程玉蘭 王毅紅

(1.新疆建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，830026,烏魯木齊；2.長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，710061,西安//第一作者，副教授)

在既有地鐵車站附近新建軟土深基坑工程時(shí)，既有車站會(huì)使基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地層變形受到不同程度的影響，新建基坑的開(kāi)挖也會(huì)使既有車站周邊土體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，使車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形，影響車站結(jié)構(gòu)安全，甚至影響地鐵列車正常運(yùn)行[1-2]。然而，文獻(xiàn)[3-9]等諸多研究大多采用摩爾-庫(kù)倫模型模擬地層土并忽略地下水的影響，未能同時(shí)考慮軟土的特殊變形特性以及基坑降水產(chǎn)生的滲流作用；而且，這些研究著重關(guān)注于新建基坑開(kāi)挖對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)的安全威脅，而忽視了既有車站對(duì)新建基坑變形的不利影響。本文以深圳地鐵5號(hào)線前海灣站軟土深基坑工程為背景，采用修正劍橋模型來(lái)模擬軟土，考慮流固耦合作用，研究了基坑樁體位移、地表沉降、支撐軸力，以及車站結(jié)構(gòu)位移在不同工況條件下的變化規(guī)律。

1 工程概況

新建的深圳地鐵5號(hào)線前海灣站位于既有的深圳地鐵1號(hào)線鯉魚(yú)門站西側(cè)6 m左右，兩站并行。車站標(biāo)準(zhǔn)段外包橫斷面尺寸為21.20 m×13.54 m(寬×高)，兩站并行頂板覆土厚度約3.50 m。為滿足兩線間聯(lián)絡(luò)線的設(shè)置要求，新建車站與既有車站的軌面高程應(yīng)保持一致，兩站的站廳地面標(biāo)高也應(yīng)接近。

前海灣站(新建車站)周圍空曠，施工前無(wú)地下管線和道路分布。該站基坑采用明挖法施工，基坑開(kāi)挖深度約為16.59 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200 mm@1 350 mm套管鉆孔咬合樁(25 m深)+φ609 mm壁厚16 mm的鋼支撐形式，鋼支撐由上至下設(shè)置3道，分別位于地下0.50 m、6.60 m及12.35 m處?；訄?chǎng)地范圍內(nèi)，由上至下分別為人工填土、海積淤泥、粉質(zhì)黏土、粗砂、砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖和中分化花崗巖；地下水以孔隙潛水和基巖裂隙水為主，水位面位于地下1 m左右。

2 仿真模型

2.1 仿真模型建立

根據(jù)實(shí)際工程情況，取前海灣站標(biāo)準(zhǔn)段24 m長(zhǎng)基坑進(jìn)行模擬開(kāi)挖的仿真分析。采用FLAC3D軟件建立軟土深基坑開(kāi)挖的仿真模型，如圖1所示。模型中，鯉魚(yú)門站圍護(hù)結(jié)構(gòu)深23.00 m厚1.20 m，邊墻厚0.80 m、高12.94 m，柱子寬0.70 m、長(zhǎng)1.00 m,頂板厚度1.00 m,中板厚0.40 m,底板厚1.10 m。整個(gè)模型長(zhǎng)203.15 m，寬24.00 m，高60.00 m，共含386 282個(gè)節(jié)點(diǎn)和364 900個(gè)單元。

圖1 軟土深基坑開(kāi)挖的仿真模型

模型邊界條件為頂面自由，底面固定，四周法向約束。設(shè)場(chǎng)地面標(biāo)高為±0.00,基坑開(kāi)挖由上至下共分4步開(kāi)挖完成：第1步開(kāi)挖至-1.80 m，設(shè)置第1道鋼支撐；第2步開(kāi)挖至-7.60 m，設(shè)置第2道鋼支撐；第3步開(kāi)挖至-13.35 m，設(shè)置第3道鋼支撐；第4步開(kāi)挖至基坑底位置，為-16.59 m處。基坑在每步開(kāi)挖前均需進(jìn)行坑內(nèi)降水，且降水后的坑內(nèi)水位均位于每步相應(yīng)開(kāi)挖坑底下方1 m左右處。

2.2 仿真模型的計(jì)算參數(shù)

考慮流固耦合作用，在基坑開(kāi)挖前，仿真模型對(duì)兩側(cè)還施加了定水頭壓力邊界條件，靜水水位位于地下1 m處。將既有車站主體結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)均設(shè)置為不透水模型，打開(kāi)滲流模型，使地下水位場(chǎng)保持平衡?；娱_(kāi)挖過(guò)程中，將新建基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為不透水模型。在每步開(kāi)挖前，先進(jìn)行坑內(nèi)預(yù)先降水，并將坑內(nèi)降水深度之上的土體水壓力設(shè)置為0，再進(jìn)行流固耦合分析。

此外，為準(zhǔn)確反映場(chǎng)地內(nèi)軟土地層的變形特性，采用修正劍橋模型來(lái)模擬人工填土、海積淤泥以及粉質(zhì)黏土等3種軟土，采用摩爾-庫(kù)倫模型來(lái)模擬其他地層土。根據(jù)《前海灣站詳勘階段巖土工程勘察報(bào)告》巖土物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表，各土層的物理力學(xué)參數(shù)取值如表1和表2所示。采用彈性單元來(lái)模擬基坑樁體及鯉魚(yú)門站主體結(jié)構(gòu)，其彈性模量和泊松比分別為30 GPa和0.25。

表1 軟土的修正劍橋模型參數(shù)

表2 非軟土的摩爾-庫(kù)倫模型參數(shù)

基坑開(kāi)挖后,隨著基坑內(nèi)水位的降低，基坑兩側(cè)的地下水將繞過(guò)圍護(hù)樁向坑內(nèi)發(fā)生滲流，從而產(chǎn)生滲流壓力，對(duì)基坑變形造成影響。然而，既有地鐵車站的存在，阻止了基坑外側(cè)水向坑內(nèi)的流動(dòng)，因此，既有車站一側(cè)地下水的滲流速度要明顯小于另一側(cè)，有利于該側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。本文以下分析中，基坑每步開(kāi)挖的結(jié)果都已包含了地下水的滲流作用影響，因此，不再對(duì)滲流作用下既有車站和新建基坑的變形作單獨(dú)分析。

2.3 仿真設(shè)計(jì)工況

工況1：深基坑周邊不存在既有鯉魚(yú)門車站。

工況2：為實(shí)際工程情況，前海灣站軟土深基坑與鯉魚(yú)門站間隔距離為6 m。

工況3：深基坑與鯉魚(yú)門站結(jié)構(gòu)的間距為2 m。

工況4：深基坑與鯉魚(yú)門站結(jié)構(gòu)的間距為10 m。

工況5：深基坑與鯉魚(yú)門站結(jié)構(gòu)的間距為18 m。

工況6：深基坑與鯉魚(yú)門站結(jié)構(gòu)的間距為30 m。

2.4 仿真模型的正確性驗(yàn)算

由圖2所示的基坑第3步開(kāi)挖結(jié)束后基坑變形仿真值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比曲線?？梢?jiàn)，樁體位移仿真值和地表沉降仿真值均與實(shí)測(cè)值相近，而且仿真值沿深度或在地面上的分布規(guī)律也與實(shí)測(cè)值保持一致。由此可見(jiàn)，本文建立的軟土深基坑開(kāi)挖仿真模型能較好地反映既有車站與新挖基坑的力學(xué)響應(yīng)特征，具有較高的參考價(jià)值。

圖2 基坑變形仿真值與實(shí)測(cè)值的比較

3 仿真結(jié)果分析

3.1 既有車站對(duì)基坑開(kāi)挖變形的影響

為研究既有鯉魚(yú)門站對(duì)前海灣站軟土深基坑變形的影響，將工況1和工況2的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3～5所示。

3.1.1 樁體位移

圖3給出了工況1和工況2下基坑鉆孔樁在不同開(kāi)挖步下的位移分布曲線。

圖3 不同工況不同基坑開(kāi)挖步下的樁體變形曲線

1) 工況1:基坑周邊不存在既有地鐵車站，基坑兩側(cè)鉆孔樁在不同開(kāi)挖步下的位移分布基本一致。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，兩側(cè)樁體位移都逐漸增大，樁體最大位移位置逐漸下移并最終出現(xiàn)在-15 m處?；觾蓚?cè)樁體位移在第2步和第4步開(kāi)挖時(shí)增長(zhǎng)幅度較大，當(dāng)基坑開(kāi)挖至基底位置時(shí)，兩側(cè)樁體最大位移約為20.8 mm。

2) 工況2：基坑一側(cè)存在既有地鐵車站，由于既有地鐵車站剛度大，且空間尺寸較大，對(duì)周邊土體存在“遮攔”效應(yīng)，限制了基坑一側(cè)的土體應(yīng)力位移及孔隙水的補(bǔ)充傳遞，導(dǎo)致基坑兩側(cè)樁體位移在不同開(kāi)挖階段均呈現(xiàn)非對(duì)稱變形。其中，靠近地鐵車站一側(cè)的樁體位移要比工況2的小約30%～50%，而遠(yuǎn)離地鐵車站一側(cè)的樁體位移則要比工況2的大約20%。

由工況1和工況2的仿真結(jié)果比較，可見(jiàn)從圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形方面考慮，既有地鐵車站的存在對(duì)基坑安全控制不利。

3.1.2 地表沉降

圖4為工況1和工況2基坑兩側(cè)地表在不同開(kāi)挖步下的豎向位移曲線。

圖4 不同開(kāi)挖步下基坑兩側(cè)的地表豎向位移曲線

1) 工況1：基坑周邊不存在既有地鐵車站，基坑兩側(cè)地表豎向位移呈對(duì)稱分布。隨著基坑開(kāi)挖，坑內(nèi)降水深度逐漸增加，基坑兩側(cè)地表沉降量及沉降范圍都逐漸增大。當(dāng)開(kāi)挖至基坑設(shè)計(jì)坑底時(shí)，受基坑降水影響，基坑兩側(cè)的地表沉降受影響范圍達(dá)50 m。最大地表沉降值為14.7 mm，出現(xiàn)在距圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣約8 m處。

2) 工況2：當(dāng)基坑一側(cè)存在既有地鐵車站時(shí)，一方面，由于既有站有“遮攔”作用，基坑兩側(cè)樁體位移分布差別較大，相應(yīng)的樁后土體因水平移動(dòng)而產(chǎn)生的沉降量也存在區(qū)別；另一方面，坑內(nèi)土體挖除會(huì)使基坑底部及其附近的土體產(chǎn)生一定的隆起，進(jìn)而鄰近地鐵車站結(jié)構(gòu)和上覆土層也出現(xiàn)隆起現(xiàn)象?？梢?jiàn)，工況2下，基坑兩側(cè)地表的豎向位移分布規(guī)律存在較大的差異?？拷庺~(yú)門站一側(cè)：在鯉魚(yú)門站與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的基坑地表雖表現(xiàn)為沉降，但其沉降值相對(duì)較小，且隨基坑開(kāi)挖深度增加而逐漸減?。辉邗庺~(yú)門站區(qū)域范圍內(nèi)的基坑地表則表現(xiàn)為隆起，且隆起值隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而減小；在鯉魚(yú)門站區(qū)域外的基坑地表表現(xiàn)為沉降，該沉降值受開(kāi)挖及降水深度的影響，越靠近鯉魚(yú)門站的地表沉降值越大。與工況1相比，基坑遠(yuǎn)離鯉魚(yú)門車站的一側(cè)地表沉降分布規(guī)律大體一致，但其沉降值和影響范圍大了約25%。

3.1.3 基底隆起

工況1與工況2下軟土基坑底部的隆起曲線如圖5所示。一般而言，基坑底部隆起值主要由當(dāng)前坑底位置土層性質(zhì)決定，并受當(dāng)前開(kāi)挖深度影響。對(duì)于本工程，第2步開(kāi)挖完成后的坑底位置土層為海積淤泥軟土。經(jīng)分析可知，第2步開(kāi)挖完成后的基底土體隆起值最大，達(dá)76.1 mm。因此，應(yīng)在基坑開(kāi)挖前設(shè)置抗拔樁，以保證基底的安全。對(duì)比工況1與工況2的仿真結(jié)果可知，既有車站增大了基坑單側(cè)土體的剛度，減小了坑外土體繞過(guò)鉆孔樁后往坑內(nèi)的移動(dòng)，有助于減小坑底回彈，但因作用有限，其對(duì)坑底隆起影響較小。

圖5 不同開(kāi)挖步下基坑底部隆起曲線

3.2 車站與基坑間隔距離對(duì)基坑變形的影響

為研究車站與基坑間隔距離對(duì)基坑變形的影響，對(duì)比工況2～6的仿真結(jié)果，如圖8～10所示。

3.2.1 樁體水平位移

圖6所示的基坑兩側(cè)樁體在基坑開(kāi)挖完成后的水平位移由曲線可見(jiàn)，各工況下的基坑兩側(cè)鉆孔樁水平位移均沿樁深方向呈“弓形”分布，且在-14 m處最大。隨著車站與基坑間距的增大，靠近車站一側(cè)的樁體水平位移，在-6 m以上范圍內(nèi)先減小后增大，在-6 m以下范圍內(nèi)逐漸增大，在-18 ～-10 m范圍的變化最為明顯。遠(yuǎn)離車站一側(cè)的樁體水平位移變化規(guī)律則恰恰相反：其樁體位移在-6 m以上先增大后減小，在-6 m以下范圍內(nèi)逐漸減小。

圖6 車站與基坑間距不同時(shí)的基坑樁體水平位移曲線

從樁體水平位移變化幅度上看，車站與基坑間距對(duì)樁體水平位移的影響，在靠近車站一側(cè)要比在遠(yuǎn)離車站一側(cè)大得多。靠近車站一側(cè)的樁體最大水平位移同鯉魚(yú)門站距基坑距離呈“指數(shù)衰減式”負(fù)相關(guān)關(guān)系，遠(yuǎn)離鯉魚(yú)門站一側(cè)的樁體最大水平位移則同車站距基坑距離呈“指數(shù)衰減式”正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)車站距基坑距離達(dá)25 m以上時(shí)，既有車站對(duì)新建基坑樁體變形的影響可忽略不計(jì)。

3.2.2 地表豎向位移

圖7為車站與基坑間距不同時(shí)基坑兩側(cè)地表的沉降曲線。由圖7可知，隨著車站與基坑間距的增大，靠近既有車站一側(cè)，在車站與基坑之間的土體地表豎向位移和范圍將逐漸增大，并最終基本保持穩(wěn)定，在既有車站范圍內(nèi)的土體隆起值則大體保持一致，約為2～4 mm；在既有車站外，土體沉降值和沉降范圍則逐漸減小，最終基本為0。在遠(yuǎn)離鯉魚(yú)門站的一側(cè)，隨著車站與基坑間距的增大，地表沉降量和影響范圍略有減小。

可見(jiàn)，車站與基坑的間距主要影響車站與基坑之間的土體沉降。且該處地表最大沉降值與車站與基坑間距呈“指數(shù)衰減”關(guān)系。當(dāng)車站與基坑間距大于10 m時(shí)，地表最大沉降值基本不變。

圖7 車站與基坑間隔距離不同時(shí)基坑地表的豎向位移曲線

3.2.3 支撐軸力

車站與基坑間距不同時(shí)，基坑各道鋼支撐的軸力如圖8所示。與工況2相比，工況6時(shí)第2道和第3道鋼支撐軸力值呈“指數(shù)衰減式”增大，軸力值增大了80～100 kN；而第1道支撐的軸力值呈“指數(shù)衰減式”減小，減小幅度約為53 kN。當(dāng)車站與基坑間距大于10 m時(shí)，車站與基坑間距對(duì)基坑鋼支撐軸力的影響可以忽略不計(jì)。

圖8 車站與基坑間隔距離不同時(shí)基坑鋼支撐軸力圖

3.3 基坑開(kāi)挖對(duì)鯉魚(yú)門站變形的影響

3.3.1 基坑不同開(kāi)挖步的影響

圖9為實(shí)際基坑分步開(kāi)挖過(guò)程中鯉魚(yú)門站主體結(jié)構(gòu)的位移變化曲線。

由圖9a)可見(jiàn)，基坑不同開(kāi)挖步下，鯉魚(yú)門站兩邊側(cè)墻的水平位移分布都基本相同。這意味著，5號(hào)線前海灣站深基坑開(kāi)挖對(duì)臨近鯉魚(yú)門站結(jié)構(gòu)橫向變形的影響主要表現(xiàn)為水平方向的剛性移動(dòng)。鯉魚(yú)門站整體水平位移與基坑開(kāi)挖深度近似呈線性正相關(guān)關(guān)系。由圖9b)可知，基坑內(nèi)土體的挖除會(huì)導(dǎo)致鯉魚(yú)門站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻隆起。隆起值在靠近基坑一側(cè)較大，在遠(yuǎn)離基坑一側(cè)較小。

圖9 基坑開(kāi)挖過(guò)程中鯉魚(yú)門站主體結(jié)構(gòu)位移變化曲線

此外，由于鯉魚(yú)門站結(jié)構(gòu)的豎向位移受到邊墻外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的約束作用，因此其在兩側(cè)的隆起值要小于中間。該站結(jié)構(gòu)最大隆起值約為3.3 mm，且最終將出現(xiàn)在車站中心靠近基坑方向約3 m處?？梢哉J(rèn)為，5號(hào)線前海灣站深基坑開(kāi)挖對(duì)鯉魚(yú)門站結(jié)構(gòu)豎向變形的影響主要表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)的抬動(dòng)。

圖10為基坑不同開(kāi)挖步下車站主體結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)最大內(nèi)力值的變化曲線?；拥?步開(kāi)挖完成后，鯉魚(yú)門站受結(jié)構(gòu)自重及周圍水土壓力的影響，其最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在車站頂板兩側(cè)跨中(A3、A4)及底板兩側(cè)墻腳外側(cè)(A1、A2)處，其仿真值為0.96 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中柱柱頂(B1、B2)、柱腳(B3、B4)及兩側(cè)墻腳(B5、B6)內(nèi)側(cè)位置，其仿真值為1.02 MPa；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在下層中柱的柱間位置(C1、C2)，其仿真值為4.20 MPa。隨著基坑開(kāi)挖，鯉魚(yú)門站各組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。當(dāng)基坑開(kāi)挖完成后，最大拉應(yīng)力增至1.61 MPa，并出現(xiàn)在A1點(diǎn)位置；最大壓應(yīng)力減至0.94 MPa，其出現(xiàn)位置與第1步開(kāi)挖完成時(shí)相同；最大剪應(yīng)力增至4.35 MPa，其出現(xiàn)位置也基本不變。從結(jié)構(gòu)受力變化角度上說(shuō)，新建基坑主要對(duì)既有車站遠(yuǎn)離基坑一側(cè)的結(jié)構(gòu)有不良影響。

圖10 基坑不同開(kāi)挖步下車站主體結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力值

3.3.2 基坑與鯉魚(yú)門站間距不同的影響

基坑與鯉魚(yú)門站間距不同時(shí)，鯉魚(yú)門站結(jié)構(gòu)邊墻和頂板的位移變化曲線如圖11所示。當(dāng)基坑距車站距離較小時(shí)，車站靠近基坑一側(cè)邊墻的水平位移，上部明顯小于下部；而車站頂板的豎向位移，靠近基坑一側(cè)明顯大于另一側(cè)。這說(shuō)明，鯉魚(yú)門站結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖作用下發(fā)生了明顯的剛性移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)變形，而且隨著基坑距車站距離的增大，鯉魚(yú)門站的結(jié)構(gòu)水平位移和豎向位移逐漸減小，偏轉(zhuǎn)變形量也逐漸變小，這意味著整個(gè)車站結(jié)構(gòu)也越來(lái)越穩(wěn)定。經(jīng)分析，車站結(jié)構(gòu)最大位移與基坑距車站距離呈指數(shù)衰減關(guān)系，當(dāng)基坑距車站距離達(dá)20 m以上時(shí)，車站結(jié)構(gòu)水平位移和豎向位移基本不受基坑開(kāi)挖影響。

圖12為基坑與鯉魚(yú)門站間距不同時(shí)的車站主體結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力值變化曲線。隨著基坑與鯉魚(yú)門站間距的增大，車站主體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值逐漸減小，最大壓應(yīng)力值逐漸增大，而最大剪應(yīng)力則基本不變。當(dāng)基坑與車站間隔距離大于18 m時(shí)，基坑與車站的相互影響效應(yīng)可以忽略不計(jì)，此時(shí)，車站結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及剪應(yīng)力與間隔距離2 m時(shí)相比，分別減小了33.0%、-11.0%和0.5%。

圖11 基坑與車站間隔距離不同時(shí)車站結(jié)構(gòu)位移變化曲線

圖12 基坑與車站間距不同時(shí)的車站結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力

4 結(jié)論

1) 既有鯉魚(yú)門站使得基坑兩側(cè)樁體位移在不同開(kāi)挖階段均呈現(xiàn)非對(duì)稱變形。靠近鯉魚(yú)門站一側(cè)的樁體位移，工況2要比工況1小約30%～50%，而另一側(cè)則大了約20%。

2) 基坑開(kāi)挖過(guò)程中，在鯉魚(yú)門站區(qū)域內(nèi)的土體地表隆起，在其余區(qū)域的土體地表則沉降。隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，既有站區(qū)域范圍內(nèi)的地表隆起值也不斷增大。

3) 由工況2～6的仿真結(jié)果比較可知：隨著既有車站與基坑間距的增大，基坑兩側(cè)樁體最大位移呈“指數(shù)衰減式”變化；當(dāng)既有車站距基坑距離達(dá)25 m以上時(shí)，既有車站對(duì)新建基坑樁體變形的影響可以忽略不計(jì)。

4) 新建基坑開(kāi)挖對(duì)既有車站的影響主要表現(xiàn)為剛性水平位移及豎向位移。隨著基坑距既有車站距離的增大，既有車站結(jié)構(gòu)最大水平位移和豎向位移均呈“指數(shù)衰減式”減小。