敖文龍，彭遠(yuǎn)新，袁 勛，林沛元

（1、深圳市地質(zhì)局 深圳 518023；2、中山大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510275）

0 引言

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，地鐵沿線因其顯著的位置優(yōu)勢(shì)，成為城市商業(yè)中心、寫字樓、住宅等項(xiàng)目開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，在規(guī)劃建設(shè)或已運(yùn)營(yíng)地鐵線路附近進(jìn)行工程施工變得不可避免，部分地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)也會(huì)與周邊建筑共用出入口等。在地鐵隧道附近進(jìn)行基坑開挖，必然會(huì)引起土體變形，土體變形進(jìn)一步引起隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力改變和變形，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)變形超出一定限度后，極大可能導(dǎo)致地鐵線路無(wú)法正常運(yùn)營(yíng)，因此深大基坑開挖對(duì)附近地下管線的影響成為必須研究的重要課題［1-3］。

很多學(xué)者對(duì)該問(wèn)題展開了多方面研究，目前在工程應(yīng)用中，更趨向于采用數(shù)值模擬方法來(lái)分析基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響。鄭剛等人［4-5］采用數(shù)值方法模擬了基坑實(shí)際施工過(guò)程，分析了隧道加固措施的有效性。左殿軍等人［6］、張玉成等人［7-11］采用數(shù)值方法分析了隧道開挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響。張旭群等［12］采用有限元模擬分析方法評(píng)價(jià)了基坑開挖的影響，提出了重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)建議。段紹偉等人［13］采用有限元方法分析了基坑開挖對(duì)地下管線破裂的影響。

基于以上，本文以深圳市某基坑開挖工程為研究背景，采用數(shù)值模擬的方法，分階段分析了基坑開挖施工全過(guò)程對(duì)附近地鐵14號(hào)線地鐵隧道、車站主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)的影響，探討了開挖和回填工況下結(jié)構(gòu)受力變形變化趨勢(shì)，為鄰近地鐵線路深基坑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工積累工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)總體布置

某基坑開挖工程位于深圳市坪山區(qū)，總規(guī)劃用地面積約24 614 m2，項(xiàng)目地塊北側(cè)為坪山大道，隔坪山大道為正在建設(shè)中的某綜合體廣場(chǎng)項(xiàng)目，東側(cè)隔體育二路為某大廈和某小區(qū)1，南側(cè)隔泰安路為某小區(qū)2，西側(cè)隔牛角龍路為某中學(xué)。

項(xiàng)目擬設(shè)4 層地下室。本基坑周長(zhǎng)約600 m，開挖面積約22 248 m2，深度19.1～20.6 m。目前緊鄰項(xiàng)目北側(cè)的坪山大道上正進(jìn)行地鐵14號(hào)線建設(shè)，項(xiàng)目北側(cè)對(duì)應(yīng)的地鐵盾構(gòu)隧道長(zhǎng)約57 m（已施工完成），距離用地紅線5.6～7.0 m；沙湖站車站主體長(zhǎng)約97 m（已施工完成），距離用地紅線8.0～11.5 m；附屬風(fēng)亭（暫未施工）和出入口（擬與本項(xiàng)目地下室連通）縱向長(zhǎng)69.0 m，進(jìn)入本項(xiàng)目地塊紅線6.0～11.3 m不等。

擬建基坑與既有地鐵結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系：基坑開挖邊線距離地鐵14 號(hào)線車站附屬結(jié)構(gòu)最近距離約1.3 m，咬合樁外邊線與地鐵附屬結(jié)構(gòu)凈距約0.1 m，距離14號(hào)線地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線最近距離約7.3 m。二者平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)平面示意圖Fig.1 Plane Diagram of Foundation Pit Supporting System

根據(jù)基坑深度、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境，本項(xiàng)目基坑主要采用咬合樁+3 道混凝土內(nèi)支撐方案：①咬合樁：鄰近車站附屬結(jié)構(gòu)段咬合樁直徑1.2 m、樁間距1.7 m；近盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)段咬合樁直徑1.4 m、樁間距2.1 m。咬合樁采用“軟咬合”施工工藝，全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔施工。②內(nèi)支撐：首層支撐構(gòu)件采用C30 混凝土澆筑，第二、三層支撐構(gòu)件采用C40 混凝土澆筑；首層沿坑邊設(shè)置一圈支撐封板，厚度300 mm，第二、三層沿坑邊折角位置設(shè)置支撐封板，厚度200 mm。③袖閥管注漿：因本項(xiàng)目坑底低于地鐵結(jié)構(gòu)底板，為加強(qiáng)止水，在北側(cè)咬合樁外側(cè)增設(shè)兩排袖閥管進(jìn)行加固，梅花形布置，間距0.8 m，排距0.6 m。其中位于合建段附屬結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的袖閥管由地鐵集團(tuán)提前在地面施工，底板以上不注漿，底板以下注漿。

1.2 工程地質(zhì)條件

基坑地基土層分布如下：⑴人工填土層：①雜填土，層底埋深0.30～6.50 m，平均層厚2.34 m；⑵第四系沖、洪積層：②粉質(zhì)黏土，層頂埋深0.30～8.50 m，平均層厚4.34 m；③粉、細(xì)砂，層頂埋深1.00～13.20 m，平均層厚3.71 m；④粉質(zhì)黏土，層頂埋深0.00～22.30 m，平均層厚4.86 m；⑤礫砂，層頂埋深2.00～19.50 m，平均層厚4.98 m；⑶第四系殘積土層：⑥粉質(zhì)黏土，層頂埋深9.00～34.10 m，平均層厚20.19 m；⑷第四系溶槽堆積層：⑦黏性土，層頂埋深34.10～61.80 m，平均層厚4.91 m；⑸石炭系測(cè)水組砂巖：⑧全風(fēng)化粉砂巖，層頂埋深9.30～61.70 m，平均層厚19.93 m；⑹石炭系石磴子組大理巖：⑨微風(fēng)化大理巖，層頂埋深31.20～90.30 m，平均層厚6.22 m。表1總結(jié)了地基各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)。

表1 巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Main Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil Layer

2 建立三維數(shù)值模型

根據(jù)項(xiàng)目地塊與地鐵14 號(hào)線相交處的工程地質(zhì)特征，選取臨近地鐵附近最不利鉆孔，結(jié)合基坑設(shè)計(jì)與施工方案，通過(guò)疊加地鐵隧道結(jié)構(gòu)、車站及附屬結(jié)構(gòu)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，建立有限元三維模型，根據(jù)實(shí)際基坑開挖、降水、回填施工過(guò)程適度簡(jiǎn)化進(jìn)行模擬，考慮基坑開挖的施工過(guò)程影響，分析施工過(guò)程引起地鐵隧道、車站主體和附屬結(jié)構(gòu)變形的時(shí)空效應(yīng)問(wèn)題，進(jìn)而評(píng)估緊鄰地鐵的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)和地鐵的運(yùn)營(yíng)安全狀態(tài)。

為避免模型邊界條件約束對(duì)關(guān)心部位的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響，根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合基坑開挖深度、周邊建（構(gòu)）筑物的布置，X、Y方向基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)邊線距離模型邊界80 m，約為4倍最大基坑深度；底部影響區(qū)沿基坑底再向下擴(kuò)展40 m，約為2 倍最大基坑深度。因此，模型計(jì)算區(qū)域?yàn)?32 m×306 m×60 m，本模型尺寸基本可以消除邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響。

三維整體模型的邊界條件均為位移邊界條件，其中模型上表面為自由邊界，下表面為固定端約束，左右邊界為X方向位移固定，前后邊界為Y方向位移固定。本章采用三維數(shù)值模型共計(jì)含約160 000 個(gè)有限元單元，其中：地鐵隧道結(jié)構(gòu)襯砌、地鐵附屬結(jié)構(gòu)、車站結(jié)構(gòu)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、封板均采用shell 單元，冠梁、腰梁、立柱樁與支撐梁采用1D 單元，整體模型示意圖如圖2所示。

圖2 整體模型示意圖Fig.2 Overall Model Schematic Diagram

2.1 計(jì)算參數(shù)

土層材料采用硬化土模型（Hardening-soil model），各土層假定為理想彈塑性體，地鐵隧道結(jié)構(gòu)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)均假設(shè)為線彈性體?？紤]土體的排水固結(jié)，不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)土體擾動(dòng)的影響，不考慮基坑分區(qū)開挖及周邊堆載的影響。基坑采用咬合樁結(jié)合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系，樁頂采用250 mm 厚混凝土板，共設(shè)置3 道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，基坑深度約19.1～20.6 m，基坑開挖邊線距離地鐵14 號(hào)線車站附屬結(jié)構(gòu)最近距離約1.3 m，隧道埋深約10 m，距離14號(hào)線地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線最近距離約7.3 m。地鐵隧道直徑為6.0 m，管片厚度300 mm。支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Tab.2 Calculation Parameters for Support Structures

由于支護(hù)樁為梁?jiǎn)卧沁B續(xù)，無(wú)法形成封閉止水帷幕，將圓形截面支護(hù)樁采用等效剛度替換方法等效為連續(xù)墻，則由等剛度轉(zhuǎn)換原則得等效后的連續(xù)墻厚度：

式中：D為支護(hù)樁直徑（mm）；t為凈樁距（mm）；h為等效厚的連續(xù)墻厚度（mm）。

計(jì)算得本基坑1.2 m 直徑咬合樁按等代剛度原則等效為連續(xù)墻的厚度為0.9 m；1.4 m 直徑咬合樁按等代剛度原則等效為連續(xù)墻的厚度為1.0 m。

2.2 分析工況

本文主要是分析擬建基坑開挖對(duì)地鐵14 號(hào)線地鐵隧道結(jié)構(gòu)、車站主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)的影響以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，考慮的是基坑開挖引起的增量位移，故對(duì)既有建（構(gòu)）筑施工引起的位移和初始應(yīng)力場(chǎng)引起的位移進(jìn)行清零。針對(duì)基坑開挖的全過(guò)程進(jìn)行三維模擬，共分為15 個(gè)施工步驟，具體如表3 所示。其中工況1～工況4 為車站附屬結(jié)構(gòu)基坑開挖施工階段，工況5～工況10 為本項(xiàng)目基坑開挖施工階段，工況11～工況13為基坑回填施工階段。

表3 模擬施工步驟Tab.3 Simulated Construction Steps

3 分析方案

3.1 樁基施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

樁基對(duì)地鐵隧道、車站及附屬結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：⑴樁基震動(dòng)對(duì)地鐵隧道、車站及附屬結(jié)構(gòu)的影響；⑵樁基成孔后澆筑砼前地基中成孔對(duì)地鐵隧道、車站及附屬結(jié)構(gòu)的影響。其中樁基施工震動(dòng)對(duì)地鐵隧道的影響只能通過(guò)控制工程樁施工距離地鐵凈距和改善施工工藝將這種影響盡量降低，因此樁基對(duì)地鐵隧道的影響主要表現(xiàn)在樁基成孔后澆筑砼前對(duì)地鐵隧道的影響，這種影響可通過(guò)數(shù)值模擬分析地層和隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 地下水對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

本場(chǎng)地地下水主要屬孔隙潛水，孔隙水主要賦存于第四系人工填土層，粉、細(xì)砂，礫砂，全風(fēng)化巖層中，其次賦存在沖洪積粉質(zhì)黏土和第四系殘積層中。其中粉質(zhì)黏土、殘積土為弱透水性，素填土，粉、細(xì)砂，全風(fēng)化層為弱～中透水性，礫砂層為強(qiáng)透水層，孔隙水主要接受大氣降水及周邊地下水側(cè)向補(bǔ)給，排泄方式主要為蒸發(fā)和地下滲流。由于地鐵隧道、車站及附屬結(jié)構(gòu)位于地下水位以下，地鐵隧道、車站及附屬結(jié)構(gòu)所受浮力與水頭差大小無(wú)關(guān)，僅與結(jié)構(gòu)頂板與底板間的高度有關(guān)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基坑開挖對(duì)地鐵隧道影響

4.1.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移分析

基坑開挖至底部時(shí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平和豎向位移云圖如圖3 所示。可以看出，基坑最大水平位移的位置位于基坑西側(cè)（咬合樁+內(nèi)支撐），其最大水平位移值10.03 mm；基坑最大豎向位移的位置位于基坑北側(cè)（鄰近地鐵隧道），其最大水平位移值3.40 mm。以上數(shù)值均小于一級(jí)基坑支護(hù)工程水平位移控制值（30 mm），說(shuō)明本工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案基本合理，滿足基坑規(guī)范要求，且在鄰近地鐵隧道側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)方式能夠有效抑制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，有效降低基坑開挖施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不利影響。

圖3 工況10（開挖至坑底）支護(hù)結(jié)構(gòu)水平及豎向位移Fig.3 Horizontal and Vertical Displacement of Supporting Structures in Working Condition 10（Excavated to the Bottom）

4.1.2 地鐵隧道豎向位移分析

離基坑較近的地鐵隧道受到基坑開挖的影響更為明顯，且主要影響區(qū)域主要集中在基坑開挖范圍，隨著開挖深度的增加，其影響范圍也隨之?dāng)U大。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，將基坑開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移繪成圖4??？芍?，工況6（開挖至地下深度-1.5 m）時(shí)，第一道支撐、冠梁、樁頂混凝土擋板的施工對(duì)兩條地鐵隧道均造成了向下的豎向位移，最大豎向位移達(dá)到了1.70 mm。而隨著基坑降水和開挖深度的增加，繼續(xù)施工第二道和第三道支撐，地鐵隧道的豎向位移則從下沉轉(zhuǎn)變?yōu)樘内厔?shì)，直至開挖至地下深度-16.0 m，抬升停止，此時(shí)累計(jì)抬升量為1.29 mm。基坑繼續(xù)開挖至坑底，兩條地鐵隧道再次下沉，相較于未開挖基坑時(shí)，最大豎向位移為1.36 mm。

圖4 各工況地鐵隧道最大豎向及水平位移Fig.4 Maximum Vertical and Horizontal Displacement of Tunnel Structures in Different Working Conditions

4.1.3 地鐵隧道水平位移分析

地鐵隧道在施工支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移分析表明，離基坑較近的地鐵隧道受到基坑開挖的影響更為明顯，且主要影響區(qū)域主要集中在基坑開挖范圍，隨著開挖深度的增加，其影響范圍也隨之?dāng)U大。

各工況下14 號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)水平位移最大值如圖4?所示?？芍娱_挖對(duì)兩條地鐵隧道產(chǎn)生影響，且在每個(gè)開挖工況時(shí)，隧道水平位移均明顯增加，當(dāng)基坑開挖到基坑底部時(shí)，地鐵隧道緊鄰基坑側(cè)的右線達(dá)到最大水平位移值為7.09 mm，向基坑方向變形。各工況下地鐵隧道結(jié)構(gòu)的沉降量均小于10 mm，滿足地鐵保護(hù)規(guī)定。

4.2 基坑開挖對(duì)地鐵車站影響

在基坑開挖過(guò)程中，除地鐵隧道結(jié)構(gòu)外，既有地鐵車站主體和附屬結(jié)構(gòu)也會(huì)受到影響，產(chǎn)生豎向和水平方向的位移。各工況下地鐵車站主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)的位移如圖5所示。由圖5可知，對(duì)于車站主體結(jié)構(gòu)，主要發(fā)生向基坑方向的水平變形，在工況10（開挖至坑底）時(shí)，變形最明顯，為6.52 mm，同時(shí)車站主體結(jié)構(gòu)在豎向發(fā)生下沉變形，沉降量較小，最大沉降量為1.39 mm。對(duì)于車站附屬結(jié)構(gòu)，在工況7（基坑降水至-20.0 m）前發(fā)生遠(yuǎn)離基坑方向的水平變形和豎向下沉變形，在工況7后結(jié)構(gòu)位移方向改變，為水平向基坑方向變形和豎向抬升變形，水平變形更明顯，最大變形為8.15 mm，豎向最大抬升量為4.63 mm。

圖5 各工況車站主體結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)最大位移Fig.5 Maximum Displacement of Station Main Structures and Accessory Structures in Different Working Conditions

4.3 基坑回填對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)影響分析

基坑施工完成、考慮回填基坑完成及地下水位回復(fù)后，基坑周邊及坑底土體會(huì)一定程度上被回填土及地下室結(jié)構(gòu)荷載逐漸壓實(shí)，如表4所示，由于水位下降引起的隧道、車站及附屬結(jié)構(gòu)沉降變形也將消失，計(jì)算表明隧道、車站及附屬結(jié)構(gòu)沉降變形整體上仍有一定的變形難以在短時(shí)間內(nèi)完全恢復(fù)，該工況條件的隧道結(jié)構(gòu)沉降計(jì)算值為0.87 mm、水平變形計(jì)算值為3.88 mm；車站主體結(jié)構(gòu)沉降計(jì)算值為0.42 mm、水平變形計(jì)算值為3.24 mm，均可滿足10 mm的保護(hù)要求。

5 結(jié)論與建議

⑴該基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道、車站主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力均有一定影響，但是影響程度較小，在規(guī)范要求范圍之內(nèi)。沉降和位移值隨著開挖深度加深逐漸變大。

⑵根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于鄰近地鐵隧道的基坑不同區(qū)段采取不同的支護(hù)方式，靠近地鐵隧道側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)方式能夠有效抑制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，有效降低基坑開挖施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不利影響。

⑶基坑開挖完成后進(jìn)行基坑回填施工，考慮地下水位恢復(fù)和基坑周邊土體一定程度上被壓實(shí)，部分水位下降等引起的隧道、車站及附屬結(jié)構(gòu)沉降變形也將恢復(fù)，但是仍有一定變形難以短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。

⑷各條件下地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力，由以上分析結(jié)果綜合判斷，認(rèn)為擬建基坑開挖期間與項(xiàng)目建成后不危及地鐵14號(hào)線隧道、車站主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)的安全，不影響地鐵后期的運(yùn)營(yíng)。