梅禎,肖軍華,王炳龍

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

在軟土地區(qū)，由于地質(zhì)軟弱，基坑開挖勢(shì)必會(huì)引起周邊地層應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的改變，繼而對(duì)周邊地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)，臨近結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著變形，甚至破壞[1-2]。如杭州地鐵2號(hào)線某區(qū)間臨近基坑施工，造成近百環(huán)管片的收斂變形超過80 mm，深圳地鐵1號(hào)線某區(qū)間臨近基坑施工造成隧道水平位移達(dá)70 mm[3]。

學(xué)者們就基坑開挖對(duì)臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響問題展開了深入研究。Wang等[1]提出隨機(jī)反分析法預(yù)測(cè)基坑開挖引起的鄰近建筑潛在損壞的可能性。Dole?alov[4]、Hu等[5]和王衛(wèi)東等[6]采用數(shù)值分析法分析基坑開挖卸荷對(duì)鄰近既有隧道的影響。Liang等[7-8]和周順華等[9]基于兩階段法提出臨近開挖對(duì)既有地鐵隧道受力變形影響的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。魏綱[10]和Zheng等[11]在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了基坑開挖引起臨近地鐵隧道豎向位移的經(jīng)驗(yàn)公式。張子新等[12]采用三維有限元，對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了基坑開挖對(duì)位于基坑中心的地鐵高架橋墩的影響。

上述研究采用解析、半解析以及數(shù)值分析等手段，結(jié)合大量工程實(shí)踐，對(duì)基坑開挖對(duì)周邊建構(gòu)筑物，尤其是地鐵隧道的影響已有較清晰的認(rèn)識(shí)，但基坑開挖對(duì)地鐵高架結(jié)構(gòu)的影響認(rèn)識(shí)卻較少。然而，位于市郊的城市軌道交通結(jié)構(gòu)多以高架結(jié)構(gòu)為主，隨著城市的不斷擴(kuò)張，臨近地鐵高架結(jié)構(gòu)的施工活動(dòng)也越來(lái)越頻繁，尤其在軟土地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下，如何控制施工影響、保護(hù)臨近地鐵高架結(jié)構(gòu)面臨許多新的問題。

由于問題的復(fù)雜性，傳統(tǒng)解析方法難以合理地分析基坑開挖對(duì)臨近結(jié)構(gòu)的影響，數(shù)值分析方法由于能考慮土層的性質(zhì)、土層開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊建(構(gòu))筑物存在的影響等復(fù)雜因素，已成為基坑工程分析的最有效方法[4-6]。因此，本文依托蘇南地區(qū)臨近城市軌道交通結(jié)構(gòu)的基坑工程，采用三維有限元法，模擬基坑開挖全過程，分析開挖卸載對(duì)臨近地鐵高架橋墩的作用機(jī)制，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證數(shù)值模型和計(jì)算參數(shù)的合理性，繼而討論不同基坑參數(shù)對(duì)地鐵橋墩附加變形的影響,為臨近地鐵高架結(jié)構(gòu)施工控制及結(jié)構(gòu)安全保護(hù)提供參考。

1 工程概況

1.1 高架結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)情況

沉降監(jiān)測(cè)是軌道交通結(jié)構(gòu)安全的重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。圖1為上海地鐵11號(hào)線花橋方向延伸段運(yùn)營(yíng)期內(nèi)累計(jì)沉降變形曲線[13]，圖中灰色標(biāo)注部分表示監(jiān)測(cè)期間周邊存在建筑施工活動(dòng)?？梢钥闯?，全線共有6處較為明顯的沉降槽，與灰色標(biāo)注部分基本吻合，且沉降槽的寬度與鄰近基坑寬度近似。這說(shuō)明，臨近基坑施工是引起地鐵橋墩沉降的重要影響因素。以下以其中一處基坑工程為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖1 地鐵高架橋墩累計(jì)沉降變形曲線[13]Fig.1 Accumulated settlement curve of subway viaduct

1.2 基坑工程概況

該項(xiàng)目為地鐵11號(hào)線沿線中城商務(wù)廣場(chǎng)寫字樓基坑工程，場(chǎng)地內(nèi)，地基土屬第四系瀉湖沼澤相地基土沉積層，主要由飽和粘性土、粉性土以及砂土組成。基坑側(cè)壁土層由上至下主要以素填土、軟塑狀粘性土、流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，基坑底部處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中。土體屬于高壓縮性土，施工過程如果控制不當(dāng)，易發(fā)生較大變形而導(dǎo)致局部失穩(wěn)，影響臨近軌道交通結(jié)構(gòu)的安全。

建筑基坑呈長(zhǎng)方形，縱向?qū)?56 m,橫向?qū)?0 m(沿地鐵敷設(shè)方向?yàn)榭v,垂直為橫)，挖深9.6 m。設(shè)三軸水泥攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)兼作止水帷幕，樁長(zhǎng)22.0 m。坑內(nèi)設(shè)兩道鋼筋混凝土支撐，分別在-2.6 m和-6.3 m的位置?；颖眰?cè)平行某軌道交通高架線，距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)31 m。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑開挖影響范圍約為基坑寬度的1.5倍，影響范圍內(nèi)，共有9根高架橋墩，分別為S1～S9號(hào)墩,如圖2所示。

圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊場(chǎng)地平面圖Fig.2 Enclosure structure and surrounding site of foundation

1.3 地鐵高架線

地鐵11號(hào)線花橋方向延伸段為高架結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支混凝土梁，標(biāo)準(zhǔn)跨徑30 m，基坑影響范圍內(nèi)，S1～S4橋墩樁基為預(yù)制混凝土管樁，樁長(zhǎng)40 m；S5～S9橋墩樁基為鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)56 m。

1.4 施工監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)整理

圖3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

由于樁長(zhǎng)不同，短樁S1～S4的沉降量最大達(dá)7 mm，大于長(zhǎng)樁S5～S9的最大沉降量。墩頂水平位移大致以基坑中心軸線為對(duì)稱軸，呈中間大，兩側(cè)小的趨勢(shì)，最大水平位移為4.5 mm。

2 基坑施工全過程數(shù)值分析

2.1 計(jì)算模型

該基坑為規(guī)則矩形，但由于臨近地鐵高架樁基存在長(zhǎng)短樁，需建立三維模型加以分析。所建高架結(jié)構(gòu)共8跨9橋墩，均采用實(shí)體單元，樁基均采用可考慮側(cè)摩阻力和樁端阻力的樁單元。為便于計(jì)算，把基坑圍護(hù)樁按抗彎剛度等效原則等效為連續(xù)墻體，內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其布置圖如圖2所示。

為了更有效地模擬結(jié)構(gòu)和土的相互作用，在基坑連續(xù)墻與地層、橋墩與地層均直接設(shè)置了界面。有限元計(jì)算模型縱剖面示意圖如圖4所示。

圖4 有限元計(jì)算模型示意圖(縱剖面)Fig.4 Finite element model(longitudinal profile)

數(shù)值分析方法的關(guān)鍵問題之一，是要采用合適的本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)。目前，在軟土地區(qū)基坑施工數(shù)值模擬中，大量使用的硬化模型包括硬土模型(簡(jiǎn)稱HS)和小應(yīng)變土體硬化模型(簡(jiǎn)稱HSS)[14]，是通用巖土有限元軟件Plaxis中常用的兩種土體本構(gòu)模型。在城市基坑工程中，土體的剪應(yīng)變一般需控制在1.0×10-4～1.0×10-3的量級(jí)之間，方可保證基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響可控，處于小應(yīng)變狀態(tài)。因此，土體采用小應(yīng)變土體硬化模型(HSS)，混凝土管樁、鉆孔灌注樁、橋墩、橋梁、基坑圍護(hù)及內(nèi)支撐均采用線彈性模型。

基坑施工共分3次開挖，每次開挖前進(jìn)行基坑降水，地下水位降至開挖面以下1 m。計(jì)算過程中，以穩(wěn)態(tài)滲流法模擬基坑內(nèi)外水頭差引起的滲流，其中，圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)視為0。

2.2 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算參數(shù)反演

表1 參數(shù)反演Table 1 Parameter inversion

注：Es為土層壓縮模量

圖5為不同參數(shù)取值方案下，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果。

2.3.4 避免在車內(nèi)吸煙。據(jù)測(cè)試每只香煙中苯與甲苯的散發(fā)量可達(dá)200 μg。在車內(nèi)抽一支煙就可以讓車內(nèi)空氣質(zhì)量超標(biāo)。如果在車內(nèi)抽煙的時(shí)候開空調(diào)，煙塵會(huì)進(jìn)入空調(diào)管路系統(tǒng)并附著在管道內(nèi)壁，時(shí)間久了車內(nèi)就會(huì)有難聞的氣味，清洗空調(diào)系統(tǒng)都很難去除。

從橋墩沉降和水平位移以及基坑坡頂沉降和水平位移(測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示)的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算值的對(duì)比可知，方案B最為接近實(shí)測(cè)值。

圖5 實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of measured and calculated

表2 地層計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculated parameters

圖6為最終計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，橋墩沉降和水平位移計(jì)算值和變形規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果已十分接近。因此，可認(rèn)為該有限元模型能夠模擬該項(xiàng)工程。

3 影響因素分析

為進(jìn)一步了解基坑開挖對(duì)臨近地鐵高架結(jié)構(gòu)的影響，以上述有限元模型為基礎(chǔ)，從數(shù)值分析的角度進(jìn)一步研究基坑與橋墩開挖距離、基坑深度、基坑數(shù)量和施工順序等因素對(duì)橋墩附加變形的影響規(guī)律。為避免不同樁型對(duì)沉降和水平位移規(guī)律的影響，后續(xù)計(jì)算過程中，高架樁基均采用樁長(zhǎng)40 m,樁徑600 mm的預(yù)制管樁,其他地鐵高架結(jié)構(gòu)以及各材料參數(shù)均保持不變。計(jì)算工況如表3所示。

表3 計(jì)算工況Table 3 Calculation schemes

圖6 有限元計(jì)算結(jié)果

3.1 基坑與橋墩水平距離的影響分析

圖7為基坑與橋墩水平間距對(duì)橋墩水平位移和沉降的影響曲線，從變形趨勢(shì)可以看出，開挖距離對(duì)臨近結(jié)構(gòu)的橫向變形影響要大于結(jié)構(gòu)沉降變形，特別是距離橋墩2H范圍內(nèi)(H為基坑深度)。建議近距離基坑施工時(shí)，將橫向變形作為基坑施工臨近結(jié)構(gòu)安全性控制指標(biāo)；隨著開挖距離的增大，結(jié)構(gòu)變形基本呈線性變化，僅在1H附近出現(xiàn)了拐點(diǎn)，即當(dāng)開挖距離約為1H時(shí)，結(jié)構(gòu)變形達(dá)到最大。因此，在確定基坑與臨近結(jié)構(gòu)水平間距時(shí)，應(yīng)盡可能避開1倍基坑開挖深度的情況。

3.2 基坑寬度的影響分析

圖8為不同基坑寬度條件下，基坑開挖引起各橋墩的附加沉降分布圖和沉降曲線。從圖中可以看出，隨著基坑寬度的增大，沉降槽逐漸擴(kuò)大，且存在明顯的拐點(diǎn)，當(dāng)基坑寬度小于8H時(shí)，寬度對(duì)中心1/3邊長(zhǎng)范圍內(nèi)的橋墩附加沉降影響最大，每增加10 m，附加沉降將增大1.3 mm左右，之后趨于平緩，基坑寬度每增加10 m，附加沉降僅增大0.4 mm左右。說(shuō)明當(dāng)橫向基坑寬度小于8倍基坑開挖深度時(shí)，減小基坑寬度可以有效地減小橋墩水平位移和沉降。

3.3 基坑深度的影響分析

圖9為各橋墩沉降隨基坑深度變化的分布曲線和變化曲線?？傮w來(lái)看，隨著開挖深度增大，結(jié)構(gòu)變形明顯增加，特別是在開挖深度超過10 m后，變形速度明顯加快，且以基坑中線左右2H范圍內(nèi)的橋墩變形最為明顯，開挖深度由6 m分別增加到10 m和16 m，橋墩沉降增加了約4 mm和14 mm。因此，當(dāng)增加基坑挖深時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)控制和保護(hù)該范圍內(nèi)的橋墩，必要時(shí)需對(duì)橋墩進(jìn)行加固或增設(shè)隔離措施。

圖7 基坑與橋墩水平間距對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響Fig.7 The relationship between settlement of piers

圖8 橋墩沉降與基坑寬度的關(guān)系Fig.8 The relationship between settlement of piers

圖9 橋墩沉降與基坑深度的關(guān)系Fig.9 The relationship between settlement of piers

3.4 基坑數(shù)量的影響分析

當(dāng)?shù)罔F高架結(jié)構(gòu)兩側(cè)存在單個(gè)或多個(gè)基坑時(shí)，高架結(jié)構(gòu)的變形出現(xiàn)不同程度的疊加情況。A、B、C、D分別為位于地鐵高架橋兩側(cè)的同規(guī)?；?，其中，A、B并列于高架左側(cè)，C、D并列于右側(cè)。圖10所示為4個(gè)基坑依次施工對(duì)高架結(jié)構(gòu)水平位移和沉降的影響曲線。由圖10可知，對(duì)側(cè)基坑施工結(jié)構(gòu)橫向變形回彈明顯，基本可以忽略結(jié)構(gòu)的水平位移，同側(cè)施工則在基坑相鄰處出現(xiàn)明顯的疊加區(qū)域，水平位移極值點(diǎn)仍然處于基坑中心附近，相對(duì)于單基坑時(shí)有所增大，但并不顯著；對(duì)側(cè)基坑施工時(shí)，基坑中心處橋墩沉降明顯增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了2倍單基坑引起的橋墩沉降，同側(cè)基坑施工沉降規(guī)律與橫向變形規(guī)律相似?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著基坑數(shù)量的增多，變形疊加區(qū)域結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)出明顯的非線性特性，這是因?yàn)?，多重施工擾動(dòng)導(dǎo)致軟土結(jié)構(gòu)受損，土體工程性質(zhì)逐漸弱化。

圖10 多基坑依次施工引起橋墩水平變形、沉降曲線Fig.10 The relationship between settlement of piers

3.5 多基坑施工順序的影響分析

圖11為不同施工順序?qū)Ω呒芙Y(jié)構(gòu)水平位移和沉降的影響曲線。從圖中可以看出，雙側(cè)4基坑同時(shí)施工或先后依次施工，橋墩水平變形基本相當(dāng)；分側(cè)施工時(shí)，橋墩水平位移最大值出現(xiàn)在后施工一側(cè)的基坑相鄰處；多個(gè)基坑同時(shí)施工引起的結(jié)構(gòu)沉降最大，按結(jié)構(gòu)兩側(cè)分側(cè)施工時(shí)最小，各個(gè)基坑依次施工時(shí)次之。

圖11 多基坑施工順序引起橋墩水平變形、沉降曲線Fig.11 The relationship between settlement of piers

4 結(jié)論

結(jié)合實(shí)際工程，通過基坑開挖對(duì)沿線地鐵高架結(jié)構(gòu)變形影響的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，基坑與地鐵高架結(jié)構(gòu)水平間距、基坑寬度、基坑深度、基坑數(shù)量以及基坑施工順序?qū)ο噜徑Y(jié)構(gòu)變形均有明顯的影響。

1)開挖距離小于2H時(shí)(H為基坑深度)，基坑與結(jié)構(gòu)間距對(duì)結(jié)構(gòu)橫向變形的影響要大于豎向變形；開挖距離為1H時(shí)，結(jié)構(gòu)橫向變形與豎向變形均達(dá)到最大。

2)結(jié)構(gòu)變形隨基坑寬度的增大而增大，當(dāng)寬度大于8H時(shí)，影響驟然降低。

3)基坑挖深對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響顯著，深度超過10 m后，沉降尤為明顯，且以基坑中線1H范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)影響最大。

4)多個(gè)基坑施工引起的結(jié)構(gòu)變形表現(xiàn)出一定的非線性，同側(cè)多基坑施工對(duì)基坑相鄰區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)影響較大，有明顯的疊加效應(yīng)；對(duì)側(cè)基坑施工時(shí)，結(jié)構(gòu)橫向變形有明顯的回彈現(xiàn)象，最終變形較小，而豎向變形有顯著的非線性疊加效應(yīng)，變形量約為單個(gè)基坑的2.5倍。

5)當(dāng)結(jié)構(gòu)兩側(cè)存在多個(gè)基坑時(shí)，不同施工工序引起的結(jié)構(gòu)變形略有差別。分側(cè)施工引起的結(jié)構(gòu)豎向變形最小，但橫向變形最大；同時(shí)施工引起的結(jié)構(gòu)豎向位移最大，橫向變形卻較小。