胡建林 李瑞軍 徐永峰 趙 飛 謝 龍

（1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，張家口075000；2.江蘇省泗洪縣建筑業(yè)管理處，泗洪223900）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷升級，大城市中地面交通日趨飽和，為了緩解交通壓力，各個大城市都將目光投向了地下交通工程.地鐵在解決城市交通擁堵的問題上起到了舉足輕重的地位，地鐵一般都是在城市繁華地帶進(jìn)行建設(shè)，所以地鐵在修建過程中通常會遇到周邊管線眾多、交通車流量大、臨近建筑物多等各種問題，由于地鐵工期長，所以在修建過程中經(jīng)常會遇到在地鐵基坑周邊同時進(jìn)行其他基坑的開挖，這時就需要考慮兩基坑之間的相互作用與影響.

關(guān)于基坑開挖的相互作用與影響國內(nèi)許多學(xué)者［1～3］也進(jìn)行了大量的研究.曾遠(yuǎn)［4］通過數(shù)值模擬分析，研究了新地鐵車站基坑開挖對原有車站變形的影響，主要是通過兩車站間距、源頭變形、土體彈性模量三個因素進(jìn)行分析研究.謝秀棟［5］采用FLAC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了在鄰近運營地鐵車站進(jìn)行基坑開挖時車站和基坑間距不同的情況下，基坑周圍土層的變形特點、變形規(guī)律，并與沒有地鐵車站時的位移場進(jìn)行了比較.本文采用有限元軟件模擬分析了地鐵車站基坑在施工期間鄰近基坑開挖對既有車站基坑的影響，研究了鄰近深基坑開挖對地鐵車站支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及基坑周圍地表沉降的影響.

1 工程概況

華池街站位于蘇州園區(qū)華池街與翠園路交叉口，跨華池街布置，為地下二層島式車站；車站東端為與明挖區(qū)間接口，西端為盾構(gòu)到達(dá)井.車站有效站臺中心里程：右DK21＋315.000，西端與會展中心站－華池街站區(qū)間的設(shè)計分界里程為：右DK21＋258.619，東端與華池街站－星港街站區(qū)間的設(shè)計分界里程為：右DK21＋427.762.結(jié)構(gòu)外包全長169.5m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度為20.264m，外擴(kuò)段外包寬度為24.264m.本站采用明挖法施工，一般段基坑深度在15.4m左右，東端盾構(gòu)井段深約17.6m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段地下墻厚600mm，盾構(gòu)井段地下墻厚800mm.晉合廣場基坑施工方法為放坡明挖法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用錨噴混凝土，開挖深度約為11.50～13.30m，基坑南側(cè)緊鄰華池街站的標(biāo)準(zhǔn)段，相鄰段長度約120m，基坑上口距離華池街站圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣約10m，最近距離僅為8.8m.由于該基坑開挖深度大，影響范圍也大，在基坑開挖施工過程中可能對華池街站基坑產(chǎn)生不利影響，所以有必要對該基坑的開挖對相鄰地鐵站產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究.本文選取兩基坑距離為8.8m最不利情況進(jìn)行分析.

圖1 基坑與地鐵車站平面位置圖

圖2 基坑與地鐵車站剖面圖

2 建模及參數(shù)的選取

根據(jù)實際工況選取模型尺寸為：高50m，長184m.土體本構(gòu)模型采用修正劍橋模型，地下連續(xù)墻、支撐以及鋼筋土釘采用線彈性模型.土體單元采用CPE4I單元，即4節(jié)點平面應(yīng)變非對稱單元.地下連續(xù)墻、支撐及鋼筋土釘采用B21單元，即兩節(jié)點線性梁單元.選用梁單元需要賦予梁單元橫截面特征，其中地下連續(xù)墻采用矩形橫截面，截面為1m×8m；第一道硂支撐采用矩形橫截面，截面積為0.8m×0.8m；第二、三、四道支撐采用環(huán)形橫截面，外徑D＝0.609m，厚度δ＝16mm；鋼筋土釘采用圓形橫截面，直徑為0.11m.地下連續(xù)墻彈性模量取2.0×107kPa，泊松比v＝0.3；硂支撐彈性模量取E＝2.5×106kPa，泊松比v＝0.3；鋼支撐彈性模量E＝2.62×105kPa，泊松比v＝0.25；土釘彈性模型取E＝2.1×105kPa，泊松比v＝0.3.

表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

圖3 有限元分析模型

3 地鐵車站基坑開挖數(shù)值模擬

為了分析研究鄰近基坑開挖對車站基坑的影響，首先對無鄰近基坑開挖情況下的地鐵車站基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，主要是對在開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和地表沉降進(jìn)行研究.

模擬開挖過程如下：

第一步：初始地應(yīng)力平衡；在進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡時利用remove語句將地下連續(xù)墻、支撐移除，避免對初始地應(yīng)力產(chǎn)生影響.

第二步：施工地下連續(xù)墻以及第一道硂支撐，然后進(jìn)行地鐵基坑的第一層土方的開挖，開挖深度為6.65m.其中地下連續(xù)墻及硂支撐的施工采用add語句進(jìn)行添加，土方的開挖采用remove語句進(jìn)行.

第三步：施工第二道鋼支撐，進(jìn)行地鐵基坑的第二層土方的開挖，開挖深度到9.74m.

第四步：施工第三道鋼支撐，進(jìn)行地鐵基坑的第三層土方的開挖，開挖深度到12.50m.

第五步：施工第四道鋼支撐，進(jìn)行地鐵基坑的第四層土方的開挖，開挖深度到15.82m.

對地鐵基坑施工進(jìn)行模擬計算結(jié)果如圖4所示，由于在地鐵基坑開挖過程中模型是對稱模型，所以以下以左側(cè)的地下連續(xù)墻及左側(cè)地表作為研究對象.

由以上分析可見隨著開挖深度的增加，地下連續(xù)墻的深層水平位移也不斷增加，發(fā)生最大水平位移的深度也逐漸下移，當(dāng)開挖到深度15.82m時最大水平位移出現(xiàn)在據(jù)地面8m左右的位置，最大水平位移值約為18mm.同時隨著開挖深度的增加，基坑周邊地表也出現(xiàn)了一定程度的沉降，最大沉降位置為距基坑邊緣5m左右，最大沉降值約為23mm.

4 鄰近基坑開挖對地鐵車站基坑的影響分析

實際工況是在地鐵車站基坑已經(jīng)開挖到最大深度后進(jìn)行了晉合廣場基坑的開挖.模擬開挖過程如下：第一步：初始地應(yīng)力平衡；在進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡時利用remove語句將地下連續(xù)墻、支撐以及土釘移除，避免對初始地應(yīng)力產(chǎn)生影響.第二步：施工地下連續(xù)墻以及第一道硂支撐，然后進(jìn)行地鐵基坑的第一層土方的開挖，開挖深度為6.65m.其中地下連續(xù)墻及硂支撐的施工采用add語句進(jìn)行添加，土方的開挖采用remove語句進(jìn)行.

第三步：施工第二道鋼支撐，進(jìn)行地鐵基坑的第二層土方的開挖，開挖深度到9.74m.

第四步：施工第三道鋼支撐，進(jìn)行地鐵基坑的第三層土方的開挖，開挖深度到12.50m.

第五步：施工第四道鋼支撐，進(jìn)行地鐵基坑的第四層土方的開挖，開挖深度到15.82m.

第六步：進(jìn)行晉合廣場基坑的第一層土方的開挖，然后進(jìn)行第一層土釘?shù)氖┕?

第七步：進(jìn)行晉合廣場基坑的第二層土方的開挖，然后進(jìn)行第二層土釘?shù)氖┕?

第八步：進(jìn)行晉合廣場基坑的第三層土方的開挖，然后進(jìn)行第三層土釘?shù)氖┕?

第九步：進(jìn)行晉合廣場基坑的第四層土方的開挖，然后進(jìn)行第四層土釘?shù)氖┕?

第十步：進(jìn)行晉合廣場基坑的第五層土方的開挖，然后進(jìn)行第五層土釘?shù)氖┕?

地鐵車站基坑的水平位移和豎直位移如下圖所示.

圖8 地鐵車站周邊土體水平位移圖

圖9 地鐵車站周邊土體豎直位移圖

為了更好的分析由于鄰近基坑開挖對已有地鐵車站基坑的影響，對左右側(cè)地下連續(xù)墻的水平位移以及基坑周邊地表沉降進(jìn)行單獨分析，結(jié)果如圖10～13所示.

圖10 地鐵車站左側(cè)地下連續(xù)墻水平位移圖

圖11 地鐵車站右側(cè)地下連續(xù)墻水平位移圖

由圖10～11可以看出，當(dāng)右側(cè)的晉合廣場基坑開挖后對地鐵基坑左右兩側(cè)的地下連續(xù)墻均產(chǎn)生了一定的影響，左側(cè)連續(xù)墻產(chǎn)生了向坑內(nèi)的位移，右側(cè)連續(xù)墻發(fā)生了向坑外的水平位移即連續(xù)墻的水平位移由于右側(cè)基坑的開挖發(fā)生了一定程度的回彈，這是由于右側(cè)基坑的開挖使得坑外的土壓力減小了，由此可見在既有基坑旁開挖新基坑時對原有基坑較遠(yuǎn)一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響要大于對近側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響.所以在實際設(shè)計施工中要重點對遠(yuǎn)側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測以防發(fā)生事故.

圖12 地鐵車站基坑左側(cè)地表沉降

圖13 地鐵車站基坑右側(cè)地表沉降

由圖12～13可見右側(cè)晉合廣場基坑的開挖對既有的地鐵車站基坑左右側(cè)地表沉降均產(chǎn)生了一定程度的影響，由于左側(cè)連續(xù)墻向坑內(nèi)的水平位移加大使得左側(cè)地表沉降也出現(xiàn)了沉降增大的現(xiàn)象，尤其是在距離連續(xù)墻較近的地方.由于右側(cè)晉合廣場基坑的開挖地鐵基坑的右側(cè)的地表沉降也出現(xiàn)了一定程度的增加，所以在實際施工過程中對基坑周邊地表的沉降監(jiān)測也是需要重點進(jìn)行觀測的.

5 結(jié) 論

通過上述的計算與分析，得出以下結(jié)論：

（1）采用支撐式地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑開挖后其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移出現(xiàn)在距地面1／3～1／2基坑深度處，墻后地表最大沉降出現(xiàn)在距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)一定距離處.所以在具體的施工過程中要對以上這些重點位置進(jìn)行重點監(jiān)測.

（2）根據(jù)模擬結(jié)果可以看出晉合廣場基坑的開挖對既有的地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊地表沉降均產(chǎn)生了較大的影響，晉合廣場基坑的開挖增大了地鐵車站基坑左側(cè)連續(xù)墻向坑內(nèi)的水平位移，由于土壓力的減小使得車站右側(cè)的地下連續(xù)墻的水平位移反而減小，即地下連續(xù)墻發(fā)生了一定程度上的回彈.由此看來在相鄰兩基坑的開挖過程中既有基坑的遠(yuǎn)側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于最不利狀態(tài)需要進(jìn)行重點關(guān)注.

［1］陳東杰.上海鐵路南站相鄰基坑開挖變形影響研究［J］.建筑科學(xué)，2005，21（06）：59～63

［2］海明雷，孫玉永，王炳龍.深大基坑開挖對鄰近地鐵車站影響研究［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報，2009，26（01）：7～11

［3謝弘帥.深基坑開挖對臨近地鐵車站基坑影響的有限元計算分析［J］.上海地質(zhì)，2009（109）：54～58

［4］曾遠(yuǎn)，李志高，王毅斌.基坑開挖對鄰近地鐵車站影響因素研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2005，1（04）：642～645

［5］謝秀棟，劉國彬，李志高，郭智杰.鄰近運營地鐵車站基坑開挖土層位移特性分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2007，3（04）：742～744＋757