張 明， 閆 亮， 潘楚溈， 劉文兵， 謝 敏

(中建五局土木工程有限公司武漢分公司， 湖北 武漢 430108)

隨著我國城市基礎設施建設的飛速發(fā)展，城市建設用地日趨緊張。對于日趨嚴重的城市交通擁堵問題，發(fā)展地鐵等大運量軌道交通方式已經成為解決交通問題的有效途徑。地鐵的快速發(fā)展可拉動經濟建設增長，使得地鐵沿線站點附近往往擬建或在建密集的高層建筑群，其深基坑施工會對緊鄰地鐵車站產生施工風險和對環(huán)境產生影響[1～6]。而由于地鐵車站的重要性和特殊性，使得地鐵工程對于自身結構、周邊基坑和建筑的變形都有著嚴格的要求，這導致鄰近的深基坑工程面臨著較大的技術挑戰(zhàn)和施工難題。因此對于緊鄰地鐵車站的深基坑施工，確保地鐵車站的安全運營是十分必要的。

深基坑的開挖施工引起周邊土體應力場一定程度上的改變，從而引起周邊一定范圍內土體的變形。深基坑工程施工一方面因為自身坑內土體的開挖卸荷導致圍護結構的水平和豎向變形，進而引起坑外周邊土體的沉降變形，從而導致緊鄰地鐵結構隨著土體的下沉產生沉降；另一方面由于深基坑的開挖施工直接引起緊鄰地鐵隧道產生新增水平位移和豎向沉降，導致隧道產生變形和變位，嚴重時甚至會引起襯砌結構的開裂破壞[7]。

對于緊鄰地鐵車站的深基坑工程，需要預測緊鄰車站的變形，進而保證緊鄰車站運營的絕對安全，這具有顯著的實際意義和工程價值。本文結合線網(wǎng)中心大廈深基坑開挖項目，通過深基坑工程施工與鄰近地鐵樞紐結構的相互影響分析，以及對緊鄰地鐵樞紐結構的基坑項目的安全風險分析和評估，確保深基坑工程的施工安全以及已建地鐵的運營安全。同時也為鄰近地鐵樞紐的深基坑工程建設積累有益資料，為類似的工程項目提供相關經驗方法和理論依據(jù)。

1 工程背景

武漢市線網(wǎng)中心大廈項目位于光谷五路西側，神墩一路北側，擬建成為光谷地區(qū)的地標性建筑?；悠矫娉什灰?guī)則矩形，開挖總面積約12520.4 m2，其中寬約76.1 m，長約187.9 m。地下室結構一共三層，埋深約14.3 m，局部達到了17 m?；颖眰葹橐?guī)劃三泰街，西側為規(guī)劃攬月路，現(xiàn)狀為閑置空地；基坑東側為19號線光谷五路站，基坑南側為11號線光谷五路站，均已施工完成。基坑東側緊鄰該地鐵換乘車站，最小距離僅為4.0 m，基坑南側右半段與車站共用圍護結構。

該基坑采用順筑明挖法施工，分段、分區(qū)、分層開挖。基坑圍護結構采用Φ1200 mm鉆孔灌注樁單排樁，樁間距為1.8 m。支護體系采用一道水平混凝土內支撐和一道預應力錨桿(局部兩道)結合的方式。根據(jù)施工勘探資料，擬建場區(qū)內無地表水系存在，地表水主要為降雨及周邊生活污水。故本次分析不考慮地下水的影響。

對于擬建場地的地質情況，結合現(xiàn)場勘探資料和室內土工試驗結果，土層分布如圖1所示，土層的力學參數(shù)如表1所示。

圖1 基坑剖面和土層分布示意/mm

表1 土層力學參數(shù)

2 計算模型

本文通過有限差分軟件FLAC 3D進行數(shù)值模擬。FLAC 3D是一款巖土工程軟件，主要應用于求解巖土工程問題。它與有限元方法重點不同的是采用“混合離散法[8]”來模擬材料的塑性破壞和流動，它的計算結果更趨于準確，一般的有限元方法中主要采用“離散集成法”，“混合離散法”在進行靜態(tài)分析模擬時，也選擇采取動態(tài)運動方程進行求解運算，F(xiàn)LAC 3D在進行物理上的不穩(wěn)定分析的時候，不會存在數(shù)值上的分析障礙[9,10]。

根據(jù)施工場地范圍內的土層地質特性，選用Mohr-coulomb模型表述土體力學性能。對于模型邊界條件的設置，在模型左右兩側(x=0，x=570 m；y=0，y=470 m)和模型底部(z=0)設置法向約束，而在模型上部邊界(z=30 m)則設為自由。在進行數(shù)值模擬分析之前，構建初始施工場地，進行土體的固結，并使土體在自重應力下平衡，進而得到在施工之前的原始地應力場。

由于地鐵車站為已建成結構，故此處進行數(shù)值分析時僅模擬基坑的施工過程對臨近地鐵樞紐結構的影響，根據(jù)施工方案依次進行基坑圍護結構施工、基坑開挖架設內支撐體系、地下室結構回填修筑。本文建立了包括線網(wǎng)中心大廈基坑、鄰近地鐵光谷五路車站建筑物結構和周邊一定土體范圍地質分布在內的三維數(shù)值模型。如圖2，3所示。

圖2 三維數(shù)值整體模型

圖3 地鐵車站與基坑支護體系的三維模型

3 結果分析

本文分析了隨著深基坑的開挖，緊鄰地鐵車站結構的新增位移和附加應力。

為了更準確地分析地鐵車站結構在基坑施工過程中的變形發(fā)展過程以及評估深基坑工程的穩(wěn)定性和安全性，計算時對地鐵車站不同截面上和基坑支護結構部分關鍵點的變形進行了監(jiān)測記錄，主要監(jiān)測了緊鄰地鐵車站水平和豎向位移、基坑工程圍護樁頂水平和豎向位移以及周邊地表沉降。監(jiān)測點的布置如圖4所示。

圖4 基坑監(jiān)測點布置分布/m

3.1 地鐵結構新增水平位移分析

隨著基坑工程的施工，土方開挖產生的卸荷效應導致地鐵車站的水平側向變形為主要變形，且地鐵車站產生的水平位移方向為朝向基坑內側方向。圖5，6表示了地鐵車站最大水平位移云圖，即對應于基坑開挖至基底工況。從圖中可以看出，地鐵車站結構水平x向最大位移發(fā)生在緊鄰基坑東側區(qū)間中間部分，最大水平x向位移為1.75 mm，方向朝向基坑內側；地鐵車站結構水平y(tǒng)向最大位移發(fā)生在與基坑南側共用圍護結構部分，且位于基坑圍護結構與地鐵圍護結構連接處，最大水平y(tǒng)向位移為1.38 mm，方向朝向基坑內側。

圖5 開挖至基底時地鐵車站x向位移云圖

圖6 開挖至基底時地鐵車站y向位移云圖

由圖可知，與基坑x，y向平行的地鐵車站結構的水平位移均較小。這是因為地鐵車站與基坑開挖的卸荷方向垂直，因而基坑的開挖卸載效應造成的水平位移影響很小。深基坑的開挖施工對地鐵車站遠離基坑部分位移影響較小，且均在規(guī)范允許范圍內，這也說明深基坑工程施工主要對鄰近基坑側地鐵車站有影響。

由數(shù)值分析結果可知，水平向x向最大位移發(fā)生在緊鄰基坑東側區(qū)間位置，對應于監(jiān)測點J24～J26?，F(xiàn)選取監(jiān)測點J24～J26進行分析，墻頂水平位移隨施工工況變化曲線如圖7～9所示。在采集數(shù)據(jù)時，根據(jù)前述模擬施工工況選取相應的數(shù)據(jù)進行分析。

圖7 J24隨施工工況水平位移變化

圖8 J25隨施工工況水平位移變化

圖9 J26隨施工工況水平位移變化

根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理可知，地鐵車站結構最大水平x向位移為1.81 mm，該值與模擬結果較為接近。由圖可知，隨著基坑開挖深度和面積的增大，土體卸荷量增大，土體的卸荷效應也更加顯著，隨之導致的車站結構水平位移也增大，基坑開挖至底部時卸荷量最大，此時車站結構的水平位移也達到最大值。而向上回填修筑地下室結構的過程中，由于地下室結構自重及施工荷載對基坑底部起到了一個向下反向加載的過程，基坑施工所引起地鐵車站結構的水平位移有減小并逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，但可以從圖中看到，在工況12即拆除水平支撐時，地鐵車站結構水平位移有一定的增加趨勢，這是因為在拆除支撐時，瞬間釋放出很大的應力，造成地鐵車站產生一定的變形，因此在施工中拆除水平支撐的時候也需要嚴加注意。

地鐵車站水平y(tǒng)向最大位移發(fā)生在基坑南側與地鐵車站共用圍護結構部分，現(xiàn)選取地鐵車站結構監(jiān)測點J7，J8，J11進行分析，墻頂水平位移隨施工工況變化的曲線如圖10～12所示。

圖10 J7隨施工工況水平位移變化

圖11 J8隨施工工況水平位移變化

圖12 J11隨施工工況水平位移變化

根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理可知，地鐵車站結構最大水平y(tǒng)向位移為1.36 mm，這亦與模擬結果較接近。地鐵車站結構水平y(tǒng)向位移與x向位移變化趨勢相似，都是隨著基坑開挖深度和面積的增大逐漸提高。當基坑開挖到底部時，水平y(tǒng)向位移也達到最大值。而向上修筑地下室的過程中，基坑施工的加載效應導致地鐵車站結構的y向水平位移也減小并趨于穩(wěn)定。

3.2 地鐵結構新增豎向位移分析

圖13為基坑開挖到坑底工況下地鐵車站結構最大豎向位移云圖。從圖可以看出，由于線網(wǎng)中心大廈基坑位于鄰近的地鐵車站結構的側上方，基坑的開挖卸荷作用導致地鐵車站結構在靠近基坑的部分產生輕微豎向隆起，而在遠離基坑部分出現(xiàn)了微小沉降。由圖可知，豎向最大位移為0.93 mm，且最大沉降發(fā)生在基坑圍護結構與地鐵車站連接部分，即圖中紅色區(qū)域。繪制了監(jiān)測點J7和J8處墻頂豎向位移隨施工工況變化曲線，如圖14，15所示。

圖13 開挖至基底時地鐵車站z向位移云圖

圖14 J7隨施工工況豎向位移變化

圖15 J8隨施工工況豎向位移變化

由實際監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析可知，地鐵車站最大豎向位移為1.02 mm。數(shù)值模擬結果與基坑實測數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同。隨著基坑開挖深度的增加，基坑施工導致的地鐵車站結構的豎向變形量也逐漸增大；當開挖到基坑底部時，豎向位移量也達到最大；在向上回填修筑地下室結構時，由于加載效應導致地鐵車站結構的豎向位移減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

由對比分析結果可知：深基坑工程施工主要引起緊鄰地鐵車站結構在鄰近基坑一側產生水平和豎向的土體卸載，由于土壓力的作用，使得地鐵車站結構朝向基坑內部方向產生一定程度的水平和豎向位移。但地鐵車站結構產生的位移變化主要以水平側向位移為主。地鐵車站結構受緊鄰深基坑工程施工的影響，結構的水平位移及豎向位移均隨著基坑開挖土方量增加而不斷增大，直至開挖至基底時達到最大。而地下室的修筑相當于在地鐵結構的另一側重新加載，使得地鐵結構水平位移背離基坑一側有所增大。但由于整體開挖土方量遠大于地下室回填土方量，且地鐵車站變形主要為塑性變形不可恢復，所以地下室回填修筑對地鐵車站結構的整體影響效果并不明顯。

無論是實際監(jiān)測數(shù)據(jù)還是數(shù)值模擬均顯示本基坑施工引起地鐵結構變形的絕對值較小，經分析可能存在以下原因：(1)由于地鐵工程的特殊性，規(guī)范關于地鐵周邊各種工程施工對地鐵隧道結構的影響有著嚴格的規(guī)定，本項目基坑緊鄰地鐵車站，設計要求地鐵車站的變形需嚴格控制在10 mm之內，故設計決定了變形值在較小范圍內；(2)該基坑地貌類型為長江Ⅲ級階地，土質較好，地下水類型為少量上層滯水，基本無水害，變形較易控制。

3.3 地鐵結構附加應力分析

深基坑工程的施工不僅會導致緊鄰地鐵車站產生一定程度的變形和周邊土體的變化，而且由于坑內土體大規(guī)模卸載、土體應力的大量釋放，使得周邊應力場也產生了顯著變化，從而在地鐵車站部位產生附加應力。圖16～18為地鐵車站最大附加應力云圖，即基坑開挖到底部時的附加應力云圖。

圖16 開挖至基底時地鐵車站x向附加應力云圖

圖17 開挖至基底時地鐵車站y向附加應力云圖

圖18 開挖至基底時地鐵車站z向附加應力云圖

從圖中可以看到地鐵車站結構x，y，z向最大附加應力分別為2.24，2.96，3.26 kPa。綜上所述，在基坑施工全過程中，地鐵車站結構三個方向的應力均有增加，但增幅不大，基本可以控制在3.50 kPa以內。由此可以看出，深基坑施工引起的地鐵車站附加應力及其變化幅度均較小，在一般情況下，對緊鄰地鐵車站結構的影響不大，不會造成結構的破壞。

4 結 論

以武漢地鐵光谷五路站及線網(wǎng)中心大廈基坑工程為依托利用FLAC 3D有限元軟件進行了大規(guī)模基坑開挖對緊鄰地鐵車站結構位移、變形的影響研究，并結合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析，主要得出以下結論：

(1)地鐵車站結構的變形以水平變形為主，豎向變形較小。開挖至基坑底部時，水平和豎向變形量達到最大值；此后向上回填修筑地下室過程中，地鐵車站結構變形量逐漸減小并趨于穩(wěn)定。地鐵車站的位移主要由基坑開挖產生，而地下室結構的回填修筑對地鐵車站結構的位移影響較小。

(2)本工程基坑東側區(qū)間緊鄰地鐵車站，而基坑南側部分區(qū)間與地鐵車站共用圍護結構。在上述區(qū)段內，地鐵車站結構的水平位移最大，在施工中需要嚴加注意?；邮┕に鶎е碌牡罔F車站的最大水平側向位移數(shù)值結果為1.75 mm，實測結果為1.81 mm；最大豎向隆起量數(shù)值結果為0.93 mm，實測結果為1.02 mm。通過數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，二者結果較吻合，這也說明了數(shù)值建模的合理性。

(3)在基坑施工全過程中，地鐵車站結構三個方向的應力均有增加，但整體增加幅度不大，最大值均發(fā)生在基坑開挖至底部階段?；邮┕ふT發(fā)緊鄰地鐵車站結構的最大應力增量可以控制在3.5 kPa以內。

綜上所述，可認為鄰近基坑開挖會造成緊鄰地鐵車站結構發(fā)生一定程度的水平位移和豎向位移，并將造成緊鄰地鐵結構的受力狀態(tài)發(fā)生一定程度的改變，但整體位移量較小，應力增量較小，在正常施工條件下，線網(wǎng)中心大廈基坑施工不危及鄰近地鐵車站的安全運行。