深大基坑开挖对紧邻既有地铁结构变形趋势研究

2019-09-06袁创辉

天津建设科技 2019年4期

□文/袁创辉

随着基坑宽度及深度的不断增加，工程和环境风险随之增加，如何减少深大基坑开挖对周边环境尤其是紧邻既有地下结构的影响至关重要。张国亮[1]采用FLAC3D有限元软件，对深圳新建地铁5号线前海湾站基坑近既有地铁1号线鲤鱼门站工程进行数值模拟计算，结果表明：新建基坑开挖会导致既有地铁车站产生不均匀隆起及偏转。李伟强[2]采用Plaxis 2D有限元软件，对北京某高层办公楼基坑邻近某既有地铁车站工程进行数值模拟计算，得出：新建基坑开挖对既有地铁车站的水平位移影响不大，既有地铁车站在新建基坑开挖过程中出现不同程度的回弹，距离基坑越近回弹越大，最大值约8 mm。

本文依托某地下商业街深基坑邻近既有地铁的工程实例，应用有限元软件建立岩土-结构整体计算模型，通过详细分析计算，研究新建深基坑工程对邻近既有地下结构产生的影响。

1 工程概况

辽宁省沈阳市某地下商业街共划分为A、B、C、D四个区，其中，商业A区与沈阳地铁九号线铁西广场站—兴华公园站区间同期结合设计与施工，地铁区间位于地下商业结构下方。铁西广场站为新建地铁九号线和既有地铁一号线换乘站，为地下两层双柱三跨车站，明挖法施工，结构宽24.5 m、高14.5 m，顶板覆土厚3.23 m，围护结构采用ϕ800 mm@1 200 mm钻孔灌注桩。

地下商业A 区基坑宽40.8 m、深25.8 m，采用围护桩+钢支撑支护体系，施工前降水，保证地下水位于基坑底以下0.5 m，从上至下共设5 道支撑，基坑边与铁西广场站侧墙外皮净距5.2 m。见图1。

图1 商业街基坑与既有铁西广场站相对位置

为保证基坑开挖过程中铁西广场站的安全，邻近铁西广场站一侧，围护结构采用ϕ1 200 mm@1 500 mm钻孔灌注桩，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑。

2 工程地质情况

根据详勘报告，工程场地内自上而下土层依次为：

1）①1填土层，层厚1.0～2.3 m；主要由黏性土、碎石及砂类土组成，局部含少量建筑垃圾、生活垃圾（个别地段为垃圾填埋场）；道路地段表层为沥青路面，沥青路面下为碎石垫层，稍湿，松散；

2）③63中砂，层厚4.8～6.7 m；黄褐色，石英～长石质，次棱角形，均粒结构，颗粒级配差，含约10%黏性土，局部为粗砂夹层，湿，稍密～中密；

3）③83砾砂，层厚0～16.3 m；黄褐色，石英～长石质，棱角形，混粒结构，颗粒级配较好，含约20%黏性土，局部为圆砾薄层，湿，水下饱和，稍密～中密，局部密实；

4）⑤74粗砂，11.2～16.3 m；黄褐色，石英～长石质，次棱角形，混粒结构，颗粒级配一般，含约15%黏性土，局部有砾砂夹层，湿，水下饱和，密实。

3 计算分析

3.1 计算模型

采用MIDAS-GTS 有限元软件，建立尺寸为81 m×92 m×37 m 的模型，包含既有地铁一号线铁西广场站主体及围护结构、新建商业体基坑围护及临时结构。各土层均采用弹塑性材料，三维实体单元，采用Mohr-Coulomb 屈服准则；基坑围护桩、主体结构顶底板及侧墙、临时支撑等采用弹性模型、板单元；主体结构梁柱等采用弹性模型、梁单元。模型侧面边界水平位移和底面边界竖向位移受到约束；共计43 074 个单元。见图2和图3。

图2 计算模型

图3 基坑邻近既有车站模型

力学参数见表1。

表1 岩土层力学参数

既有结构及新建结构均为钢筋混凝土结构，梁、柱、板等各部分结构的参数根据设计情况在表2中选取。

表2 结构参数

既有车站站厅、站台楼板均布活荷载为4 kPa，列车满载等效均布荷载为16.16 kPa，地面车辆超载等效均布荷载为20 kPa。

3.2 分析步序

1）施加重力荷载，平衡初始地应力。

2）钝化既有一号线车站土体单元，激活既有一号线围护、主体结构。

3）钝化商业体基坑各开挖层的土体单元并激活钢支撑单元，模拟基坑开挖过程。

4）重复步骤3直到完成整个基坑的施工过程。整个分析步序见图4。

图4 分析步序

3.3 结果分析

既有地铁车站受商业体基坑开挖影响，最大沉降0.62 mm，最大水平位移为1.99 mm，为朝向基坑方向。

为得到铁西广场站在整个基坑施工过程中的影响数据，选取了代表性计算监测点，见图5。

图5 监测点位置

图5中，D轴为靠近基坑一侧，取7 ～13 轴立柱底点为监测点绘制竖向位移时程曲线，见图6。

图6 各监测点时程曲线

由图6可知：

1）临近基坑一侧D轴，随基坑开挖有上隆现象，开挖第三层土体后开始发生沉降，最大上隆量为0.14 mm，发生在D8 监测点；

2）A、B、C轴时程曲线规律一致，均为随基坑开挖结构产生沉降，最大沉降值为0.50 mm，发生在A8 监测点。

一号线铁西广场站中心线及左右线轨道中心线最终沉降量见图7。

图7 1号线铁西广场站最终沉降曲线

由图7可知，右线轨道中心线差异沉降较大，左线轨道中心线及结构中心线差异沉降较小。说明地铁一号线铁西广场站差异沉降量相对较大的区域主要集中在车站距离商业体基坑较近位置。

3.4 基坑开挖施工对既有站造成的变形预测

受基坑开挖影响，铁西广场站整体变形预测见图8。

图8 既有铁西广场站整体预测变形

由图8可知：受地下商业街深大基坑开挖的影响，既有一号线铁西广场站主体结构靠近基坑侧，结构自身及土体产生隆起现象；远离基坑侧，结构自身及土体产生沉降；结构顶底部均发生朝基坑侧的水平位移，底部水平位移较大；结构整体朝基坑侧呈反向旋转趋势。这与传统基坑开挖引起的周边土体变形不一样。坑内土体开挖卸载，会引起坑外土体产生主动土压力区，该范围土体水平应力减小，剪力增大，形成一定范围的塑性区，土体在自重作用下，产生竖向位移，砂卵石地层有支撑体系基坑开挖，会造成基坑外侧地表形成一个“沉降槽”，地表沉降最大位置发生在距离基坑边0.5倍基坑深度位置处，见图9；另外，坑内土体开挖卸载，会导致坑内基底范围内土体产生被动土压力区，该部分土体受到较大的水平向压应力，剪应力增大，在基坑底形成局部塑性区，发生向上隆起位移，当基坑较宽且较深时，基坑底会发生塑性隆起且基坑边缘的基底隆起量较基坑中间更大，见图10。

图9 围护结构变形

图10 基底的隆起变形

4 施工监测数据

通过施工监测，验证本工程对既有地下结构造成的影响。为保证既有地铁安全运营，基坑开挖过程中对铁西广场站左右线道床位移采用自动化监测并结合人工监测进行校核，见图11。

图11 既有站道床水平及竖向位移监测点设计

监测数据显示，基坑开挖过程中，既有站整体朝基坑侧发生水平位移，最大位移量为1.6 mm；既有站左线道床竖向位移，先沉降，后隆起，最大沉降量0.7 mm，最大隆起量0.4 mm；既有站右线道床竖向隆起，最大隆起量2.9 mm；基坑开挖至基坑底以后，既有站变形趋于平缓。满足地铁运营安全及设计要求。见图12。

图12 既有站道床位移-工况变化曲线

铁西广场站受基坑开挖影响产生的实际变形见图13。

图13 既有铁西广场站整体实际变形

与图8相比：水平位移基本相符；远离基坑侧竖向变形，预测为沉降，实际为先沉降后隆起；接近基坑侧竖向变形，与预测基本相符，但实际隆起数值却增大了超过20倍。最终，既有铁西广场站结构朝地下商业街基坑反向偏转，与预测相符。

5 原理分析

造成地下结构的隆起的因素有很多，比如地下水位上升，钢支撑预加力设计值过大，施工单位技术水平不高等。

1）基坑全程降水，地下水位一直控制在开挖面以下1 m，而且地下水对既有结构造成的隆起应该是均匀的，而本工程表现为不均匀隆起。所以排除地下水位的影响。

2）通常基坑施作应该“先撑后挖”，但为减少基坑暴露时间及满足施工工期的要求，有的基坑会“先挖后撑”。对钢支撑施加预加力可以控制基坑侧壁水平位移及坑外地表沉降的进一步发展；但钢支撑预加力过大造成的隆起是当基坑开挖深度达到邻近既有地下结构底板以下时开始的；而本工程从基坑开挖开始就已经有隆起的趋势。所以排除钢支撑预加力设计值过大的影响。

3）很多基坑变形均由施工单位的土方超挖或支撑架设不及时造成的；但土方超挖或支撑架设不及时会导致基坑水平位移和坑外地表沉降的加大。因此施工单位的技术水平并不是导致本工程结构隆起的因素。

4）基坑工程手册[3]提到：当基坑围护桩桩底清孔良好且桩底经过注浆加固的情况下，围护桩会随基坑开挖引起的坑底隆起，而产生相应的抬高。本工程商业街基坑边桩桩底土层为承载力较高的粗砂或圆砾地层，由于坑底隆起势必造成围护桩的竖向上抬；围护桩上抬与邻近既有地下铁西广场站的不均匀隆起有较大联系。

桩体通过与铁西广场站结构间的土体向铁西广场站传递竖向摩擦力，靠近基坑侧的铁西广场站结构随基坑开挖深度的加大，隆起量一直增大；远离基坑侧的铁西广场站结构，在基坑开挖初始阶段，因为重力起控制作用而沉降，随着基坑开挖深度加大，向上的摩擦力起控制作用，亦导致其产生一定隆起；当基坑开挖至底后，基底隆起量趋于稳定，既有结构的隆起量随之趋于稳定；最终临近基坑的既有铁西广场站产生了朝基坑侧的反转。