王麗，楊文彬，武鈺翔，鄭剛

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)*

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地鐵站深基坑逆作法施工過程地下室結構與毗鄰基礎的相互影響

王麗1，2，楊文彬2，武鈺翔2，鄭剛1

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2.大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)*

在反演分析得到的參數(shù)基礎上研究地鐵站基坑逆作法施工過程中基坑地下室結構與臨近樁基礎和淺基礎的相互影響.當基坑周邊有淺基礎時，當其他條件相同時，隨著淺基礎與基坑的距離增加、基礎埋深增加、基礎寬度增加，基坑開挖引起的淺基礎中心點的沉降量逐漸減?。浑S著淺基礎埋深增加，淺基礎與基坑距離增加，開挖引起的擋土墻和樁柱上部(0～28 m)側移減??；淺基礎寬度變化對擋土墻和樁柱側移影響不大.當基坑周邊有樁基礎時，當樁基礎與擋土墻之間的距離相同時，樁長越長，樁基礎受到基坑開挖導致的土體回彈影響越大；樁基礎的存在對擋土墻的墻身側移影響很?。辉跍\基礎及樁基礎各工況中，開挖引起的坑內樁柱及擋土墻的回彈十分接近，開挖引起的擋土墻土壓力沿深度分布也十分接近.

逆作法；淺基礎；樁基礎；地下連續(xù)墻；地鐵站深基坑

0 引言

在建筑群密集的城市進行地鐵站深基坑開挖時，如何減小基坑施工對周邊建筑基礎的影響一直以來是城市向地下空間發(fā)展面臨的一個難題.

文獻[1-5]探討了基坑明挖施工對毗鄰建筑的影響.逆作法基坑施工利用地下室結構兼做水平支撐系統(tǒng)，支撐強度大，整體性好，且沒有拆除支撐引起的附加變形，越來越廣泛應用于密集建筑群城市的基坑施工中.例如，上海軌道交通4號線宜山路站半逆作基坑施工過程中緊鄰的7層淺基礎建筑和高架地鐵站的沉降監(jiān)測結果表明距離基坑0.4 m的建筑物最大沉降小于10 mm[6].杭州解百商業(yè)城半逆作法深基坑施工引起的基坑周邊道路最大地表沉降為35 mm[7].上海西站15號線地鐵站基坑逆作法施工引起列車軌道路基出現(xiàn)隆起，隆起量約為7 mm[8].上海市外灘一高層酒店深基坑逆作法施工引起距離基坑邊線僅1 m的多層鋼筋砼框架結構沉降值基本控制在20 mm[9].上海浦東新高層建筑超大基坑逆作法施工過程引起的周邊樁基礎建筑差異沉降較小，地下管線沉降主要是均勻沉降[10].文獻[11-12]詳細介紹了上海興業(yè)銀行大廈基坑全逆作法施工引起的周邊建筑及地下管線的沉降.上海某醫(yī)院地下車庫基坑逆作法施工中，基坑開挖、地墻施工和其他因素(地下障礙物清除、地基加固等)引起建筑物沉降分別約占建筑物總沉降的40%、25%和35%[13].文獻[14]介紹了上海世博500 kV地下變電站工程逆作法施工引起的周邊建筑及地下管線的沉降.上海市鐵路南站基坑工程采用中心島開挖加周邊環(huán)型底板逆作施工，距基坑圍護結構最近距離約為25 m房屋的累計最大沉降量為61mm[15].以上海地鐵10號線南京東路站基坑逆作法為背景，利用FLAC3D研究深基坑施工對周邊建筑變形影響[16].深圳市福田區(qū)某基坑“部分逆作法”施工過程周邊建筑沉降表明沉降大小與基礎形式、埋深有關系，基礎埋深大，沉降變化相對較小[17].文獻[18]詳細記錄了上海某地鐵站基坑逆作法施工過程周邊建筑沉降監(jiān)測結果.

上述文獻中，除文獻[12,18]外，其余文獻中對鄰近建筑影響的監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，關于地鐵站基坑施工對毗鄰建筑基礎的影響還有待于進一步探討.

有限元方法能夠更好的研究地鐵站基坑開挖與臨近建筑基礎的相互影響.本文利用有限元分析軟件ABAQUS對地鐵站基坑逆作法施工中基坑圍護結構與臨近樁基礎和淺基礎相互影響進行研究.

1 逆作法有限元模型

本文作者在文獻[19]中對上海的地鐵站逆作法施工[18]進行了有限元模擬分析，反演分析得到有限元相關參數(shù).在文獻[19]有限元模型基礎上，本文進行了表1共計12個工況的有限元模擬，研究逆作法施工過程，淺基礎、樁基礎與基坑圍護結構的相互影響.表1中各符號含義見圖1.

表1 逆作法工況

(a) 淺基礎與基坑

(b) 樁基礎與基坑

有限元模型的土層分布及基坑加固情況見圖1.圖1中基坑內涂黑部分的土體為注漿加固土體，編號①-⑤的土體參數(shù)見表1[19].逆作法開挖共計20步，每步完成項目詳見表2[19]表描述.地下室結構之間以及結構構件與土體之間的連接方式、結構構件材料參數(shù)詳見文獻[19].

淺基礎與土體為tie連接，樁基礎與土體采用 摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.25.

2 有限元計算結果

2.1 基坑與淺基礎相互影響

圖2為開挖過程中淺基礎中心處的沉降或上浮值.橫坐標與表2[19]中20個開挖步相對應.

圖2 淺基礎的上浮或沉降量

當基礎寬度b和基礎埋深d相同時，隨著基礎與基坑距離a增加，基坑開挖引起的基礎沉降逐漸減小.例如，當基礎寬度b=20 m，基礎埋深d=5m時，基礎與基坑距離a為5、10、15 m時，淺基礎最終位移分別為-6.1，-2.4和0.1 mm.

當基礎與基坑距離a和基礎埋深d相同時，隨著基礎寬度b增加，基坑開挖引起的基礎沉降逐漸減小.例如，當基礎與基坑距離a=5 m，基礎埋深d=5 m時，基礎寬度b為10、20、30 m時的淺基礎最終位移分別為-7.4、-6.1 mm和-4.4mm.

當基礎與基坑的距離a和基礎寬度b相同時，隨著基礎埋深d增加，基坑開挖引起的基礎沉降逐漸減小.例如，當基礎與基坑距離a=5 m，基礎寬度b=20 m時，基礎埋深d為5、15、20 m時的，開挖引起的淺基礎最終沉降分別為-6.1、-1.5和1.2 mm.

圖2中，基坑開挖過程中部分工況的基礎中心的沉降量為正，例如工況5-20-20-300、15-20-5-300、5-20-15-300和10-20-5-300.這是由于基坑開挖過程中，基礎一側土體卸荷導致基礎傾斜，基礎遠離基坑及基礎中心向上翹起.

圖3為基坑開挖引起的擋土墻墻身最終側移(向基坑內)，圖3中側移為基坑開挖引起，即淺基礎加載引起的側移已經被扣除.圖例“field”為模擬文獻[18]的有限元計算結果，即基坑周邊沒有淺基礎的影響.

如圖3(a)所示，隨著淺基礎埋深d增加，開挖引起的墻身上部(0～-28 m)側移減小.由于受到淺基礎基底壓力的影響，墻身上部側移(向基坑內)明顯增加，例如，地面下-2 m處，現(xiàn)場監(jiān)測的墻身側移為4.6 m，淺基礎埋深為20、15和5m的墻身側移分別為13.8， 15.6 和21.6 m. 地面下-15～-32 m的現(xiàn)場監(jiān)測的墻身側移略大于淺基礎埋深為20 m時的墻身側移.

(a) 變化淺基礎埋深d

(b) 變化淺基礎寬度b

(c) 變化基坑與淺基礎間`距離a

圖3(b)表明變化基礎寬度b對墻身側移的影響不大.圖3(c)表明隨著淺基礎與基坑的距離增加擋土墻的側移減小.由于淺基礎基底壓力的影響，墻身側移明顯增加.

圖4為基坑開挖引起的基坑內樁柱的最終側移，圖4中側移為基坑開挖引起，即淺基礎加載引起的側移已經被扣除.圖例“field”為模擬文獻[18]的有限元計算結果，即基坑周邊沒有淺基礎的影響.

由于淺基礎基底壓力的影響，擋土墻側移增加，坑內樁柱的側移(0～-28 m)也明顯大于沒有淺基礎影響的情況.隨著淺基礎與基坑之間距離增加，基礎埋深增加，樁柱側移減小.基礎寬度變化對樁柱側移的影響不明顯.

淺基礎各工況中，開挖引起的坑內樁柱及擋土墻墻頂回彈十分接近，擋土墻土壓力沿深度分布也十分接近.

(a) 變化淺基礎埋深d

(b) 變化淺基礎寬度b

(c) 變化基坑與淺基礎間距離a

2.2 基坑與樁基礎相互影響

圖5為開挖過程中樁基礎中距離基坑最近的樁頂?shù)某两祷蛏细≈?橫坐標與表2[19]中20個開挖步相對應.

當樁基礎與擋土墻之間的距離a不變時，樁長為12 m時，從第7步(對應坑內第3層土體開挖)開始樁頂下沉，最終沉降量為-2.4 mm；樁長為22m時，從第10步(對應坑內第4層土體開挖)開始樁頂上浮量逐漸減小，最終沉降量為-1.5 mm；樁長為32 m時，從第19步(對應坑內第8層土體開挖)開始樁頂上浮量開始減小，最終上浮量為0.3mm.即當樁基礎與擋土墻之間的距離相同時，樁長越長，樁基礎受到基坑開挖導致的土體回彈影響越大.

圖5 樁基礎的上浮或沉降量

這是由于與淺基礎相比，樁基礎上的荷載被傳遞到較深的土層內，荷載引起樁基礎下土體中的壓應力增加量相對較小.基坑開挖引起的土體回彈帶動樁基礎上浮.樁長較長時，土體上浮的影響越明顯.

隨著樁基礎與基坑之間的距離增加，樁頂上浮量增加；與基坑距離為15、10 m兩個工況的樁頂上浮量比較接近.

圖6為基坑開挖引起的擋土墻墻身最終側移(向基坑內)，圖6中側移為基坑開挖引起，即樁基礎加載引起的側移已經被扣除.圖例“field”為模擬文獻[18]的有限元計算結果，即基坑周邊沒有淺基礎的影響.

(a) 變化淺基坑與樁基礎之間距離

(b) 變化樁長

樁基礎與基坑距離a=5 m時，開挖引起的擋土墻側移略大.當樁基礎與基坑距離為10、15m時，樁基礎的存在對擋土墻的墻身側移影響很小.樁長變化對擋土墻的墻身側移影響不大.

圖7為基坑開挖引起的樁基礎中距離基坑最近樁的最終側移.圖例數(shù)字代表開挖基坑內相應的土層，見圖1.

(a) 工況“5-30”

(b) 工況“5-10”

(c) 工況“5-20”

(d) 工況“15-20”

(e) 工況“10-20”

第1、2層土體開挖后樁頂側移增加.第3層土體開挖后樁頂側移明顯減小，樁身下部側移進一步增加.在隨后開挖深度增加，樁身上部側移增加，增加幅度較小，樁身下部側移明顯增加.

開挖過程中，樁長22 m的樁身側移變化與樁長32 m的相似，只是樁身下部的撓曲變形不明顯.隨著樁與基礎距離增加，樁身側移減小，但樁身側移變化規(guī)律不變.

樁基礎各工況中，開挖引起的坑內樁柱及擋土墻墻頂回彈十分接近，擋土墻土壓力沿深度分布也十分接近.

3 結論

(1)隨著淺基礎與基坑的距離增加，淺基礎中心的沉降量逐漸減小.隨著基礎寬度增加，基礎沉降減小.隨著基礎埋深增加，基礎沉降減?。?/p>

(2)隨著淺基礎埋深增加，開挖引起的擋土墻墻身上部(0～-28 m)側移減小.基礎寬度變化對墻身側移的影響不大；

(3)隨著樁長、樁基礎與基坑之間的距離增加，樁頂由下沉逐漸變?yōu)樯细?與基坑距離為15、10 m兩個工況的樁頂上浮量比較接近；

(4)當樁基礎與基坑距離為10、15 m時，樁基礎的存在對擋土墻的墻身側移影響很小.樁長變化對擋土墻的墻身側移影響不大；

(5)在淺基礎及樁基礎各工況中，開挖引起的坑內樁柱及擋土墻墻頂回彈十分接近，擋土墻土壓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

國家自然科學基金資助項目(51208071)

王麗(1974-)，女，副教授，博士,主要從事巖土工程領域的科研和教學工作的研究E-mail:jiaoda_tina@163.com.

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