劉光輝，宗鵬程，徐子邦，孫誠濤，李 平，史江偉

(1.南京上鐵地方鐵路開發(fā)有限公司，江蘇 南京 210008；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

0 引言

城市空間需求的急劇增長與土地資源緊缺這一矛盾日益突出，有效地開發(fā)利用地下空間迫在眉睫。工程中，鄰近既有構(gòu)筑物的深基坑工程不斷涌現(xiàn)。深基坑開挖引起的應(yīng)力釋放將不可避免地導(dǎo)致土體位移和鄰近構(gòu)筑物的附加變形。

信號(hào)塔為淺基礎(chǔ)的超高構(gòu)筑物，為懸臂結(jié)構(gòu)?；邮┕r(shí)，信號(hào)塔的變形機(jī)理與樁基礎(chǔ)、房屋不盡相同。一旦信號(hào)塔發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，塔頂水平位移不可忽視。然而，明挖隧道(基坑)施工引起淺基礎(chǔ)超高信號(hào)塔的研究鮮有報(bào)道。本文以海安高鐵站擴(kuò)建工程為背景，開展現(xiàn)場試驗(yàn)和考慮土體小應(yīng)變剛度特性的三維數(shù)值模擬，研究明挖隧道施工引起鄰近淺基礎(chǔ)超高信號(hào)塔變形特性。

1 工程概況

1.1 火車站站房明挖隧道擴(kuò)建工程

海安火車站站房擴(kuò)建工程平面與1—1剖面如圖1所示。既有站房擴(kuò)建工程采用明挖法進(jìn)行施工(基坑)，擴(kuò)建工程分為3期，如圖1a所示。三期工程位于出站口，與原有出站口連接；二期工程為新建地下通道；一期工程與原有地下停車場連接。二期與一期基坑交界處，施工了圍護(hù)樁隔墻。一期、二期工程為長條形基坑，基坑開挖深度介于2.3～9.8m。二期基坑的南側(cè)存在淺基礎(chǔ)的信號(hào)塔，信號(hào)塔的高度為50.0m。信號(hào)塔與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的凈距為5.5m，位于1倍的深基坑開挖深度范圍內(nèi)。三期基坑與信號(hào)塔的凈距為 32.7m，已接近4倍的基坑開挖深度。因此，信號(hào)塔變形主要受二期施工影響。

圖1 海安火車站站房擴(kuò)建工程

二期基坑沿1—1斷面的縱剖面如圖1b所示。二期基坑開挖深度變化較大，基坑?xùn)|側(cè)1∶2放坡開挖，最小開挖深度為2.3m。自東向西基坑開挖深度逐漸加大，最大開挖深度為9.8m。信號(hào)塔靠近二期基坑?xùn)|南側(cè)，信號(hào)塔處基坑開挖深度為4.6m。

1.2 站房基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)

信號(hào)塔處基坑的橫剖面如圖2所示。信號(hào)塔的基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為3.1m，基礎(chǔ)平面尺寸為8.0m×8.0m。為了降低基坑施工對(duì)鄰近信號(hào)塔的影響，一期、二期和三期基坑均采用直徑800mm、間距1 000mm、長度21m的鉆孔樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖2 深基坑典型橫剖面

為了降低基坑工程樁施工時(shí)對(duì)鄰近構(gòu)筑物的影響，采用MJS微擾動(dòng)施工技術(shù)。三期基坑、一期和二期基坑的北側(cè)施工直徑1 800mm、間距 1 100mm、 長度24m的MJS樁來降低圍護(hù)樁施工擾動(dòng)對(duì)周邊建筑物的影響。一期和二期基坑的南側(cè)施工直徑800mm、間距500mm、長度24m的高壓旋噴樁作為基坑止水帷幕。為了降低基坑施工引起的土體變形，一、二、三期基坑的坑底以下4m范圍內(nèi)均采用直徑800mm、間距500mm的高壓旋噴樁滿堂加固。

如圖1b所示，深基坑采用3道水平支撐，第1道為600mm×600mm混凝土支撐，第2，3道為直徑609mm、壁厚16mm鋼支撐。與2道支撐相連的冠梁和腰梁均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸為800mm×800mm。

2 明挖隧道-信號(hào)塔相互作用三維仿真模擬

深基坑施工引起的墻后土體位移的主要和次要影響區(qū)域分別為(0～2)He(He為基坑最大開挖深度)和(2～4)He。如圖1a所示，信號(hào)塔的中心線與三期基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平凈距為38.5m，為3.9倍的深基坑開挖深度，位于三期基坑的影響范圍外。因此，三期基坑施工對(duì)信號(hào)塔的影響甚小。海安火車站站房基坑擴(kuò)建工程沿東西向基本對(duì)稱，數(shù)值模擬考慮一期部分基坑和二期基坑(即1—1斷面)對(duì)信號(hào)塔的影響。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁剛度等效

一期、二期基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與板類似，因此將直徑為D、間距為t的鉆孔灌注樁等效成長度為D+t的連續(xù)板，基于剛度等效，鉆孔灌注樁等效成厚度為620mm的連續(xù)板。

2.2 三維有限元網(wǎng)格

采用Plaxis 3D軟件模擬基坑施工引起的鄰近信號(hào)塔三維變形。深基坑-信號(hào)塔相互作用的三維有限元數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。網(wǎng)格長度、寬度和深度分別為200，200，80m。墻后土體長度均>8倍的最大深基坑開挖深度，滿足邊界條件要求。土層采用10節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、信號(hào)塔采用板單元模擬，支撐、冠梁和腰梁采用梁單元模擬。地下連續(xù)墻的板單元設(shè)置不透水正向界面單元，確保地下連續(xù)墻的密封性。

圖3 三維有限元計(jì)算網(wǎng)格和邊界條件

為了獲取準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，基坑和信號(hào)塔周圍的網(wǎng)格加密?，F(xiàn)有三維有限元網(wǎng)格共含有 199 777 個(gè)單元和297 499個(gè)結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格單元加密1倍后，信號(hào)塔的最大變形差值<1%，表明數(shù)值計(jì)算采用的有限元網(wǎng)格密度已足夠精細(xì)。網(wǎng)格四周為法向約束，四周沿豎向可自由移動(dòng)。網(wǎng)格底部為三向約束，土體不允許產(chǎn)生任何位移。

2.3 數(shù)值計(jì)算采用的本構(gòu)模型與模型參數(shù)

大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑、隧道等周圍土體的剪應(yīng)變介于0.01%～1%，屬于小應(yīng)變范圍。此應(yīng)變范圍內(nèi)，土體剪切模量隨應(yīng)變?cè)黾佣焖偎p。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)基坑施工引起的信號(hào)塔變形，數(shù)值計(jì)算采用考慮土體小應(yīng)變剛度特性的HSS模型模擬土體的變形特性。

表1 數(shù)值計(jì)算采用的HSS模型參數(shù)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐、冠梁、腰梁材料為鋼筋混凝土，信號(hào)塔材料為鋼材，此2種材料均采用線彈性模型模擬。混凝土彈性模量和泊松比分別為25GPa和0.2，鋼材彈性模量和泊松比分別為210GPa和0.17。

2.4 基坑-信號(hào)塔相互作用的三維數(shù)值模擬程序

為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)基坑施工引起的信號(hào)塔變形，數(shù)值計(jì)算的施工模擬順序與現(xiàn)場一致。主要計(jì)算步驟為：①初始應(yīng)力場生成；②施工既有信號(hào)塔；③施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)、冠梁和第1道混凝土支撐；④坑底4m范圍內(nèi)土體滿堂加固；⑤開挖第1層土至 -5.250m 高程；⑥施工腰梁和第2道鋼支撐；⑦開挖第2層土至-9.800m高程；⑧施工第3道鋼支撐；⑨基坑底板混凝土施工。

3 明挖隧道-信號(hào)塔三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體側(cè)向變形

明挖隧道施工引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形如圖4所示。二期基坑的長度方向?yàn)闁|西向(y方向)。因此，二期基坑沿南北方向(Ux)的水平位移明顯大于沿東西方向位移(Uy)。一期基坑與南北方向呈45°，因此，南北、東西方向的水平位移均較大。在一、二期基坑交界處隔墻的約束作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形明顯降低?；邮┕さ娇拥讜r(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿南北向的最大側(cè)向位移(Ux)為6.3mm(0.064%He)，沿東西向的最大側(cè)向位移為7.8mm(0.080%He)。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向變形(單位：mm)

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算和實(shí)測(cè)側(cè)向變形對(duì)比

圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。不同于鋼板樁等柔性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果均顯示圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)鼓脹變形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形位于基坑開挖面位置。海安火車站站房基坑工程采用大直徑鉆孔灌注樁，整體剛度較大。圍護(hù)結(jié)構(gòu)第1道支撐為大截面混凝土，且鉆孔灌注樁施工到砂土層。因此，圍護(hù)樁頂部和底部變形均很小。3個(gè)測(cè)點(diǎn)處圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果十分接近，表明基坑-信號(hào)塔的三維數(shù)值仿真模擬合理，模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線

3.3 計(jì)算與實(shí)測(cè)的墻后地表沉降對(duì)比

計(jì)算和實(shí)測(cè)的墻后地表沉降對(duì)比如圖6所示。選取基坑由西到東3個(gè)不同位置進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，如圖1a所示，發(fā)現(xiàn)3個(gè)測(cè)點(diǎn)處墻后土體沉降的計(jì)算結(jié)果略高于實(shí)測(cè)結(jié)果，考慮為現(xiàn)場的墻后壓重、開挖工序等因素導(dǎo)致。計(jì)算和實(shí)測(cè)墻后土體沉降十分接近，再次表明基坑-信號(hào)塔的三維數(shù)值仿真模擬合理，模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

圖6 基坑施工引起墻后土體沉降對(duì)比曲線

4 信號(hào)塔三維變形的影響因素

4.1 數(shù)值模擬方案

開展三維有限元參數(shù)分析，系統(tǒng)研究明挖隧道(基坑)施工引起信號(hào)塔變形的主要影響因素，建立各種影響因素下信號(hào)塔變形的預(yù)測(cè)圖表，為類似工程提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

有限元參數(shù)分析時(shí)，二期基坑?xùn)|側(cè)不再放坡，一期和二期基坑間不設(shè)置隔墻?；娱_挖深度(He)均為9.8m，兩層土的開挖厚度分別為5.25，4.55m。支撐、冠梁和腰梁位置與海安火車站站房基坑工程一致。

數(shù)值分析考慮的參數(shù)包括：基坑開挖深度、信號(hào)塔-基坑平面相對(duì)位置，信號(hào)塔-基坑水平凈距、圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐剛度。信號(hào)塔-基坑平面相對(duì)位置主要是指信號(hào)塔相對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位置，如角點(diǎn)、中點(diǎn)和拐點(diǎn)等。基坑與信號(hào)塔的水平凈距介于0.5～9.8m(1.0He)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式從鋼板樁過渡到1.0m厚地下連續(xù)墻，評(píng)價(jià)不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)信號(hào)塔變形的影響。

4.2 開挖深度

不同開挖深度下鄰近信號(hào)塔的水平和垂直位移如圖7所示。水平位移正值為指向基坑，垂直位移正值為沉降。信號(hào)塔與基坑凈距為5.5m。H和He分別為當(dāng)前基坑開挖深度和最大開挖深度。當(dāng)H/He=0.54時(shí)，信號(hào)塔水平位移與沉降分別為1.9，0.06mm。一旦基坑施工到坑底(H/He=1.0)，信號(hào)塔的水平位移和沉降增加至5.2，0.29mm，增幅高達(dá)173.7%，383.3%。隨著基坑開挖深度增加，坑內(nèi)外土壓力差值加大；土體受剪時(shí)產(chǎn)生更大塑性變形，鄰近信號(hào)塔變形快速增加。為了確保鄰近信號(hào)塔的安全性，基坑施工時(shí)要嚴(yán)格控制坑內(nèi)土體的開挖速率。信號(hào)塔為50m的超高懸臂結(jié)構(gòu)，基坑施工引起的信號(hào)塔水平位移明顯大于沉降。因此，信號(hào)塔的水平位移是判斷其穩(wěn)定性和安全性的重要指標(biāo)。

圖7 不同開挖深度下信號(hào)塔位移曲線

4.3 基坑-信號(hào)塔平面位置影響

不同基坑-信號(hào)塔平面位置下信號(hào)塔水平位移與沉降如圖8所示。信號(hào)塔與基坑水平凈距均為5.5m。東側(cè)二期基坑、西側(cè)一期基坑的長度分別為L1，L2，信號(hào)塔中心與二期基坑角點(diǎn)距離為X。X/(L1+L2)表示基坑-信號(hào)塔相對(duì)位置，0和1代表基坑角點(diǎn)，0.58代表圍護(hù)結(jié)構(gòu)的拐點(diǎn)。

圖8 不同基坑-信號(hào)塔平面位置下信號(hào)塔位移曲線

當(dāng)H/He=0.54時(shí)，信號(hào)塔的總體變形較小。一旦基坑施工到坑底(H/He=1.0)，信號(hào)塔的變形與其所處的位置密切相關(guān)，表明深基坑開挖深度較大時(shí)，要充分考慮鄰近建筑物與基坑的相對(duì)位置。

當(dāng)X/(L1+L2)增加時(shí)，即信號(hào)塔從基坑角點(diǎn)往基坑中部移動(dòng)時(shí)，信號(hào)塔水平位移和沉降均快速增大，最終達(dá)到峰值。第1個(gè)位移峰值位于X/(L1+L2)=0.27處，信號(hào)塔的最大水平位移和沉降分別為43.2，4.2mm。X/(L1+L2)繼續(xù)增加時(shí)，信號(hào)塔從基坑中部往圍護(hù)結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)移動(dòng)，信號(hào)塔變形快速降低。圍護(hù)結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)處信號(hào)塔位移與角點(diǎn)處基本一致，明顯小于圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部的信號(hào)塔變形。信號(hào)塔越過拐點(diǎn)后，出現(xiàn)第2個(gè)位移峰值，位于X/(L1+L2)= 0.72處，最大水平位移和沉降分別為15.1，1.2mm，明顯小于第1個(gè)位移峰值。這是因?yàn)槎诨拥拈L度L1遠(yuǎn)大于一期基坑的長度L2。為了降低長條形基坑施工對(duì)鄰近信號(hào)塔的影響，應(yīng)采用分區(qū)、分坑施工方法降低基坑開挖長度。

4.4 基坑-信號(hào)塔水平凈距影響

不同基坑-信號(hào)塔水平凈距下信號(hào)塔的水平位移和沉降如圖9所示。選取最不利的平面布置位置(X/(L1+L2)=0.27)，分析不同水平凈距下信號(hào)塔的三維變形特性。信號(hào)塔與基坑的水平凈距分別為0.5，2.5，5.5，7.5，9.8m。

圖9 不同水平凈距下信號(hào)塔位移曲線

當(dāng)H/He=0.54時(shí)，信號(hào)塔位移隨著水平距離增加而出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)基坑施工到坑底(H/He=1.0)時(shí)，信號(hào)塔水平位移和沉降均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)基坑-信號(hào)塔的水平凈距為0.56He時(shí)，信號(hào)塔的水平位移達(dá)到峰值，為43.2mm。當(dāng)基坑-信號(hào)塔的水平凈距為0.25He時(shí)，信號(hào)塔的沉降達(dá)到峰值，為7.6mm。基坑施工到坑底時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)鼓脹變形，如圖5所示；基坑施工的墻后土體沉降應(yīng)為凹槽形，即先增大后降低，如圖6所示。信號(hào)塔為淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物，其變形與地層變形一致。因此，隨著水平凈距增加，信號(hào)塔變形呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。

當(dāng)基坑-信號(hào)塔的水平凈距達(dá)到1.0He(基坑最大開挖深度)時(shí)，信號(hào)塔的水平位移和沉降均接近0，表明深基坑施工引起鄰近信號(hào)塔變形的主要影響區(qū)域?yàn)?.0He。

4.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度

不同系統(tǒng)剛度下鄰近信號(hào)塔的水平位移和沉降如圖10所示。實(shí)際工程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式多樣化，包括地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、鋼板樁等。為了評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)剛度范圍內(nèi)鄰近信號(hào)塔的變形，圍護(hù)墻厚度分別為0.3，0.4，0.62，0.8，1.0m。當(dāng)圍護(hù)墻厚度為0.3m時(shí)，其剛度與NSP III鋼板樁的抗彎剛度一致；圍護(hù)墻厚度為0.8，1.0m時(shí)，對(duì)應(yīng)大剛度的地下連續(xù)墻。

圖10 不同支撐剛度下鄰近信號(hào)塔位移曲線

當(dāng)開挖深度比值H/He=0.54時(shí)，基坑施工引起的信號(hào)塔水平位移和沉降均較小，但信號(hào)塔位移隨著支撐剛度的增加而逐步降低。當(dāng)基坑開挖至坑底(H/He=1.0)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采取鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)(墻厚0.3m)時(shí)，信號(hào)塔的最大水平位移和沉降分別高達(dá)190，19mm。若采用1.0m厚地下連續(xù)墻替代鋼板樁，鄰近信號(hào)塔的最大水平位移降低98%。1.0m厚地下連續(xù)墻將信號(hào)塔的最大水平位移限制在5mm內(nèi)，信號(hào)塔的水平傾角僅為 1/10 000， 遠(yuǎn)小于建筑物的極限傾角(1/500)。

海安火車站站房基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等效厚度為0.62m(支撐剛度為155.3)，此圍護(hù)結(jié)構(gòu)下信號(hào)塔的最大水平位移為43.2mm，僅為鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的22.7%，對(duì)應(yīng)的水平傾角為1/1 157，依然小于建筑物的極限傾角(1/500)。海安火車站站房擴(kuò)建基坑工程采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式既能有效限制信號(hào)塔位移，確保鄰近信號(hào)塔安全，又能降低工程成本。

5 結(jié)語

基于現(xiàn)場監(jiān)測(cè)和考慮土體小應(yīng)變剛度特性的三維有限元仿真模擬，系統(tǒng)地研究了明挖隧道(基坑)開挖深度、信號(hào)塔-基坑平面相對(duì)位置、水平凈距和圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)淺基礎(chǔ)信號(hào)塔三維變形的影響規(guī)律，可以得出以下結(jié)論。

1)當(dāng)基坑開挖深度比(H/He)從0.54增加至1.0時(shí)，鄰近信號(hào)塔水平位移和沉降的增幅分別為173.7%，383.3%。為了確保鄰近信號(hào)塔的安全性，要嚴(yán)格控制基坑開挖深度及其坑內(nèi)土體開挖速率。

2)信號(hào)塔為50m的超高懸臂結(jié)構(gòu)，基坑施工引起的信號(hào)塔水平位移明顯大于豎向位移。因此，基坑施工時(shí)要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)信號(hào)塔的水平位移。

3)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的角點(diǎn)和拐點(diǎn)存在明顯的三維約束效應(yīng)，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)角點(diǎn)、拐點(diǎn)處信號(hào)塔位移明顯小于基坑中部處信號(hào)塔位移?；娱_挖長度越大，信號(hào)塔的位移越大。因此，長條形基坑分區(qū)、分坑施工能有效降低信號(hào)塔變形。

4)信號(hào)塔位移隨基坑-信號(hào)塔水平凈距的增長呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。信號(hào)塔距基坑0.56He時(shí)水平位移達(dá)到最大，距基坑0.25He時(shí)沉降最大。

5)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的增加能顯著降低基坑施工引起的鄰近信號(hào)塔位移。當(dāng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)從鋼板樁過渡為1m厚地下連續(xù)墻時(shí)，鄰近信號(hào)塔的水平位移降幅高達(dá)98%。海安火車站站房基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)很好地限制了信號(hào)塔塔頂位移，最大水平位移為43.2mm，產(chǎn)生的傾角(1/1 157)遠(yuǎn)小于建筑物的極限傾角(1/500)。