的浅基础最终位移分别为-7.4、-6.1 mm和-4.4mm.
当基础与基坑的距离a和基础宽度b相同时，随着基础埋深d增加，基坑开挖引起的基础沉降逐渐减小.例如，当基础与基坑距离a=5 m，基础宽度b=20 m时，基础埋深d为5、15、20 m时的，开挖引起的浅基础最终沉降分别为-6.1、-1.5和1.2 mm.
图2中，基坑开挖过程中部分工况的基础中心的沉降量为正，例如工况5-20-20-300、15-20-5-300、5-20-15-300和10-20-5-300.这是由于基坑开挖过程中，基础一侧土体卸荷导致基础倾斜，基础远离基坑及基础中心向上翘起.
图3为基坑开挖引起的挡土墙墙身最终侧移(向基坑内)，图3中侧移为基坑开挖引起，即浅基础加载引起的侧移已经被扣除.图例“field”为模拟文献[18]的有限元计算结果，即基坑周边没有浅基础的影响.
如图3(a)所示，随着浅基础埋深d增加，开挖引起的墙身上部(0～-28 m)侧移减小.由于受到浅基础基底压力的影响，墙身上部侧移(向基坑内)明显增加，例如，地面下-2 m处，现场监测的墙身侧移为4.6 m，浅基础埋深为20、15和5m的墙身侧移分别为13.8， 15.6 和21.6 m. 地面下-15～-32 m的现场监测的墙身侧移略大于浅基础埋深为20 m时的墙身侧移.
(a) 变化浅基础埋深d
(b) 变化浅基础宽度b
(c) 变化基坑与浅基础间`距离a
图3(b)表明变化基础宽度b对墙身侧移的影响不大.图3(c)表明随着浅基础与基坑的距离增加挡土墙的侧移减小.由于浅基础基底压力的影响，墙身侧移明显增加.
图4为基坑开挖引起的基坑内桩柱的最终侧移，图4中侧移为基坑开挖引起，即浅基础加载引起的侧移已经被扣除.图例“field”为模拟文献[18]的有限元计算结果，即基坑周边没有浅基础的影响.
由于浅基础基底压力的影响，挡土墙侧移增加，坑内桩柱的侧移(0～-28 m)也明显大于没有浅基础影响的情况.随着浅基础与基坑之间距离增加，基础埋深增加，桩柱侧移减小.基础宽度变化对桩柱侧移的影响不明显.
浅基础各工况中，开挖引起的坑内桩柱及挡土墙墙顶回弹十分接近，挡土墙土压力沿深度分布也十分接近.
(a) 变化浅基础埋深d
(b) 变化浅基础宽度b
(c) 变化基坑与浅基础间距离a
2.2 基坑与桩基础相互影响
图5为开挖过程中桩基础中距离基坑最近的桩顶的沉降或上浮值.横坐标与表2[19]中20个开挖步相对应.
当桩基础与挡土墙之间的距离a不变时，桩长为12 m时，从第7步(对应坑内第3层土体开挖)开始桩顶下沉，最终沉降量为-2.4 mm；桩长为22m时，从第10步(对应坑内第4层土体开挖)开始桩顶上浮量逐渐减小，最终沉降量为-1.5 mm；桩长为32 m时，从第19步(对应坑内第8层土体开挖)开始桩顶上浮量开始减小，最终上浮量为0.3mm.即当桩基础与挡土墙之间的距离相同时，桩长越长，桩基础受到基坑开挖导致的土体回弹影响越大.
图5 桩基础的上浮或沉降量
这是由于与浅基础相比，桩基础上的荷载被传递到较深的土层内，荷载引起桩基础下土体中的压应力增加量相对较小.基坑开挖引起的土体回弹带动桩基础上浮.桩长较长时，土体上浮的影响越明显.
随着桩基础与基坑之间的距离增加，桩顶上浮量增加；与基坑距离为15、10 m两个工况的桩顶上浮量比较接近.
图6为基坑开挖引起的挡土墙墙身最终侧移(向基坑内)，图6中侧移为基坑开挖引起，即桩基础加载引起的侧移已经被扣除.图例“field”为模拟文献[18]的有限元计算结果，即基坑周边没有浅基础的影响.
(a) 变化浅基坑与桩基础之间距离
(b) 变化桩长
桩基础与基坑距离a=5 m时，开挖引起的挡土墙侧移略大.当桩基础与基坑距离为10、15m时，桩基础的存在对挡土墙的墙身侧移影响很小.桩长变化对挡土墙的墙身侧移影响不大.
图7为基坑开挖引起的桩基础中距离基坑最近桩的最终侧移.图例数字代表开挖基坑内相应的土层，见图1.
(a) 工况“5-30”
(b) 工况“5-10”
(c) 工况“5-20”
(d) 工况“15-20”
(e) 工况“10-20”
第1、2层土体开挖后桩顶侧移增加.第3层土体开挖后桩顶侧移明显减小，桩身下部侧移进一步增加.在随后开挖深度增加，桩身上部侧移增加，增加幅度较小，桩身下部侧移明显增加.
开挖过程中，桩长22 m的桩身侧移变化与桩长32 m的相似，只是桩身下部的挠曲变形不明显.随着桩与基础距离增加，桩身侧移减小，但桩身侧移变化规律不变.
桩基础各工况中，开挖引起的坑内桩柱及挡土墙墙顶回弹十分接近，挡土墙土压力沿深度分布也十分接近.
3 结论
(1)随着浅基础与基坑的距离增加，浅基础中心的沉降量逐渐减小.随着基础宽度增加，基础沉降减小.随着基础埋深增加，基础沉降减小；
(2)随着浅基础埋深增加，开挖引起的挡土墙墙身上部(0～-28 m)侧移减小.基础宽度变化对墙身侧移的影响不大；
(3)随着桩长、桩基础与基坑之间的距离增加，桩顶由下沉逐渐变为上浮.与基坑距离为15、10 m两个工况的桩顶上浮量比较接近；
(4)当桩基础与基坑距离为10、15 m时，桩基础的存在对挡土墙的墙身侧移影响很小.桩长变化对挡土墙的墙身侧移影响不大；
(5)在浅基础及桩基础各工况中，开挖引起的坑内桩柱及挡土墙墙顶回弹十分接近，挡土墙土压力沿深度分布也十分接近.
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WANG Li1,2, YANG Wenbin2, WU Yuxiang2, ZHENG Gang1
(1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China, 2. School of Civil and Safety Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)
The top-down excavation of Metro Line 10 in Shanghai is modeled with finite element analysis software ABAQUS, and the parameters of subsoil are obtained by inverse analysis. Based on the finite element models and parameters, interaction of basement structure and surrounding building foundations during top-down excavation is discussed in detail. If the shallow foundation is close to the pit, settlement at the middle of shallow foundation is decreased when the distance between shallow foundation and pit, the burying depth of shallow foundation and the width of shallow foundations is increased. When burying depth of the shallow foundation and the distance between shallow foundation and pit are increased, the deflection caused by pit excavation along top part of the diaphragm wall, column and pile are decreased. Deflections of the diaphragm wall, column and pile do not change with the shallow foundation width . If pile foundation is close to the pit, the longer pile length results in the greater effect of soil rebound on pile foundations. Effect of pile foundation on diaphragm wall deflections can be neglected,and the deflection of diaphragm wall does not change with pile length. In all cases of pile and shallow foundations, rebounds of inner column and diaphragm wall are very close, and so does the soil pressure along diaphragm wall.
top-down method; shallow foundation; pile foundation; diaphragm wall; deep metro station excavation
1673-9590(2016)04-0085-07
2015-10-14
国家自然科学基金资助项目(51208071)
王丽(1974-)，女，副教授，博士,主要从事岩土工程领域的科研和教学工作的研究E-mail:jiaoda_tina@163.com.
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