張明聚 萬(wàn)偉子 李鵬飛 鄭賀斌 謝治天 何岳 王劍晨

(1. 北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124;2. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司,北京 100037)

在城市地下空間綜合開(kāi)發(fā)過(guò)程中,基坑開(kāi)挖與相鄰地下結(jié)構(gòu)物間同期施工的相互影響問(wèn)題日益突出。在地下結(jié)構(gòu)鄰近施工相互影響的研究中,采用數(shù)值分析方法可有效分析其相互影響及作用機(jī)理。 鄭剛等指出由于基坑周?chē)h(huán)境的復(fù)雜性,深基坑工程變形控制成為制約性要求[1];姚燕明等采用彈性地基上的板殼有限元方法,分別對(duì)坑底加固及既有車(chē)站縱向約束長(zhǎng)度對(duì)鄰近基坑開(kāi)挖影響的敏感性進(jìn)行分析[2-3];姚燕明等研究共用連續(xù)墻基坑開(kāi)挖對(duì)既有車(chē)站內(nèi)力的影響,指出鄰近基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵車(chē)站近基坑側(cè)側(cè)墻影響相對(duì)更大[4];LIU 等使用有限元軟件建立雙隧道開(kāi)挖模型,研究新隧道掘進(jìn)對(duì)既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)(錨桿、噴射混凝土等)及圍巖的影響,指出其影響效果很大程度上取決于兩隧道之間的位置關(guān)系和間隔距離[5];胡恒等采用有限差分法模擬臨近地鐵結(jié)構(gòu)基坑開(kāi)挖過(guò)程造成的地應(yīng)力釋放,提出支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度的變化對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的變形量影響顯著[6];李輝等利用有限元方法研究不同開(kāi)挖方式下深基坑的空間效應(yīng)[7];劉遠(yuǎn)亮等通過(guò)三維數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,論證數(shù)值模擬方法在基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)既有構(gòu)筑物影響的研究具有可行性[8];DO 等使用有限差分單元程序,研究新建隧道施工過(guò)程中鄰近既有隧道,隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)受力和周?chē)乇砦灰茍?chǎng)的發(fā)展,指出雙隧道同時(shí)開(kāi)挖引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和襯砌位移比“大滯后距離”雙隧道開(kāi)挖引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和襯砌位移小[9];CHEN 等采用三維數(shù)值模擬方法研究減小基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響的多種防護(hù)措施[10];鄭剛等針對(duì)天津地區(qū)地質(zhì)條件,采用考慮土體小應(yīng)變剛度特性的有限元方法,通過(guò)大量模型計(jì)算整理不同條件下坑外既有隧道變形影響區(qū)參數(shù)表[11];黃戡等基于流固耦合理論建立三維數(shù)值模型,分析滲流情況下基坑施工對(duì)鄰近地鐵的影響,指出地鐵隧道最大彎矩發(fā)生在隧道中部靠近基坑位置[12];戴軒等利用離散元和計(jì)算流體力學(xué)耦合的方法(DEM-CFD 方法)對(duì)基坑工程漏水漏砂引發(fā)災(zāi)害的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究災(zāi)害發(fā)生后的地層變形規(guī)律、土體損失規(guī)律以及地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)展變化規(guī)律[13];王恩鈺等利用有限元軟件對(duì)比驗(yàn)證多種傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在控制樁身變形和坑外沉降方面的特性[14];姚宏波等通過(guò)三維有限元方法研究隧道上方基坑空間效應(yīng)對(duì)其變形的影響,指出通過(guò)控制基坑卸荷比來(lái)控制隧道的豎向變形[15]。

然而,現(xiàn)有研究中對(duì)大體量異形深基坑研究較少,且多假設(shè)開(kāi)挖與鄰近結(jié)構(gòu)的相互作用為平面應(yīng)變狀態(tài),未全面揭示開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的實(shí)際影響。 此外,在已有研究中,地鐵結(jié)構(gòu)多為既有結(jié)構(gòu),屬于先期完成施工項(xiàng)目,并未體現(xiàn)基坑工程與地鐵結(jié)構(gòu)同期施工的相互影響。 采用荷載-結(jié)構(gòu)模型,通過(guò)三維數(shù)值模擬研究北京某大型復(fù)雜基坑在卵石層中開(kāi)挖與同期施工地鐵結(jié)構(gòu)之間的影響,以獲得不同施工階段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移的變化情況,通過(guò)分析模擬結(jié)果,并對(duì)該基坑及車(chē)站工程安全性進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)一步揭示基坑開(kāi)挖-周?chē)馏w-地鐵結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理。

1 工程概況

北京某地鐵暗挖車(chē)站與鄰近的建筑基坑同期施工,二者平面布置見(jiàn)圖1。 該處為北京市核心區(qū),車(chē)流量大,交通繁忙,周邊高層建筑物較多且與車(chē)站、基坑距離較近。

圖1 擬建項(xiàng)目及其周邊環(huán)境平面示意(單位:m)

暗挖地鐵車(chē)站采用洞樁法施工,平面尺寸為314 m×25.3 m,結(jié)構(gòu)形式為雙柱三跨拱形結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)段寬25.3 m,高16.5 m,拱頂覆土11.8 m,底板埋深28.3 m。 車(chē)站北端接礦山法區(qū)間隧道,南端接盾構(gòu)區(qū)間隧道。 基坑的平面尺寸為263 m×150 m,緊鄰地鐵車(chē)站,二者長(zhǎng)度方向近乎平行,最小平面距離為7.2 m。 因場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)有數(shù)棵受保護(hù)古樹(shù),為保護(hù)及避讓相關(guān)綠植及周邊建筑物,基坑整體平面形狀設(shè)計(jì)不規(guī)整。 地鐵暗挖車(chē)站旁大型基坑近接施工會(huì)產(chǎn)生卸荷作用,導(dǎo)致車(chē)站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的變形和內(nèi)力變化。

在車(chē)站及基坑施工之前,車(chē)站南北端區(qū)間隧道均已完工,地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)與鄰近基坑同期開(kāi)始施工。 地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)采用四導(dǎo)洞洞樁法施工,除東側(cè)1 ∶1 放坡開(kāi)挖外,基坑其他位置均采用樁錨支護(hù)分層分段開(kāi)挖。 根據(jù)施工計(jì)劃安排,基坑圍護(hù)樁與洞樁法車(chē)站豎井及橫通道同步施工;基坑上層土方開(kāi)挖和錨桿施工時(shí),地鐵車(chē)站主體預(yù)計(jì)完成中板結(jié)構(gòu)施工;基坑下層土方開(kāi)挖和錨桿施工時(shí),地鐵車(chē)站主體預(yù)計(jì)全部完工。

基坑深度65.0 m 范圍內(nèi)的地層主要包括人工堆積層、第四紀(jì)沉積層及第三紀(jì)沉積巖三大類(lèi)。 人工堆積層為厚約5 m 的黏質(zhì)粉土填土層;第四紀(jì)沉積層厚25～45 m,主要為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土層,粉砂、細(xì)砂層,卵石、圓礫等;第四紀(jì)沉積層以下為第三紀(jì)沉積巖,主要為強(qiáng)風(fēng)化黏土巖層及強(qiáng)風(fēng)化礫巖層。

基坑臨地鐵車(chē)站處圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用A-A 剖面支護(hù)形式(見(jiàn)圖2(a)),采用“雙排鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨桿+土釘墻支護(hù)”形式,第1～3 道錨桿預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值分別為380,420,190 kN;第5～8 道為長(zhǎng)4.3m 土釘。其他位置主要采用B-B 剖面支護(hù)形式(見(jiàn)圖2(b)),為“單排鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)”形式,第1～3 道錨桿預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值分別為380,480,480 kN。

圖2 基坑主要支護(hù)形式(單位:m)

2 數(shù)值模擬方案

2.1 計(jì)算模型

采用有限元方法模擬研究基坑開(kāi)挖與地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的相互影響。 為消除模型邊界對(duì)結(jié)果的影響,將側(cè)向邊界拓展至基坑開(kāi)挖深度的3 倍以上,數(shù)值模型整體尺寸為300 m×400 m×50 m,沿車(chē)站橫向?yàn)閄軸方向,縱向?yàn)閅軸方向,豎直為Z軸方向(見(jiàn)圖3)。 模型四周邊界為法向約束,底部邊界固定,上部邊界自由。在綜合考慮模擬精度及計(jì)算效率的情況下,對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。 基坑深度簡(jiǎn)化為17.27,18.77,22.27 m(3 處)和27.37 m 共6 部分,見(jiàn)圖1。 圖中A-A、B-B和C-C 為3 處剖面,a1、a2、a3為基坑與車(chē)站相鄰區(qū)段由南向北采用A 剖面進(jìn)行支護(hù)的3 個(gè)區(qū)段,b、c分別對(duì)應(yīng)采用B、C 剖面進(jìn)行支護(hù)的區(qū)段。

圖3 有限元模型(單位:m)

2.2 施工方案

場(chǎng)地地層構(gòu)成及施工方案見(jiàn)圖4。 為提高計(jì)算效率,將地鐵車(chē)站施工步驟簡(jiǎn)化為先施工站廳層,后施工站臺(tái)層;基坑開(kāi)挖簡(jiǎn)化為4 步開(kāi)挖,前3 步基坑分別整體開(kāi)挖至-6.4 m、-12.8 m、-17.27 m(B-B、C-C 剖面),第4 步局部深挖區(qū)域開(kāi)挖至基底(A-A 剖面)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工部署,數(shù)值模型共設(shè)置7 個(gè)施工步序,見(jiàn)表1。

圖4 地質(zhì)剖面及施工方案(單位:m)

表1 模型施工步序

2.3 材料參數(shù)

在土的本構(gòu)關(guān)系中,考慮土體卸載時(shí)卸荷彈性模量的增大,應(yīng)變硬化類(lèi)彈塑性模型可以更好地體現(xiàn)密實(shí)卵礫石地層的剪脹特性,因而,對(duì)于北京地區(qū)上軟下硬的地層特點(diǎn),采用此模型對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行模擬具有更好的適用性。 Midas GTS NX 軟件中自帶應(yīng)變硬化類(lèi)彈塑性模型為修正摩爾庫(kù)倫(M-C)模型。 研究表明,此類(lèi)模型可較準(zhǔn)確模擬砂卵石基坑變形[16],其主要參數(shù)為土體固結(jié)排水三軸壓縮試驗(yàn)的割線(xiàn)模量(可通過(guò)固結(jié)排水三軸壓縮試驗(yàn)獲取);為土體固結(jié)試驗(yàn)切線(xiàn)模量(可通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)獲取);為土體卸載再加載試驗(yàn)彈性模量(可通過(guò)固結(jié)排水三軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程的加載-卸載-再加載循環(huán)測(cè)得)。 根據(jù)已有研究成果[17],可采用土體的壓縮模量Es估算得出3 個(gè)剛度參數(shù),見(jiàn)表2。

模型中,圍巖土體、豎井、橫通道、車(chē)站、隧道等結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元建模,基坑圍護(hù)樁、錨桿及噴射混凝土采用結(jié)構(gòu)單元模擬,模型單元數(shù)量為763 732 個(gè),模型整體網(wǎng)格見(jiàn)圖3。 土層材料采用修正M-C 模型,各結(jié)構(gòu)材料使用彈性模型,土層及相關(guān)結(jié)構(gòu)的主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 圍巖及結(jié)構(gòu)主要物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)變形與受力特性

各施工階段,車(chē)站站廳層側(cè)墻中心點(diǎn)的水平位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖5、圖6(水平位移朝基坑內(nèi)側(cè)為正,下同)。由近基坑向側(cè)墻水平位移可以看出,車(chē)站水平位移大小與相鄰基坑深度變化呈現(xiàn)明顯相關(guān)性,見(jiàn)圖5(a)。當(dāng)基坑未開(kāi)挖時(shí),車(chē)站與基坑相鄰區(qū)間(即a1、b、a2段)側(cè)墻水平位移大致相同,均在1.5 mm 左右。 車(chē)站80 m 位置處緊鄰側(cè)墻設(shè)置有豎井及橫通道,為車(chē)站側(cè)墻提供水平方向約束,導(dǎo)致車(chē)站局部變形較其他部位有所減小,這一趨勢(shì)在后續(xù)各施工步中均有所體現(xiàn)。當(dāng)基坑開(kāi)挖至第三層時(shí),基坑與車(chē)站間的間隔土體向坑內(nèi)滑動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)一步增大,側(cè)墻受到周?chē)馏w水平約束減小,水平位移隨之增大,基坑開(kāi)挖第四層時(shí),側(cè)墻水平位移增量達(dá)到最大值。 基坑開(kāi)挖完成后,暗挖車(chē)站側(cè)墻最大水平位移產(chǎn)生于車(chē)站a3段中部(距車(chē)站南端282.6 m),峰值點(diǎn)水平位移達(dá)11.7 mm,見(jiàn)圖5(b);a1段開(kāi)挖深度與a2、a3段一致,a1水平位移峰值小于a2,為8.1 mm。 值得注意的是,施工過(guò)程中站臺(tái)層車(chē)站的開(kāi)挖施工反而使站廳層車(chē)站側(cè)墻往基坑外側(cè)變形整體有所減小,位移峰值由4.4 mm 減小為4.0 mm。

圖5 地鐵車(chē)站近基坑側(cè)側(cè)墻水平位移

圖6 地鐵車(chē)站遠(yuǎn)基坑側(cè)側(cè)墻水平位移

這一趨勢(shì)同樣可以由遠(yuǎn)基坑側(cè)車(chē)站側(cè)墻水平變形觀(guān)察到,其在站臺(tái)層施工完畢后也出現(xiàn)往車(chē)站內(nèi)部“復(fù)原”的趨勢(shì),見(jiàn)圖6(a)。 這種現(xiàn)象主要是由于站臺(tái)層車(chē)站開(kāi)挖解除了該處土體的自重應(yīng)力,車(chē)站受到的地層隆起荷載由中板轉(zhuǎn)為剛度更大的底板來(lái)承受,且車(chē)站二襯結(jié)構(gòu)整體成形,抵抗變形能力也進(jìn)一步加強(qiáng)。 車(chē)站遠(yuǎn)基坑側(cè)側(cè)墻水平位移隨著施工進(jìn)程持續(xù)往基坑內(nèi)側(cè)變形,待基坑開(kāi)挖完成時(shí),最大位移達(dá)10.2 mm(距車(chē)站南端262.6 m),見(jiàn)圖6(b)。

車(chē)站側(cè)墻沿車(chē)站縱向(Y軸)、橫向(X軸)正應(yīng)力隨施工步序的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7、圖8(應(yīng)力負(fù)值表示受壓,正值表示受拉)。 分析可知,車(chē)站近基坑側(cè)側(cè)墻縱向基本一直處于受壓狀態(tài),隨著基坑開(kāi)挖的推進(jìn),鄰近開(kāi)挖區(qū)域(a1、a2、c、a3段)側(cè)墻縱向壓應(yīng)力不斷減小,而橫通道區(qū)域及非鄰近開(kāi)挖區(qū)域(b段)壓應(yīng)力則在不斷增大,見(jiàn)圖7(a)。 開(kāi)挖完成后,車(chē)站側(cè)墻受到的縱向應(yīng)力均達(dá)到峰值,最大拉應(yīng)力為0.25 MPa,位于a3段中部;最大壓應(yīng)力大小為1.84 MPa,緊鄰橫通道區(qū)域(距車(chē)站南端85.6 m)。 由于橫通道緊挨車(chē)站為其提供額外的橫向約束,使得側(cè)墻靠近橫通道區(qū)域隨著基坑開(kāi)挖存在較大的應(yīng)力集中,見(jiàn)圖7(b)。 車(chē)站側(cè)墻橫向正應(yīng)力隨施工步的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖8,可以明顯看出,基坑開(kāi)挖完成后臨近開(kāi)挖區(qū)域普遍受拉,與基坑水平位移變形趨勢(shì)一致。 隨著基坑開(kāi)挖,車(chē)站結(jié)構(gòu)側(cè)墻橫向應(yīng)力逐步由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力,基坑開(kāi)挖完成后拉應(yīng)力峰值為0.68 MPa(距車(chē)站南端1 215 m),見(jiàn)圖8(b)。

圖7 地鐵車(chē)站側(cè)墻沿車(chē)站縱向正應(yīng)力

圖8 地鐵車(chē)站側(cè)墻沿車(chē)站橫向正應(yīng)力

根據(jù)CJJT202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》,城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值中結(jié)構(gòu)水平位移、豎向位移的預(yù)警值為10 mm,控制值為20 mm。 根據(jù)模擬結(jié)果,基坑開(kāi)挖誘發(fā)地鐵結(jié)構(gòu)整體位移變化量較小,施工完成后地鐵車(chē)站側(cè)墻最大水平位移值11.7 mm,超出城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值中的預(yù)警值10 mm,但離控制值20 mm 還有較大冗余量。 同時(shí),地鐵結(jié)構(gòu)側(cè)墻最大拉應(yīng)力為0.68 MPa,小于C35 混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.57 MPa,最大壓應(yīng)力為1.84 MPa,小于C35 混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值16.7 MPa。 故可認(rèn)為基坑施工不危及緊鄰地鐵車(chē)站的結(jié)構(gòu)安全。

3.2 地層變形特性

基坑開(kāi)挖完成之后地表周邊位移等值線(xiàn)見(jiàn)圖9,可以發(fā)現(xiàn),基坑周邊陽(yáng)角處位移均明顯大于相鄰陰角處位移。 如b段南端陽(yáng)角地表處位移為65.7 mm,遠(yuǎn)大于陰角處9.1 mm;b段北端陽(yáng)角地表處位移為63.4 mm,同樣遠(yuǎn)大于陰角處9.3 mm。 由此可知,基坑開(kāi)挖地表位移受基坑幾何尺寸和形狀影響顯著,即基坑變形存在明顯的空間效應(yīng)。

圖9 基坑周邊地表位移等值線(xiàn)

不同施工步序下,不同剖面處的基坑周邊地表沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。 基坑地表沉降隨著基坑開(kāi)挖會(huì)逐漸增大,其中,A-A 剖面地表沉降位移峰值-10.2 mm,距基坑邊緣14.3 m;B-B 剖面地表沉降位移峰值-38.1 mm,距基坑邊緣11.4 m。 兩剖面在車(chē)站站臺(tái)層施工后,車(chē)站上方地表均表現(xiàn)出輕微隆起,分析原因是原車(chē)站位置處土體自重應(yīng)力的解除引起地鐵結(jié)構(gòu)的上浮。 A-A 剖面因其雙排樁的設(shè)置,基坑邊緣處周?chē)馏w抗變形能力增強(qiáng),地表沉降均有明顯減小趨勢(shì)。

圖10 不同剖面基坑周邊地表沉降

3.3 基坑圍護(hù)樁變形與受力特性

圍護(hù)樁水平位移隨施工步序變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖11,基坑圍護(hù)樁水平位移同樣隨著基坑開(kāi)挖的施工會(huì)逐漸增大。 在基坑開(kāi)挖過(guò)程中,圍護(hù)樁變形主要集中在開(kāi)挖面以上區(qū)域,且最大變形均位于基坑中部。 對(duì)比A-A剖面、B-B 剖面可知,基坑開(kāi)挖完成后,圍護(hù)樁最大水平位移分別為23.6 mm、33.8 mm。

圖11 基坑圍護(hù)樁水平位移

A-A 剖面、B-B 剖面圍護(hù)樁彎矩隨基坑開(kāi)挖變化曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖12(a)、圖12(b),正彎矩值表示樁體向基坑內(nèi)側(cè)翹曲,負(fù)彎矩表示樁體向基坑外側(cè)翹曲(下同)。 結(jié)合圖12 中基坑開(kāi)挖過(guò)程圍護(hù)樁彎矩變化,也可以發(fā)現(xiàn),圍護(hù)樁彎矩峰值均出現(xiàn)在當(dāng)前基坑中部位置,并隨著基坑開(kāi)挖逐漸下移。 當(dāng)基坑開(kāi)挖完成時(shí),樁身彎矩達(dá)到最大值431.8,367.4 kN·m。 同時(shí),B-B剖面處基坑只開(kāi)挖至第三層,但是由于空間效應(yīng)基坑其他位置開(kāi)挖第四層時(shí)該剖面處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及彎矩仍會(huì)有小幅增大。

圖12 基坑圍護(hù)樁彎矩

4 地鐵車(chē)站對(duì)基坑開(kāi)挖變形和圍護(hù)樁受力的影響

為進(jìn)一步分析基坑與暗挖地鐵車(chē)站同期施工的安全性和相互影響機(jī)理,設(shè)置無(wú)鄰近車(chē)站情況下該基坑開(kāi)挖的對(duì)照工況,研究基坑-周?chē)馏w-地鐵結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理。 地表沿A-A 剖面的沉降位移見(jiàn)圖13。 可以發(fā)現(xiàn),相鄰地鐵車(chē)站與基坑同期施工使沿A-A 剖面的地表最大沉降由28.3 mm 降低至11.1 mm,暗挖車(chē)站的存在使得其上方區(qū)域附近地表的豎向位移整體均明顯減小。 通過(guò)對(duì)比有無(wú)車(chē)站工況下基坑開(kāi)挖完成后A-A 剖面圍護(hù)樁樁身側(cè)移結(jié)果可知,地鐵結(jié)構(gòu)的存在顯著減小整個(gè)圍護(hù)樁的水平位移值,其中位移峰值由42.1 mm 降低為23.6 mm,為前者的56.1%,見(jiàn)圖14。同時(shí),無(wú)地鐵結(jié)構(gòu)時(shí)樁身最大彎矩為769.5 kN·m,由地鐵結(jié)構(gòu)時(shí)樁身最大彎矩減小為430.1 kN·m,為前者的55.9%,見(jiàn)圖15。

圖13 地表沉降(A-A 剖面)

圖14 基坑圍護(hù)樁水平位移(A-A 剖面)

圖15 基坑圍護(hù)樁彎矩(A-A 剖面)

綜上,基坑開(kāi)挖與地鐵結(jié)構(gòu)的同期施工會(huì)使得地鐵結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力發(fā)生不同程度變化,結(jié)合此節(jié)關(guān)于地鐵結(jié)構(gòu)對(duì)基坑開(kāi)挖的影響,揭示出基坑開(kāi)挖、周?chē)馏w和既有結(jié)構(gòu)間的相互作用關(guān)系。 基坑開(kāi)挖會(huì)造成原始地應(yīng)力的釋放,周?chē)馏w水平位移逐步增大,結(jié)構(gòu)所受土壓力由靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力,車(chē)站結(jié)構(gòu)側(cè)墻外土壓力的降低進(jìn)而減弱側(cè)墻外水平約束力,使其產(chǎn)生附加位移和彎矩。 相較于沒(méi)有車(chē)站結(jié)構(gòu),既有結(jié)構(gòu)的變形模量遠(yuǎn)大于原位土體,可起到類(lèi)似于“提升”周?chē)馏w變形模量的效果,可一定程度上削減相鄰圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力,進(jìn)而減小基坑變形及周?chē)乇硗馏w的沉降。

5 結(jié)論

(1)基坑開(kāi)挖時(shí),車(chē)站水平變形隨基坑開(kāi)挖深度變化明顯。 車(chē)站施工完成后,基坑開(kāi)挖誘發(fā)地鐵結(jié)構(gòu)位移的變化量較小,車(chē)站側(cè)墻最大水平位移值為11.7 mm,遠(yuǎn)小于城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制值20 mm,但靠近橫通道區(qū)域存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)基坑變形存在明顯的空間效應(yīng),基坑位移受其幾何尺寸和形狀影響較大。 基坑周邊陽(yáng)角處地表水平位移為65.7 mm,明顯大于陰角處地表水平位移9.1 mm,且開(kāi)挖長(zhǎng)度越大,其中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移峰值也將越大。

(3)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的增大主要來(lái)源于基坑自身開(kāi)挖引起的應(yīng)力卸載,基坑開(kāi)挖完成后,A-A剖面圍護(hù)樁最大水平位移23.6 mm,最大樁身彎矩為431.8 kN·m。 相鄰地鐵車(chē)站的及時(shí)施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擾動(dòng)較小,但對(duì)基坑開(kāi)挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)最終變形有較大影響。

(4)基坑開(kāi)挖、周?chē)馏w和既有結(jié)構(gòu)相互作用?；娱_(kāi)挖引起周?chē)馏w水平位移,周?chē)馏w由靜止土壓力逐漸變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力,車(chē)站結(jié)構(gòu)側(cè)墻外水平約束力的減小會(huì)使其產(chǎn)生附加位移和彎矩。 相較于沒(méi)有車(chē)站結(jié)構(gòu),既有結(jié)構(gòu)將減小基坑支護(hù)樁和周?chē)馏w變形,其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力分別減小為無(wú)地鐵結(jié)構(gòu)時(shí)的56.1%、55.9%,起到類(lèi)似于“提升”周?chē)馏w變形模量的效果。