黃文彬，王 源，孫國峰

（1、深圳市巖土綜合勘察設(shè)計有限公司 深圳 518172；2、深圳市龍崗地質(zhì)勘查局 深圳 518172）

0 引言

隨著深圳城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵線路穿越城市中心密集地區(qū)，線路周邊存在越來越多住宅及商業(yè)建筑開發(fā)，這些項目開發(fā)往往涉及超大深基坑。緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的基坑開挖，如何選擇合理的支護型式確保地鐵變形在允許范圍內(nèi)的同時又使得施工便利，加快施工工期，對設(shè)計和施工提出了更高的要求。為確保基坑以及周邊地鐵線路結(jié)構(gòu)的變形可控，業(yè)內(nèi)人員在設(shè)計此類基坑的時候往往優(yōu)先采用內(nèi)支撐支護型式，該類支護型式有較高的平面支護剛度，對于控制變形有很好的效果，也取得了較豐富的工程技術(shù)經(jīng)驗［1-11］。但另一方面，內(nèi)支撐支護型式的使用也犧牲了較大的工程造價和施工工期，地下室施工作業(yè)面受限，施工便利性也大打折扣。

在地質(zhì)條件相對較理想的情況下，在臨近地鐵高架線路采用非內(nèi)支撐類的支護型式，如雙排樁+短錨索、樁錨等進行基坑開挖的工程案例和相關(guān)研究較為少見，本文將以深圳地鐵龍華線上塘地鐵站至龍勝地鐵站之間的高架線路為依托，利用傳統(tǒng)彈性計算理論、數(shù)值模擬分析以及自動化監(jiān)測等手段對基坑開挖過程中的支護結(jié)構(gòu)變形以及地鐵高架橋的變形情況展開詳細研究。

1 工程簡介

1.1 工程概況

某項目位于深圳市龍華上塘地鐵站附近，東北臨民塘路，西北臨建設(shè)路，西南臨騰龍路及地鐵龍華線，東南臨潔玉路（建設(shè)中）。擬建項目為7棟高層住宅樓及配套商業(yè)用房，地下室2 層，基坑開挖深度為8.40～9.90 m，周長約720 m，開挖面積約30 500 m2。

項目西側(cè)局部支護段位于地鐵龍華線軌道安保區(qū)范圍內(nèi)，基坑支護邊線距地鐵軌道邊線最小距離約17.5 m，軌道結(jié)構(gòu)類型為預應(yīng)力混凝土簡支梁（單線），軌道橋梁下為“橋墩+承臺+樁基礎(chǔ)”。本項目與地鐵高架關(guān)系如圖1所示。由于基坑開挖區(qū)局部位于地鐵軌道安全保護區(qū)范圍以內(nèi)，基坑開挖引起的土體變形可能對地鐵橋墩產(chǎn)生影響。

圖1 項目與地鐵線路關(guān)系平面Fig.1 Plane Diagram of Relationship Between Foundation Pit and Subway Elevated

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報告顯示，緊鄰地鐵一側(cè)的場地地質(zhì)條件自上而下可依次劃分為：①素填土；③含礫黏土；④礫質(zhì)黏性土；⑤1全風化花崗巖；⑤2強風化花崗巖；⑤3中風化花崗巖；⑤4微風化花崗巖，開挖范圍內(nèi)土層主要為殘積土以下土層，土層物理力學參數(shù)如表1所示，可以看出地質(zhì)條件相對較好。

表1 土層物理力學參數(shù)Tab.1 Mechanical Parameters of Soils

1.3 工程重點及難點

⑴本項目基坑開挖區(qū)局部位于深圳地鐵4 號線上塘地鐵站至龍勝地鐵站站間線路的安保區(qū)范圍內(nèi)，地下室側(cè)墻線距離高架基礎(chǔ)最近約17.5 m，高架基礎(chǔ)型式為“柱+承臺+樁”?；娱_挖過程中導致土體應(yīng)力釋放，產(chǎn)生往基坑方向的水平和豎向位移，根據(jù)位移傳遞規(guī)律可知緊鄰的地鐵高架基礎(chǔ)將受到一定影響，傳統(tǒng)彈性理論無法計算周邊建構(gòu)筑物隨基坑開挖變形的影響情況，因此，如何確保基坑開挖引起的地鐵高架變形在允許范圍內(nèi)是一個極其有挑戰(zhàn)性的難題。

⑵基坑形狀不規(guī)則，在有限的支護空間內(nèi)如何選擇合理的支護型式在確保地鐵及周邊建構(gòu)筑物變形在可控之內(nèi)的同時，使得施工便利，工期短且經(jīng)濟合理是本項目的難點。

2 基坑支護設(shè)計、計算

2.1 基坑支護方案

本項目基坑最大深度9.9 m，周長約710 m，整體采用樁錨結(jié)構(gòu)體系，局部支護段距地鐵橋墩基礎(chǔ)較近，采用雙排樁+短錨索控制變形。旋挖樁設(shè)計參數(shù)為φ0.8 m@1.0 m，入基坑底以下6.0～8.0 m。根據(jù)地層情況從上至下采用1～2 道錨索。基坑止水措施采用樁后單排三軸φ850 mm@600 深攪帷幕樁（局部3排，靠近地鐵側(cè)）。具體支護剖面如圖2～圖3所示。

圖2 基坑支護剖面（樁錨）Fig.2 Profile of Foundation Pit Support （Pile Anchor）

圖3 基坑支護剖面（雙排樁+錨索）Fig.3 Profile of Foundation Pit Support（Double Row Pile + Anchor Cable）

2.2 傳統(tǒng)理論計算結(jié)果

緊鄰地鐵高架一側(cè)的“雙排樁+錨索”以及“單排樁+錨索”剖面當基坑開挖到底時，傳統(tǒng)彈性理論變形計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 支護結(jié)構(gòu)深層側(cè)向變形彈性理論計算結(jié)果Fig.4 Theoretical Calculation Results of Deep Horizontal Displacement Elasticity of Supporting Structure

計算結(jié)果表明，基坑開挖過程中“雙排樁+錨索”支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大側(cè)向變形為10.19 mm，位于雙排樁冠梁處，變形規(guī)律與懸臂樁類似。究其原因，主要是雙排樁屬于懸臂式剛架結(jié)構(gòu)，因此變形最大發(fā)生于冠梁處，在地質(zhì)情況較好的情況下，雙排樁+短錨索能有效控制變形，最大側(cè)向變形僅10.19 mm，小于設(shè)計控制要求30 mm?！皢闻艠?錨索”支護型式的最大側(cè)向位移為20.63 mm 同樣發(fā)生在冠梁處，由于其剛度較弱，且僅設(shè)置1道錨索，故變形規(guī)律仍接近懸臂變形規(guī)律，最大變形值仍在30 mm 控制值內(nèi)，由于該剖面距離地鐵高架超過30 m，已不在保護區(qū)范圍，故對支護結(jié)構(gòu)剛度要求相對較低。

3 基坑施工數(shù)值模擬

3.1 地鐵高架橋變形控制要求

由于傳統(tǒng)理論僅能分析支護結(jié)構(gòu)變形情況，無法獲得地鐵高架的變形情況，因此需采用三維數(shù)值模擬手段模擬基坑開挖各階段地鐵高架的變形情況以便判別地鐵變形是否符合控制要求。根據(jù)地鐵公司相關(guān)管理規(guī)定，地鐵結(jié)構(gòu)的各個方向變形值均不能超過20 mm，當已發(fā)生的變形無法得知時，則按10 mm 控制，因此本項目地鐵高架在基坑開挖過程中產(chǎn)生的變形應(yīng)按小于10 mm控制。

3.2 基本假定及計算模型

①基坑按三維空間有限元問題考慮，土體本構(gòu)模型采用修正摩爾庫倫模型，單元類型為混合六面體單元；②開挖過程中設(shè)置截水帷幕，不考慮土體滲流、排水和固結(jié)等問題；③支護樁、后排樁和連梁按照等效剛度法簡化為板結(jié)構(gòu)，等效板厚計算公式見下式；④采用“樁梁單元+界面單元”模擬高架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；⑤圍護樁和土體之間節(jié)點位移耦合處理；⑥以位移、荷載以及能量作為計算的收斂原則。

支護樁等效原則為剛度等效，即計算支護樁單位寬度的抗彎剛度，根據(jù)剛度相等求解得到相應(yīng)板結(jié)構(gòu)的等效厚度。

等效連續(xù)墻的厚度h為：

其中：d為排樁的單樁直徑；bk為樁中心間距。

根據(jù)地質(zhì)情況、基坑規(guī)模及其與地鐵高架之間的距離，綜合評估影響范圍后確定的模型平面尺寸為175 m×280 m，模型總深度為25 m，底部土層為微風化基巖。采用六面體單位對模型進行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格和基坑與地鐵關(guān)系的透視圖如圖5～圖6所示。

圖5 模型網(wǎng)格Fig.5 Model Grid

圖6 “橋墩+承臺+樁基礎(chǔ)”與基坑支護位置關(guān)系Fig.6 The Relationship Diagram between“Pier + Cap +Pile Foundation”and Foundation Pit Support Position

3.3 施工工況模擬

施工模擬按以下5個工序進行：

⑴步驟1（初始狀態(tài)）：施加初始應(yīng)力場，激活各土體單元、原有地鐵“橋墩+承臺+樁基礎(chǔ)”，目的在于加載自重應(yīng)力至模型土體和加載上覆荷載（包括地面以上橋墩重、梁重、橋重及列車重）至橋墩。為了得到后繼施工步驟的變形量，此步對位移進行清零。

⑵步驟2：施工支護樁、后排樁及連梁，位移清零。

⑶步驟3：開挖第1 層土（將相應(yīng)單元進行鈍化，下同）至第1道錨索處。⑷步驟4：施工第1道錨索，開挖第2層土。⑸步驟5：施工第2道錨索，開挖到底。

3.4 支護結(jié)構(gòu)變形分析

按照上述施工工序的計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 基坑開挖至坑底后支護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形Fig.7 Horizontal Deformation of Supporting Structure after Foundation Pit Excavation

結(jié)果表明：①隨著基坑開挖深度加深，支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形逐步增大，單排樁錨的支護型式最大側(cè)向變形發(fā)生于冠梁處，最大值約18.40 mm。而雙排樁錨支護型式的最大側(cè)向變形發(fā)生于基坑開挖深度中部，最大值約7.04 mm，小于傳統(tǒng)彈性理論計算值10.19 mm，且最大變形位置有較大差異，傳統(tǒng)彈性計算理論最大變形位置位于冠梁處，而數(shù)值模擬位于基坑中部。這主要是由于雙排樁的傳統(tǒng)彈性理論的計算假定（尤其是前后排樁的傳力假定）與支護結(jié)構(gòu)實際的受力有較大差異導致，就目前而言雙排樁彈性理論還存在較大不足，特別是在前后排樁土壓力計算上，因此數(shù)值模擬方法有助于理解雙排樁的變形特征和傳力特征；②雙排樁構(gòu)件在模型中等效為板單元，剛度比預應(yīng)力錨索大，故在本項目中雙排樁+單錨索的支護方式要比單排樁雙錨支護方式產(chǎn)生的位移小很多。

3.5 地鐵高架基礎(chǔ)變形分析

高架橋基礎(chǔ)側(cè)向變形和豎向沉降情況如下所示：

⑴側(cè)向變形情況，如圖8所示。

圖8 基坑開挖到底地鐵高架基礎(chǔ)側(cè)向變形Fig.8 Horizontal Deformation of Subway Elevated Foundation after Foundation Pit Excavation

⑵豎向沉降情況，如圖9所示。

圖9 基坑開挖到底地鐵高架基礎(chǔ)豎向沉降Fig.9 Vertical Settlement of Subway Elevated Foundation after Foundation Pit Excavation

地鐵高架各個方向的位移隨著開挖深度的加深逐漸增大，開挖到底時達到最大，最大側(cè)向變形為0.95 mm，最大沉降變形為0.56 mm，所有工況條件下計算得到的高架橋基礎(chǔ)水平變形量和豎向沉降量均未超過10 mm。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 基坑監(jiān)測分析

本項目采用電子水準儀、電子全站儀、條碼銦鋼尺、振弦式頻率、讀數(shù)儀、數(shù)字測斜儀等設(shè)備對基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形、豎向位移、深層位移等變形情況進行了全過程監(jiān)測，提取典型剖面的支護樁深層側(cè)向變形監(jiān)測結(jié)果并與傳統(tǒng)彈性理論計算結(jié)果、三維數(shù)值模擬計算結(jié)果對比如圖10所示。

圖10 支護結(jié)構(gòu)深層側(cè)向變形的對比Fig.10 Comparison of Deep Lateral Deformation of Support Structure

從圖10 可以看出，對于“雙排樁+錨索”的支護型式，無論是變形特征還是最大水平變形值，三者都有較大區(qū)別，監(jiān)測值（13.50 mm）＞彈性計算值（10.19 mm）＞數(shù)值模擬值（7.04 mm）。數(shù)值模擬法最大變形值在基坑中下部，而彈性計算值以及監(jiān)測值均在冠梁頂。由此可見，雙排樁支護結(jié)構(gòu)的理論計算分析尚存在不足，尤其是對于前后排樁的土壓力計算及傳遞。在實際應(yīng)用中應(yīng)對雙排樁的支護剛度進行適當折減或?qū)ν翂毫M行適當放大，防止設(shè)計偏于冒險，造成實際應(yīng)用過程中變形過大的事故。由于樁錨設(shè)計計算理論相對較為成熟，且積累了較豐富的經(jīng)驗，從圖10 也可以看出3種位移獲得手段的變形特征與變形值基本接近，最大水平變形為：監(jiān)測值19.20 mm，彈性計算值20.60 mm，數(shù)值模擬17.30 mm。這也可以認為采用數(shù)值模擬手段分析的地鐵高架的變形是可信的。

4.2 地鐵高架監(jiān)測分析

4.2.1 監(jiān)測方法及監(jiān)測內(nèi)容

由于目前地鐵處于運行階段，人工監(jiān)測不具備條件，監(jiān)測單位采用索佳測量機器人（NET05）與Auto-MoS 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)配套使用，對軌道進行自動化監(jiān)測，在不妨礙地鐵運行的同時實現(xiàn)24 h 不間斷監(jiān)測，既節(jié)約了大量人力，縮短了測量周期。該項技術(shù)已多次應(yīng)用在受深基坑開挖影響的地鐵軌道自動化監(jiān)測項目，是目前最為合理、科學的監(jiān)測方法。監(jiān)測斷面間距為10 m，按4 個監(jiān)測點/斷面布設(shè)，監(jiān)測總長度約140 m的地鐵高架，監(jiān)測平面如圖11所示。

圖11 地鐵自動化監(jiān)測斷面布置Fig.11 Subway Automatic Monitoring Layout

4.2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

本項目監(jiān)測工作于2017 年1 月10 日開始，至2018年12月30日結(jié)束。期間測得地鐵軌道道床各個方向變形如表2所示。

由表2 可知，在基坑施工過程中的地鐵軌道最大側(cè)向變形為1.0 mm，最大沉降變形為1.0 mm，均小于10 mm 的控制值，最大變形值發(fā)生在緊鄰基坑邊的高架基礎(chǔ)。與數(shù)值模擬結(jié)果對比如表3所示。

表2 地鐵自動化監(jiān)測變形情況Tab.2 Subway Automatic Monitoring Deformation

表3 地鐵軌道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比Tab.3 Comparison between monitoring Data of Subway Track Deformation and Numerical Simulation

從上述對比可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測值十分接近，對于彌補傳統(tǒng)彈性理論無法計算周邊建構(gòu)筑物的變形有積極意義和重要參考意義。

5 結(jié)論

本文通過工程實際案例，應(yīng)用傳統(tǒng)理論計算、數(shù)值模擬方法和自動化監(jiān)測技術(shù)手段探究了深基坑開挖對緊鄰地鐵高架的影響，得出以下結(jié)論：

⑴在地質(zhì)條件較好的情況下，緊鄰地鐵線路采用樁錨或雙排樁+短錨索等支護型式進行基坑開挖是可行的，這種支護型式在確保變形可控的同時，大大節(jié)省了造價和工期，施工便利。雙排樁配合短錨索有較好的變形控制效果，同等條件下，其變形比樁錨變形小。

⑵樁錨支護型式的彈性理論計算值、數(shù)值模擬值與實際監(jiān)測值三者吻合較好，在此基礎(chǔ)上進行高架基礎(chǔ)的影響分析是可靠的。而對于雙排樁+錨索的支護型式，三者之間存在較大區(qū)別，監(jiān)測值大于理論計算和數(shù)值模擬，這主要是由于雙排樁的理論發(fā)展還存在較大不足，特別是在前后排樁土壓力計算上，而數(shù)值模擬方法和實際監(jiān)測值有助于理解雙排樁的變形特征和傳力特征，建議在實際應(yīng)用中對支護剛度進行適當折減或?qū)ν翂毫M行適當放大，防止設(shè)計偏于冒險，導致變形過大。

⑶地鐵高架的數(shù)值分析結(jié)果與實測值基本一致，說明了數(shù)值分析可以作為一種重要手段，可以彌補傳統(tǒng)理論計算無法分析周邊建構(gòu)筑變形情況的不足。