王立新， 王 強， 李炳龍， 薛勛強， 徐碩碩， 范飛飛

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043； 3.西安理工大學 土木建筑工程學院， 陜西 西安 710048； 4.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 5.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司， 上海 200092)

進入21世紀以來，我國城市基礎設施建設發(fā)展迅速，城市建設用地面積銳減，城市地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)成為我國城市基礎建設的重要組成部分。針對城市交通擁堵問題，地鐵在緩解客運交通壓力方面效果顯著[1-3]。由于我國公共用地日益緊張，使得目前眾多新建工程不得不與既有地鐵車站近接施工。而新建工程施工勢必會導致大量土體開挖卸荷，破壞本區(qū)域原有的應力平衡，使周圍土體產(chǎn)生移動，進而引起鄰近既有車站結(jié)構變形[4-6]，由于地鐵車站結(jié)構的重要性，地鐵車站對于自身變形有著嚴格的管控標準，從而對鄰近基坑工程施工提出了更高的技術要求。因此對于鄰近地鐵車站深基坑施工，保障既有地鐵車站安全運營是目前工程界亟待解決的工程難題。

針對基坑開挖對既有車站的響應規(guī)律，國內(nèi)外學者以數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等手段開展了系統(tǒng)研究。張愛民等[7]依托南昌某新建基坑工程探討了不同基坑開挖工序?qū)扔熊囌窘Y(jié)構變形的影響；章潤紅等[8]通過數(shù)值模擬，研究了基坑開挖卸荷作用下，鄰近地鐵隧道的埋深、隧道和基坑地連墻的距離及剛度比等關鍵因素對地鐵結(jié)構附加彎矩和附加位移的影響；殷一弘[9]通過現(xiàn)場實測驗證了設置隔離樁和軸力補償鋼措施可有效控制深基坑開挖對側(cè)方地鐵結(jié)構的影響；江智鵬[10]采用有限元軟件對蘇州地鐵一號線星海街站基坑工程建立了數(shù)值計算模型，發(fā)現(xiàn)基坑對稱開挖對既有地鐵車站結(jié)構的影響較??；王志杰等[11]結(jié)合板殼理論、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測，探究了綜合交叉換乘車站群大型基坑單側(cè)開挖對既有車站變形響應的影響特征；王立新等[12]以實際工程為例，采用數(shù)值模擬手段，分析了新建基坑開挖對既有車站、既有隧道的影響。上述研究中，關于基坑開挖對既有車站結(jié)構的響應規(guī)律雖大致相同，但由于區(qū)域差異，不同工況下基坑開挖對既有地鐵車站的響應規(guī)律不盡相同，因此還有待進一步深入研究。

鑒于此，為獲得西安地區(qū)黃土地層新建基坑開挖對鄰近既有地鐵車站的力學響應規(guī)律，以西安某地鐵車站旁新建基坑為依托工程，建立新建基坑與既有地鐵車站三維數(shù)值模型，總結(jié)了基坑不同開挖步驟下圍護結(jié)構內(nèi)力與變形、既有地鐵車站變形、周邊地表沉降的響應規(guī)律，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，研究新建基坑對既有車站的影響，相關研究成果可為提升黃土地層地鐵車站減災防災能力提供參考。

1 工程概況

1.1 新建基坑與既有地鐵車站相對位置關系

本文所依托的工程為西安市某基坑工程，基坑與已運營的既有地鐵車站近接施工，平面位置如圖1所示。

圖1 新建基坑與既有車站平面位置關系Fig.1 Plane position relationship between the new foundation pit and the existing station

新建基坑總體呈南北走向，開挖長度為60 m，開挖寬度為25 m，開挖深度為23 m，新建基坑圍護結(jié)構與既有車站圍護結(jié)構在水平方向的最小距離僅為2.4 m。既有車站長160 m，為三層結(jié)構，最寬處約為25 m，頂板埋深為3.4 m，車站底板埋深為23 m。車站頂板、中板、底板厚度不一，分別為800 mm、400 mm、1 000 mm，側(cè)墻厚900 mm。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.3 圍護結(jié)構形式

圍護結(jié)構形式的選擇是保證基坑施工安全的關鍵因素。參考黃土地層以往的成功案例，結(jié)合基坑工程所處環(huán)境條件，采用鉆孔灌注樁和內(nèi)支撐作為新建基坑的圍護結(jié)構。由于新建基坑工程支護結(jié)構距既有車站圍護結(jié)構的凈距僅有2.4 m，故在緊鄰既有車站一側(cè)采取加強措施，即利用既有地鐵車站基坑的圍護樁(Φ1200@1600 mm，長35 m)作為后樁，選用對周圍環(huán)境影響較小的鉆孔灌注樁(Φ1200@1600 mm，長33 m)作為前樁，前后樁采用高800 mm、寬1 200 mm的連梁進行連接，組成雙排樁，雙排樁凈距為2.4 m，樁間采用袖閥管注漿進行加固?；悠渌鎰t采用Φ1200@1600 mm鉆孔灌注樁支護，鉆孔灌注樁嵌固深度為10 m。整個基坑采用壁厚為16 mm的Φ800鋼管作為內(nèi)支撐，典型剖面如圖2所示。

圖2 基坑工程與既有地鐵車站典型橫剖面圖Fig.2 Typical cross section of foundation pit project and existing subway station

2 安全控制標準

基坑內(nèi)土體開挖卸荷，導致基坑鄰域內(nèi)土體應力重分布而產(chǎn)生位移，將基坑開挖對周邊土體的擾動區(qū)域劃分為可能影響區(qū)、次要影響區(qū)、主要影響區(qū)[13-14]。新建基坑工程擾動區(qū)域簡圖如圖3所示，擾動分區(qū)如表1所示，其中H為基坑設計深度。

表1 基坑工程周邊土體擾動分區(qū)Tab.1 Zoning of soil disturbance around foundation pit engineering

圖3 新建基坑工程擾動區(qū)域簡圖Fig.3 Schematic diagram of disturbed area of new foundation pit engineering

在本基坑工程中，考慮到新建基坑與既有地鐵車站的水平距離僅有2.4 m，為確?；娱_挖過程中，地鐵車站結(jié)構的安全與正常運營，全面結(jié)合國內(nèi)有關地鐵深基坑規(guī)范標準和相關工程，同時借鑒西安地區(qū)黃土地層地鐵建設的相關經(jīng)驗[13-15]，確定新建基坑、既有地鐵車站施工變形安全控制值如表2所示。

表2 各結(jié)構施工變形安全控制值Tab.2 Safety control value of construction deformation of each structure

3 三維有限元模型的建立

3.1 工程地質(zhì)條件

3.1.1模型尺寸

采用有限元軟件MIDAS GTS NX建立新建基坑及既有車站結(jié)構三維數(shù)值模型。根據(jù)圣維南原理，充分考慮基坑施工對基坑周邊的影響范圍，為消除邊界效應影響并考慮模型單元數(shù)量和計算精度[15-16]，擾動范圍取基坑開挖尺寸的3倍，結(jié)合基坑開挖尺寸，最終確定整個模型的尺寸為：長200 m (Y方向)，寬160 m (X方向)，高95 m (Z方向)，共計440 693個單元，594 339個節(jié)點，整體模型如圖4所示?；拥膬?nèi)支撐及圈梁模型如圖5所示。

圖4 整體模型Fig.4 Overall model

圖5 基坑內(nèi)支撐及圈梁Fig.5 Inner support and ring beam of the foundation pit

模型土體采用3D實體單元進行模擬，采用修正的摩爾-庫倫本構模型?；庸诹?、鉆孔灌注樁及雙排樁根據(jù)間距與截面尺寸用具有等效厚度的3D實體單元進行模擬，車站結(jié)構采用2D板單元模擬，鋼管內(nèi)支撐、格構柱、連梁、圈梁采用1D梁單元模擬，采用線彈性本構模型。在模型四周施加法向的邊界約束，在模型底部施加豎向約束，模型上部設置為自由邊界。

3.1.2模型計算參數(shù)

模型中涉及的土層物理力學參數(shù)以及圍護結(jié)構、新建基坑工程和既有車站的結(jié)構參數(shù)均參考地質(zhì)勘探報告，并結(jié)合以往工程設計經(jīng)驗來確定。雙排樁及由袖閥管加固過的地層可根據(jù)樁及加固土體的彈性模量，折減為有限元模型中3D實體單元的整體彈性模量。具體數(shù)值如表3、表4所示。

表3 車站及支護結(jié)構物理力學參數(shù)Tab.3 Physical and mechanical parameters of stations and supporting structures

表4 土體物理力學參數(shù)Tab.4 Physical and mechanical parameters of soil

試驗中的割線剛度、彈性卸載再加載時的彈性模量。

3.2 計算工況設計

為得到各階段的基坑位移以及施工中支護結(jié)構的位移變形云圖，需要根據(jù)實際情況進行計算工況設計。

由于新建基坑開挖時，地鐵車站已經(jīng)存在，因此對既有地鐵車站的施工不做詳細模擬，且不考慮車站施工對土層的擾動，即在初始地應力分析后，將車站單元激活，并進行位移清零。

模型計算時，先對模型土體進行初始地應力分析，然后進行車站的激活并位移清零?；拥拈_挖步序：基坑開挖前施作排樁圍護結(jié)構、格構柱，然后進行土層開挖，每層開挖完成后，及時施作鋼管內(nèi)支撐、連梁、圈梁，以保證基坑不產(chǎn)生較大的變形，直至開挖至基坑底部。

計算分析步序如表5所示。

表5 計算分析步序Tab.5 Calculation and analysis steps

此外，本工程中的黃土均不具有濕陷性，對于黃土或其它特殊土在有限元中的模擬，主要通過修正其物理力學參數(shù)來實現(xiàn)。

近年來出現(xiàn)了很多以局部施工監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，反演計算得出土層物理力學參數(shù)的方法[17-18]。在本地區(qū)同類型研究中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡進行土體參數(shù)反演分析，將反演結(jié)果運用到由MIDAS GTS NX有限元軟件建立的模型中，模擬全工況下隧道結(jié)構的變形預測值。

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

4.1 基坑圍護結(jié)構變形分析

由于基坑采用鉆孔灌注樁和鋼管內(nèi)支撐作為圍護結(jié)構，故重點關注圍護結(jié)構的變形情況。圖6為新建基坑開挖過程中基坑圍護結(jié)構側(cè)向位移變化云圖，圖7為圍護結(jié)構的變形曲線。

圖6 不同開挖步序下圍護結(jié)構側(cè)向變形云圖Fig.6 Cloud map for lateral deformation of enclosure structure under different excavation steps

圖7 地下連續(xù)墻側(cè)向位移變化曲線圖Fig.7 Curve of lateral displacement of underground diaphragm wall

由圖6可知，基坑開挖過程中，最大側(cè)向位移主要集中于圍護結(jié)構的中間部位，而兩側(cè)位移較小，這是因為圍護結(jié)構兩端有另一排樁作為支撐，而中部支撐較弱。隨著基坑逐步開挖，最大側(cè)向位移產(chǎn)生部位下移，墻體頂部與底部的位移相對較小。

為進一步研究基坑開挖過程中基坑圍護結(jié)構側(cè)向位移的變化，選取基坑圍護結(jié)構遠離車站的長邊和與其相鄰的一側(cè)短邊作為測試斷面，提取不同深度處的側(cè)向位移值。

由圖7可知，圍護結(jié)構X向與Y向的變形曲線總體上呈“內(nèi)凸型”分布，長邊排樁在X方向的最大位移為7.41 mm(正值表示向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生變形)，最大變形大約位于墻深15 m位置處，短邊排樁在Y方向的最大位移為8.79 mm，同樣，最大變形大約位于墻深15 m位置處，約為0.65H，這是由于隨基坑開挖深度的增加，坑內(nèi)外土壓力差逐漸增大，當基坑開挖至底部時，圍護結(jié)構達到變形峰值所致。并且，長邊排樁在X方向的變形隨基坑開挖緩慢增加，而Y方向的變形在第二次、第三次開挖后快速增長，Y方向的最大變形大于X方向的最大變形，這主要是因為本模型為便于計算，在基坑開挖時僅對X方向施加了內(nèi)支撐，對Y方向未施加內(nèi)支撐，但兩者的最大變形均滿足安全控制標準。因此，實際基坑開挖過程中，在對長邊墻加設支撐的同時，應加強對短邊墻的變形監(jiān)測。

此外，由圖6可知，緊鄰地鐵車站一側(cè)由于采用了加強支護，在開挖深度為-3 m、-9 m、-16 m、-21 m及-23 m時，變形值分別為0.40 mm、1.88 mm、4.22 mm、6.27 mm及6.69 mm，其變形值較遠離車站一側(cè)的0.44 mm、2.18 mm、4.68 mm、6.95 mm及7.42 mm，平均減小了10.5%。因此，雙排樁加強支護對基坑的變形抑制效果顯著。

4.2 基坑圍護結(jié)構內(nèi)力分析

圖8(a)～(d)給出了基坑第2～5次開挖過程中內(nèi)支撐的軸力變化云圖。計算結(jié)果顯示，在五次開挖過程中，內(nèi)支撐的軸力均為負值(見表6)，這是由于基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻向基坑內(nèi)產(chǎn)生變形而擠壓內(nèi)支撐，內(nèi)支撐受壓從而表現(xiàn)為負值。

圖8 鋼管內(nèi)支撐軸力變化云圖Fig.8 Cloud diagram of axial force change in steel pipe

表6 內(nèi)支撐軸力值Tab.6 Axial force value of inner support

為研究內(nèi)支撐在控制基坑圍護結(jié)構變形上所發(fā)揮的作用，選取基坑內(nèi)典型的內(nèi)支撐作為研究對象，提取其軸力值。結(jié)果表明，隨基坑逐步開挖，內(nèi)支撐的軸力總體呈增長趨勢，即施加內(nèi)支撐后，圍護結(jié)構向基坑內(nèi)變形而擠壓內(nèi)支撐，內(nèi)支撐對控制基坑圍護結(jié)構的變形作用明顯。并且，當后一道支撐施作后，前一道支撐的軸力增長速率有所減小，這是因為新架支撐分擔了一部分側(cè)向壓力。當基坑第4、5次開挖時，第一道支撐的軸力有所減小，這可能是因為隨著基坑的開挖，基坑圍護結(jié)構的最大側(cè)向位移向下移動，下部支撐承受了更大的側(cè)向壓力，從而減小了第一道支撐的壓力。在整個基坑開挖過程中，第一、二、三、四道內(nèi)支撐的最大軸力值分別為-564.460 kN、-1 479.679 kN、-1 873.470 kN、-760.868 kN，均小于鋼管內(nèi)支撐的臨界力，滿足規(guī)范要求。

4.3 既有車站變形分析

基坑開挖后，既有車站產(chǎn)生側(cè)向位移，選取既有車站靠近基坑的一側(cè)作為測試斷面，沿車站埋置深度和長度方向分別提取橫向位移及豎向位移，如圖9所示。既有車站側(cè)墻的橫向變形如圖10所示，圖中正值表示向基坑方向產(chǎn)生位移。

圖9 側(cè)墻及地表位移提取點Fig.9 Side wall and surface displacement extraction points

圖10 側(cè)墻橫向變形曲線圖Fig.10 Lateral deformation curve of side wall

由圖10可知，既有地鐵車站頂板部位的橫向位移隨基坑開挖不斷增大，至第5次開挖結(jié)束時最大值為0.76 mm。并且，既有車站側(cè)墻的橫向位移隨車站埋深總體上呈先增大后減小的趨勢，為典型的“內(nèi)凸型”曲線。第1次開挖結(jié)束后，車站側(cè)墻的最大側(cè)向位移位于-4 m處，最大值為0.88 mm；第2次開挖完成后，最大位移值的位置下移至-6.5 m處，最大值為1.05 mm，相比第1次開挖，增幅達19.3%；第3次開挖完成后，最大位移值的位置繼續(xù)下移至-8 m處，最大值為1.10 mm，相比第2次開挖，增幅為4.8%，最大位移較第2次開挖后增長減緩，且第2次、第3次、第4次開挖后，側(cè)墻側(cè)向變形曲線有多處重合，側(cè)向位移變形較小，這可能是由于車站本身剛度和受到的約束較大，使得新建基坑土體開挖對車站結(jié)構的側(cè)向位移影響較小。

為研究基坑開挖過程中車站結(jié)構豎向位移的變化，于車站近基坑側(cè)墻體深度10 m處，沿長度方向每隔4 m提取墻體豎向位移值，如圖9所示，豎向位移變化曲線如圖11所示。

由圖11可知，隨基坑逐步開挖，車站側(cè)墻在Z方向的位移均為負值，即產(chǎn)生向下的沉降位移，并且隨基坑開挖深度的增加，沉降逐漸增大?；娱_挖后，最大沉降發(fā)生在墻體中間部位，墻體兩側(cè)的沉降值較小，呈現(xiàn)由中間向兩邊遞減的趨勢，這是因為新建基坑位于車站中部，基坑土體的開挖對側(cè)墻中間部位的影響最大。第1、2次開挖后變形最大值分別為-0.99 mm和-1.62 mm；隨基坑繼續(xù)開挖，墻體持續(xù)發(fā)生沉降變形，至第3次開挖至-16 m時，最大沉降為-2.45 mm，較第2次開挖后增加了51.2%；第4、5次開挖后最大沉降值分別為-3.04 mm和-3.25 mm，增幅減緩，變形值均小于變形控制標準。

圖11 近基坑側(cè)墻豎向位移變化Fig.11 Vertical displacement change of side wall near the foundation pit

綜上分析，既有地鐵車站的最大側(cè)向位移和最大豎向位移均發(fā)生在車站中間部位。緊鄰新建基坑一側(cè)的中間部位作為站廳、站臺的核心部位，具有一定的特殊性，因此，施工時應加強對該部位的監(jiān)測，防止產(chǎn)生過大變形。

4.4 地表沉降分析

新建基坑土體大范圍卸荷，將會擾動基坑鄰域地表土體產(chǎn)生沉降，故以基坑邊緣為X軸原點，作既有車站A斷面，如圖9所示。作周鄰地表隨基坑開挖的沉降規(guī)律曲線，如圖12所示。

由圖12可知，鄰近既有地鐵車站的土體在基坑開挖后產(chǎn)生沉降變形，至第5次開挖結(jié)束，近基坑一側(cè)的地表最大沉降值為-8.63 mm，遠基坑一側(cè)的地表最大沉降值為-6.90 mm。這是由于基坑內(nèi)土體開挖卸荷對周邊土體的影響程度隨水平凈距的增大而逐漸減小，即距離基坑越近的土體受影響越大。并且，當既有車站兩側(cè)土體沉降的同時，車站上方的土體也發(fā)生了沉降，最大沉降發(fā)生在近基坑既有車站邊緣，最大值達到-3.18 mm，這可能是由于既有車站相較于土體剛度更大，隨著基坑內(nèi)土體的開挖，周邊土體向基坑方向移動，導致車站結(jié)構產(chǎn)生沉降，車站上方的土體也隨之發(fā)生沉降，但均小于控制值。

圖12 既有車站A斷面地表沉降變化Fig.12 Changes in surface settlement of section A of existing station

4.5 方案優(yōu)化及影響因素分析

為探究基坑及既有車站變形的影響因素，結(jié)合基坑的支護形式、開挖工序，優(yōu)化既有車站的支護方法。同時，由于基坑遠離車站的一側(cè)周圍無建筑物，具備施作錨桿的條件，故此增設有錨桿的工況進行分析。錨桿長15 m，錨固長度5 m，施加160 kN預應力。開挖深度和內(nèi)支撐的施作位置不變，預應力錨桿共施作六道，分別位于-2 m、-6 m、-10 m、-14 m、-18 m、-22 m深度處，水平間隔4 m。同時，基坑開挖完成后，對坑底以下3 m 內(nèi)古土壤進行地基加固。錨桿使用MIDAS GTS NX軟件中的植入式桁架來模擬；地基加固則通過鈍化和激活材料屬性來實現(xiàn)。施作錨桿及數(shù)據(jù)提取點示意圖如圖13所示。計算完成后，提取基坑兩個長邊中間部位的X方向(水平方向)位移值與未施加錨桿工況進行對比，如圖14所示。

圖13 施作錨桿及位移提取點示意圖Fig.13 Schematic diagram of applying anchor and displacement extraction point

由圖14可知，左側(cè)曲線表示圍護結(jié)構施作預應力錨桿的區(qū)域，右側(cè)曲線表示圍護結(jié)構采用雙排樁加強支護的區(qū)域。在此工況下，遠離基坑一側(cè)施作錨桿的圍護結(jié)構隨著開挖深度的增大，最大變形值分別為0.35 mm、1.82 mm、4.09 mm、6.07 mm和6.90 mm，較未施作錨桿時平均減小了10.2%；靠近基坑一側(cè)施作雙排樁的圍護結(jié)構隨著開挖深度的增大，最大變形值分別為0.42 mm、2.07 mm、4.43 mm、6.43 mm和6.98 mm，較未施作錨桿時平均減小了5.7%。結(jié)果表明，預應力錨桿和地基加固措施對減小基坑變形效果顯著，且雙排樁一側(cè)的變形也有小幅減小。綜上所述，在條件允許且預算充足的情況下，可以在原有支護結(jié)構的基礎上施作預應力錨桿，在基坑開挖完成后進行地基加固，以減小基坑變形。

圖14 施作錨桿后基坑X方向變形值Fig.14 Deformation value of foundation pit in X direction after bolting

根據(jù)不同工況的數(shù)值模擬結(jié)果，新建基坑對相鄰既有地鐵車站變形的影響因素主要有以下幾個：①結(jié)合實際工況，在臨近既有車站一側(cè)加強支護措施可有效減小對車站變形的影響；②內(nèi)支撐布置形式對基坑變形影響顯著，在數(shù)值模擬中，為簡化分析，僅在X方向設置了內(nèi)支撐，導致Y方向變形大于X方向，因此，在工程建設時應關注這一點，必要時采取一定的措施，以保證施工過程中Y向變形可控；③在條件允許的情況下，增加預應力錨桿和對基坑進行地基加固，可進一步降低基坑變形和對既有車站的影響。

5 基坑與既有車站變形監(jiān)測

5.1 現(xiàn)場監(jiān)測布置

基坑施工現(xiàn)場采用鉆孔灌注樁加鋼管內(nèi)支撐的維護方式，在臨近既有車站一側(cè)采用雙排樁支護，未施作錨桿。為對基坑變形及地鐵車站變形進行監(jiān)控測量，在基坑的鉆孔灌注樁中安裝測斜管，同時，在既有車站臨近基坑側(cè)墻處布置水平位移監(jiān)測點，如圖15所示。

圖15 圍護結(jié)構及既有車站位移關鍵監(jiān)測位置Fig.15 Key monitoring positions for displacement of enclosure structure and existing station

5.2 實測與數(shù)值模擬結(jié)果對比

基坑開挖完成后，為研究基坑變形情況，評估基坑風險性，選取基坑JK-2、JK-4、JK-6和JK-8位置的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提取有限元模型中對應位置的計算結(jié)果，繪制水平位移變形曲線，如圖16所示。

圖16 圍護結(jié)構實測位移與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.16 Comparison between measured displacement and numerical simulation results of enclosure structure

由圖16可知，基坑圍護結(jié)構的水平位移實測值與數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律一致且偏差較小，基坑實際位移小于數(shù)值模擬結(jié)果。其中JK-4和JK-8數(shù)值模擬結(jié)果較大，這可能是由于模型中簡化了Y向的內(nèi)支撐所致，同時，模型中的基坑也沒有設置角撐，從而導致短邊的模擬結(jié)果比實測值大?；铀膫€方向的最大實測位移分別為6.26 mm、7.03 mm、6.82 mm和7.20 mm，均小于安全控制標準，基坑整體穩(wěn)定性良好、圍護結(jié)構安全，基坑施工風險較低。

基坑開挖完成后，為研究既有車站的變形情況，選取既有車站側(cè)墻CZ-4、CZ-6和CZ-8位置處的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提取有限元模擬中對應工況對應位置的計算結(jié)果，繪制水平位移變形曲線，如圖17所示。

圖17 車站側(cè)墻實測位移與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.17 Comparison between measured displacement and numerical simulation results of station side wall

由圖17可知，既有車站側(cè)墻的水平位移實測值與數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律一致且偏差較小，可認為數(shù)值模擬結(jié)果符合實際。既有車站側(cè)墻中間部位的最大模擬值為1.22 mm，而最大實測值為1.18 mm。綜上，選取的三條測線的實測值均小于模擬值，既有車站側(cè)墻的最大水平位移符合控制標準，基坑卸載對臨近既有地鐵車站影響較小。

6 結(jié) 論

依托西安某新建基坑工程，借助MIDAS GTS NX有限元軟件建立了新建基坑與既有車站結(jié)構的三維數(shù)值模型，模擬了新建基坑開挖全過程中，圍護結(jié)構變形與內(nèi)力、既有地鐵車站位移與周邊地表沉降的響應規(guī)律。

1) 在依托工況的數(shù)值模擬中，圍護結(jié)構的最大側(cè)向位移發(fā)生在基坑中間部位，且沿中部向兩側(cè)遞減。墻體在X方向的最大位移為7.41 mm，在Y方向的最大位移為8.79 mm。緊鄰基坑一側(cè)的圍護結(jié)構由于采取了加強措施，其變形值較遠離基坑一側(cè)減小了10.5%，因此，雙排樁加強支護對于基坑的變形抑制效果顯著。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，在基坑開挖過程中，鋼管內(nèi)支撐受到圍護結(jié)構的擠壓，隨基坑開挖產(chǎn)生較大變化。由于后續(xù)支撐的施加，第一道支撐的軸力在基坑開挖后期有所減小，說明內(nèi)支撐的施加可以有效控制圍護結(jié)構的變形。鋼管內(nèi)支撐的最大軸力為-1 873.469 8 kN，小于鋼支撐的臨界力，滿足相關控制標準。

3) 既有車站橫向位移變形曲線與基坑圍護結(jié)構變形曲線相似，呈典型的“內(nèi)凸型”。受基坑開挖的影響，車站側(cè)墻在Z方向表現(xiàn)為沉降變形，車站結(jié)構沉降變形的增長率隨基坑開挖深度的增加有所減小。最大側(cè)向位移和最大豎向位移均出現(xiàn)于車站中間部位，因此，施工時應加強對該部位的監(jiān)測，防止出現(xiàn)過大變形。

4) 車站周邊地表沉降隨著基坑的開挖逐步增大，至第5次開挖結(jié)束，最大沉降值為-8.63 mm。車站上方土體也產(chǎn)生了沉降，最大沉降值為-3.18 mm，均小于安全控制值。

5) 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，基坑圍護結(jié)構各個方向的最大實測位移分別為6.26 mm、7.03 mm、6.82 mm和7.20 mm，均小于安全控制標準，基坑整體穩(wěn)定性良好、圍護結(jié)構安全，基坑施工風險較低；既有車站側(cè)墻中間部位的最大實測值為1.18 mm。實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果規(guī)律一致、相差較小，基坑卸載對臨近既有地鐵車站影響較小。