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摘要：文中以實際工程為案例，采用數(shù)值模擬方法分析了深基坑施工后圍護結(jié)構(gòu)變形、地表沉降及對既有隧道的影響。

關(guān)鍵詞：深基坑施工；明挖順作法；城市地鐵；隧道工程

1研究背景

廣州地鐵11號線火車站站為地下六層28m寬島式站臺車站，全長278.035m，標準段寬為38.9m，總建筑面積44804m2，標準段基坑開挖深度約為43m，開挖寬度為38.9mn。車站分七個階段施工，其中第三階段施工區(qū)域B區(qū)（6層，長69.05m，寬21.6m，深43m）位于火車站站南側(cè)，擬采用明挖法施工，圍護結(jié)構(gòu)直徑1.2m@1.4m旋挖灌注樁及直徑0.6m@1.4m旋噴樁止水帷幕加鋼筋混凝土內(nèi)支撐。基坑側(cè)穿既有地鐵5號線區(qū)間隧道，最小凈距為3.75m，見圖1所示。廣州火車站所處地面為廣州火車站廣場，地形較平坦，站址所處地段為微丘臺地，東臨越秀山。車站主體結(jié)構(gòu)穿過人工填土層、沖積-洪積砂層、沖積-洪積土層、河湖相淤泥質(zhì)土層、殘積土層、巖石全風(fēng)化帶、巖石強風(fēng)化帶、巖石中風(fēng)化帶、巖石微風(fēng)化帶，如圖2所示。土層參數(shù)見表1。車站南站廳采用明挖順作法施工，圍護結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁+旋噴樁，支撐形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土。基坑開挖總體施工步驟：圍護結(jié)構(gòu)→圍護結(jié)構(gòu)滲漏水檢測處理→分層進行基坑開挖→分層施工混凝土支撐→分段施工底板和車站主體結(jié)構(gòu)。基坑剖面采用豎向分層開挖方法，以支撐豎向間距作為分層厚度，分層的原則是每道混凝土支撐下10cm，不得超挖。豎向開挖隨挖隨撐，間隔時間不超過1天，南站廳第一層開挖厚度10.15m，第二層開挖厚度8.5m，第三層開挖厚度7m，第四層開挖厚度6m，第五層開挖厚度6.68m，第六層開挖厚度7m。本文以廣州地鐵11號線火車站站南側(cè)基坑工程（B區(qū)）為依托，采用數(shù)值模擬方法分析了深基坑施工后地表沉降及對既有隧道的影響。

2基坑開挖對既有隧道的影響及控制標準分析

基坑開挖后使得土體卸載，引發(fā)地層應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)變形、地表沉降和坑底隆起。坑內(nèi)土體開挖后，由于開挖導(dǎo)致的卸載作用使得基坑底部發(fā)生回彈變形，表現(xiàn)為坑底隆起；圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)原有的相對平衡的土壓力被打破，是的圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生朝向基坑內(nèi)的變形，周邊土層也因此發(fā)生變形、位移，表現(xiàn)為圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形和地表土體的沉降。基坑周邊既有建構(gòu)筑物、管線通過以上三種變形而受到間接影響影響基坑施工對環(huán)境影響的主要因素主要包括：（1）基坑施工規(guī)模。基坑施工規(guī)模主要指代基坑開挖深度、基坑尺寸和面積。通常情況下，基坑引發(fā)的環(huán)境效應(yīng)與基坑規(guī)模正相關(guān)。基坑開挖深度、基坑尺寸、面積越大，基坑施工對環(huán)境的影響越劇烈，表現(xiàn)為地表沉降的變大、圍護結(jié)構(gòu)變形的增加，坑底隆起量的增大［1］；（2）圍護結(jié)構(gòu)形式及規(guī)模.基坑施工引發(fā)的地表沉降往往與圍護結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，圍護結(jié)構(gòu)剛度越大、底端如土深度越深，抵抗變形的能力越強，整體穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性也越強［2］；（3）水文及地質(zhì)狀況。基坑開挖卸荷后圍護結(jié)構(gòu)所受土壓力根本取決于水文及地質(zhì)狀況。地下水位越高，地質(zhì)狀況越差，基坑開挖后圍護結(jié)構(gòu)變形越大、地表沉降越大，周圍環(huán)境受應(yīng)也越大；（4）基坑施工方案合理性。開挖前是否采取了有效的降水措施，是否采用分部開挖，內(nèi)支撐設(shè)置是否及時、可靠，開挖時是否超挖等施工方案的細節(jié)都對基坑的變形有較大影響。合理有效的降水措施能減小圍護結(jié)構(gòu)所受土壓力，還能通過排水提高土體密實度，提高土體骨架有效應(yīng)力，增大土體強度；合理的分部開挖方案能降低開挖對土體的擾動，減小因開挖導(dǎo)致的土體變形；及時可靠的內(nèi)支撐則能減小圍護結(jié)構(gòu)變形，甚至對圍護結(jié)構(gòu)變形模式有一定影響；超挖則會加大開挖造成的擾動，增大土體及圍護結(jié)構(gòu)變形；（5）周邊超載。基坑周邊超載會影響地表沉降和圍護結(jié)構(gòu)變形，超載過大或?qū)е聡o結(jié)構(gòu)墻后土體產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致地表產(chǎn)生較大沉降，圍護結(jié)構(gòu)變形增大，影響到周邊既有建構(gòu)筑物。基坑開挖以后，根據(jù)基坑開挖深度、圍護結(jié)構(gòu)剛度、支撐是否及時等因素圍護結(jié)構(gòu)的變形可分為三種情況：懸臂式變形、拋物線式變形、組合式變形。當(dāng)基坑開挖深度不深，支撐剛度較小或未及時設(shè)置支撐導(dǎo)致施工初期即出現(xiàn)較大圍護體變形時易出現(xiàn)這種變形，此時圍護結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在頂部，變形隨深度的增加而減小；當(dāng)基坑開挖深度較大，且內(nèi)支撐具有一定剛度情況下，圍護結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)鼓肚式變形，最大變形出現(xiàn)在圍護結(jié)構(gòu)下側(cè)約1/3位置處；組合式變形則介于鼓肚式和懸臂式變形之間。基坑周邊地表沉降變形形式包括：三角形式、凹槽形、梯形等幾種。且周邊沉降形式與圍護結(jié)構(gòu)變形形式有一定的關(guān)系。通常當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)變形形狀為懸臂式時，地表常發(fā)生三角形式變形；圍護結(jié)構(gòu)變形形狀為鼓肚形時，地表變形常表現(xiàn)為凹槽形；圍護結(jié)構(gòu)為組合形狀時，地表變形常表現(xiàn)為梯形。在基坑施工中應(yīng)嚴格控制開挖引起的地表變形、既有隧道變形、圍護結(jié)構(gòu)變形。基坑的變形量控制標準與基坑變形控制保護等級密切相關(guān)。在基坑工程手冊中對地鐵隧道容許變形量規(guī)定為：結(jié)構(gòu)最大位移不能超過20mm，隧道變形曲率半徑不應(yīng)大于15000m，相對彎曲不應(yīng)超過1/2500［3］。結(jié)合附近已有相關(guān)工程狀況和相關(guān)規(guī)范，本工程制定了如下變形控制標準：（1）地面最大沉降量≤0.15%H=0.15%×43m=64.5mm，且≤30mm，即本工程中地表最大沉降應(yīng)≤30mm；（2）圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.25%H=0.25%×43m，且≤30mm，即本工程中圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移應(yīng)≤30mm；（3）既有隧道結(jié)構(gòu)最大位移≤20mm。

3數(shù)值模擬分析

3.1計算模型和計算參數(shù)。為分析基坑施工對既有隧道和地表影響，采用有限差分數(shù)值分析軟件Flac3D建立了三維模型。計算模型的尺寸主要考慮計算模型的邊界效應(yīng)影響，相關(guān)研究表明水平方向基坑開挖的影響范圍在4H（H為開挖深度）范圍內(nèi)，縱向影響范圍在2H以內(nèi)［4-5］。基于此，本文取模型尺寸為x向264m，y向300m，z向120m，以滿足分析要求。模型上表面為地表，為自由邊界，無約束。左右及前后側(cè)面為相應(yīng)垂直該面的水平約束（即左右邊界：x方向水平約束Ux=0；前后邊界：y方向水平約束Uy=0），模型底面為固定邊界（z方向豎直方向約束Uz=0）。采用3D實體單元模擬地層、管片和基坑圍護樁，地層采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則。考慮到管片環(huán)向接頭、螺栓連接等因素對剛度產(chǎn)生折損的影響，取橫向剛度折減系數(shù)0.75（即E=0.75Ec50）。基坑圍護結(jié)構(gòu)采用直徑1.2m@1.4m旋挖灌注樁及直徑0.6m@1.4m旋噴樁止水帷幕。旋挖灌注樁施工過程中對施工質(zhì)量控制較好，整體性較強。旋挖灌注樁主要承受周邊土體壓力產(chǎn)生剪力和彎矩，因此基于剛度等效原則采用地下連續(xù)墻模擬旋挖灌注樁，結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表2所示。模擬經(jīng)歷以下過程：（1）生成初始地應(yīng)力場，并將初始位移場和速度場清零；（2）既有隧道施工，為盡可能減小兩隧道施工相互影響，模擬時兩隧道掌子面距離大于50m，施工完畢后，清零位移場和速度場；（3）按照基坑施工工序模擬。

3.2計算結(jié)果及分析。圖3為設(shè)計工況下靠近既有隧道一側(cè)圍護結(jié)構(gòu)中部基坑開挖各個階段圍護結(jié)構(gòu)變形圖。由圖可知，隨著基坑的不斷開挖，圍護結(jié)構(gòu)變形范圍不斷擴大，最大變形也不斷擴大。這是由于隨著隧道的開挖圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)土壓力差差異不斷變大而造成的。注意到第1層開挖后，圍護結(jié)構(gòu)變形接近于0無明顯變形，這是因為第一層開挖深度只有0.5m，開挖完成后立即上內(nèi)支撐，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形較小。圖4為基坑全部開挖完成后的地表沉降。由圖可知，開挖完成后基坑周邊土體均為沉降狀態(tài)，最大沉降出現(xiàn)在遠離既有隧道一側(cè)土體圍護結(jié)構(gòu)中部附近，達18.7mm。靠近既有隧道一側(cè)地表沉降小于遠離既有隧道一側(cè)地表沉降。這是由于既有隧道管片剛度較大，在土體中相當(dāng)于一縱向梁，承載了土體的變形，阻礙了土體的沉降變形。圖5為基坑全部開挖完成后的既有隧道變形云圖。由圖可知，基坑開挖完成后距離基坑距離越近，隧道所受影響越大。隧道主要變形區(qū)集中在基坑兩端側(cè)墻范圍內(nèi)，最大豎向變形（沉降）發(fā)生在距離隧道較近的基坑中部、隧道拱頂位置，達到13mm。隧道隆起較小。另外，基坑開挖完成后隧道整體具有朝向基坑內(nèi)側(cè)位移的趨勢，但不明顯。靠近基坑既有隧道變形大于遠離基坑既有隧道變形，為1.2mm，出現(xiàn)在基坑中部拱腰位置附近。最大變形符合本工程控制標準要求，施工安全能得到保障。

4結(jié)論

本文以廣州地鐵11號線火車站站南側(cè)基坑工程為依托，在基坑開挖對既有隧道的影響及控制標準的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法模擬了深基坑施工后圍護結(jié)構(gòu)變形、地表沉降及對既有隧道的影響。計算結(jié)果表明，各項指標滿足本工程控制標準要求，施工安全能得到保障。

作者:熊志富 陳乾陽 張飛 陳壽根 單位:中鐵二局第四工程有限公司 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院