軟土深基坑與鄰近地鐵車站相互變形影響分析*

程玉蘭 王毅紅

(1.新疆建設職業技術學院，830026,烏魯木齊；2.長安大學建筑工程學院，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，既有車站會使基坑圍護結構及地層變形受到不同程度的影響，新建基坑的開挖也會使既有車站周邊土體應力場發生改變，使車站結構產生附加應力和變形，影響車站結構安全，甚至影響地鐵列車正常運行[1-2]。然而，文獻[3-9]等諸多研究大多采用摩爾-庫倫模型模擬地層土并忽略地下水的影響，未能同時考慮軟土的特殊變形特性以及基坑降水產生的滲流作用；而且，這些研究著重關注于新建基坑開挖對既有車站結構的安全威脅，而忽視了既有車站對新建基坑變形的不利影響。本文以深圳地鐵5號線前海灣站軟土深基坑工程為背景，采用修正劍橋模型來模擬軟土，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，以及車站結構位移在不同工況條件下的變化規律。

1 工程概況

新建的深圳地鐵5號線前海灣站位于既有的深圳地鐵1號線鯉魚門站西側6 m左右，兩站并行。車站標準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。為滿足兩線間聯絡線的設置要求，新建車站與既有車站的軌面高程應保持一致，兩站的站廳地面標高也應接近。

前海灣站(新建車站)周圍空曠，施工前無地下管線和道路分布。該站基坑采用明挖法施工，基坑開挖深度約為16.59 m?；訃o結構采用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，鋼支撐由上至下設置3道，分別位于地下0.50 m、6.60 m及12.35 m處?；訄龅胤秶鷥?，由上至下分別為人工填土、海積淤泥、粉質黏土、粗砂、砂質黏土、全風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

根據實際工程情況，取前海灣站標準段24 m長基坑進行模擬開挖的仿真分析。采用FLAC3D軟件建立軟土深基坑開挖的仿真模型，如圖1所示。模型中，鯉魚門站圍護結構深23.00 m厚1.20 m，邊墻厚0.80 m、高12.94 m，柱子寬0.70 m、長1.00 m,頂板厚度1.00 m,中板厚0.40 m,底板厚1.10 m。整個模型長203.15 m，寬24.00 m，高60.00 m，共含386 282個節點和364 900個單元。

圖1 軟土深基坑開挖的仿真模型

模型邊界條件為頂面自由，底面固定，四周法向約束。設場地面標高為±0.00,基坑開挖由上至下共分4步開挖完成：第1步開挖至-1.80 m，設置第1道鋼支撐；第2步開挖至-7.60 m，設置第2道鋼支撐；第3步開挖至-13.35 m，設置第3道鋼支撐；第4步開挖至基坑底位置，為-16.59 m處?；釉诿坎介_挖前均需進行坑內降水，且降水后的坑內水位均位于每步相應開挖坑底下方1 m左右處。

2.2 仿真模型的計算參數

考慮流固耦合作用，在基坑開挖前，仿真模型對兩側還施加了定水頭壓力邊界條件，靜水水位位于地下1 m處。將既有車站主體結構和圍護結構均設置為不透水模型，打開滲流模型，使地下水位場保持平衡?；娱_挖過程中，將新建基坑圍護結構設置為不透水模型。在每步開挖前，先進行坑內預先降水，并將坑內降水深度之上的土體水壓力設置為0，再進行流固耦合分析。

此外，為準確反映場地內軟土地層的變形特性，采用修正劍橋模型來模擬人工填土、海積淤泥以及粉質黏土等3種軟土，采用摩爾-庫倫模型來模擬其他地層土。根據《前海灣站詳勘階段巖土工程勘察報告》巖土物理力學指標設計參數建議值表，各土層的物理力學參數取值如表1和表2所示。采用彈性單元來模擬基坑樁體及鯉魚門站主體結構，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

表2 非軟土的摩爾-庫倫模型參數

基坑開挖后,隨著基坑內水位的降低，基坑兩側的地下水將繞過圍護樁向坑內發生滲流，從而產生滲流壓力，對基坑變形造成影響。然而，既有地鐵車站的存在，阻止了基坑外側水向坑內的流動，因此，既有車站一側地下水的滲流速度要明顯小于另一側，有利于該側圍護結構的穩定。本文以下分析中，基坑每步開挖的結果都已包含了地下水的滲流作用影響，因此，不再對滲流作用下既有車站和新建基坑的變形作單獨分析。

2.3 仿真設計工況

工況1：深基坑周邊不存在既有鯉魚門車站。

工況2：為實際工程情況，前海灣站軟土深基坑與鯉魚門站間隔距離為6 m。

工況3：深基坑與鯉魚門站結構的間距為2 m。

工況4：深基坑與鯉魚門站結構的間距為10 m。

工況5：深基坑與鯉魚門站結構的間距為18 m。

工況6：深基坑與鯉魚門站結構的間距為30 m。

2.4 仿真模型的正確性驗算

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

圖2 基坑變形仿真值與實測值的比較

3 仿真結果分析

3.1 既有車站對基坑開挖變形的影響

為研究既有鯉魚門站對前海灣站軟土深基坑變形的影響，將工況1和工況2的仿真結果進行對比，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挖步下的位移分布曲線。

圖3 不同工況不同基坑開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，基坑兩側鉆孔樁在不同開挖步下的位移分布基本一致。隨著基坑開挖深度的增加，兩側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在-15 m處?；觾蓚葮扼w位移在第2步和第4步開挖時增長幅度較大，當基坑開挖至基底位置時，兩側樁體最大位移約為20.8 mm。

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

由工況1和工況2的仿真結果比較，可見從圍護結構變形方面考慮，既有地鐵車站的存在對基坑安全控制不利。

3.1.2 地表沉降

圖4為工況1和工況2基坑兩側地表在不同開挖步下的豎向位移曲線。

圖4 不同開挖步下基坑兩側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，基坑兩側地表豎向位移呈對稱分布。隨著基坑開挖，坑內降水深度逐漸增加，基坑兩側地表沉降量及沉降范圍都逐漸增大。當開挖至基坑設計坑底時，受基坑降水影響，基坑兩側的地表沉降受影響范圍達50 m。最大地表沉降值為14.7 mm，出現在距圍護結構邊緣約8 m處。

2) 工況2：當基坑一側存在既有地鐵車站時，一方面，由于既有站有“遮攔”作用，基坑兩側樁體位移分布差別較大，相應的樁后土體因水平移動而產生的沉降量也存在區別；另一方面，坑內土體挖除會使基坑底部及其附近的土體產生一定的隆起，進而鄰近地鐵車站結構和上覆土層也出現隆起現象?？梢?，工況2下，基坑兩側地表的豎向位移分布規律存在較大的差異?？拷庺~門站一側：在鯉魚門站與基坑圍護結構之間的基坑地表雖表現為沉降，但其沉降值相對較小，且隨基坑開挖深度增加而逐漸減??；在鯉魚門站區域范圍內的基坑地表則表現為隆起，且隆起值隨著基坑開挖深度的增加而減??；在鯉魚門站區域外的基坑地表表現為沉降，該沉降值受開挖及降水深度的影響，越靠近鯉魚門站的地表沉降值越大。與工況1相比，基坑遠離鯉魚門車站的一側地表沉降分布規律大體一致，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前坑底位置土層性質決定，并受當前開挖深度影響。對于本工程，第2步開挖完成后的坑底位置土層為海積淤泥軟土。經分析可知，第2步開挖完成后的基底土體隆起值最大，達76.1 mm。因此，應在基坑開挖前設置抗拔樁，以保證基底的安全。對比工況1與工況2的仿真結果可知，既有車站增大了基坑單側土體的剛度，減小了坑外土體繞過鉆孔樁后往坑內的移動，有助于減小坑底回彈，但因作用有限，其對坑底隆起影響較小。

圖5 不同開挖步下基坑底部隆起曲線

3.2 車站與基坑間隔距離對基坑變形的影響

為研究車站與基坑間隔距離對基坑變形的影響，對比工況2～6的仿真結果，如圖8～10所示。

3.2.1 樁體水平位移

圖6所示的基坑兩側樁體在基坑開挖完成后的水平位移由曲線可見，各工況下的基坑兩側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，靠近車站一側的樁體水平位移，在-6 m以上范圍內先減小后增大，在-6 m以下范圍內逐漸增大，在-18 ～-10 m范圍的變化最為明顯。遠離車站一側的樁體水平位移變化規律則恰恰相反：其樁體位移在-6 m以上先增大后減小，在-6 m以下范圍內逐漸減小。

圖6 車站與基坑間距不同時的基坑樁體水平位移曲線

從樁體水平位移變化幅度上看，車站與基坑間距對樁體水平位移的影響，在靠近車站一側要比在遠離車站一側大得多?？拷囌疽粋鹊臉扼w最大水平位移同鯉魚門站距基坑距離呈“指數衰減式”負相關關系，遠離鯉魚門站一側的樁體最大水平位移則同車站距基坑距離呈“指數衰減式”正相關關系。當車站距基坑距離達25 m以上時，既有車站對新建基坑樁體變形的影響可忽略不計。

3.2.2 地表豎向位移

圖7為車站與基坑間距不同時基坑兩側地表的沉降曲線。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，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，并最終基本保持穩定，在既有車站范圍內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。在遠離鯉魚門站的一側，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，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“指數衰減”關系。當車站與基坑間距大于10 m時，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，基坑各道鋼支撐的軸力如圖8所示。與工況2相比，工況6時第2道和第3道鋼支撐軸力值呈“指數衰減式”增大，軸力值增大了80～100 kN；而第1道支撐的軸力值呈“指數衰減式”減小，減小幅度約為53 kN。當車站與基坑間距大于10 m時，車站與基坑間距對基坑鋼支撐軸力的影響可以忽略不計。

圖8 車站與基坑間隔距離不同時基坑鋼支撐軸力圖

3.3 基坑開挖對鯉魚門站變形的影響

3.3.1 基坑不同開挖步的影響

圖9為實際基坑分步開挖過程中鯉魚門站主體結構的位移變化曲線。

由圖9a)可見，基坑不同開挖步下，鯉魚門站兩邊側墻的水平位移分布都基本相同。這意味著，5號線前海灣站深基坑開挖對臨近鯉魚門站結構橫向變形的影響主要表現為水平方向的剛性移動。鯉魚門站整體水平位移與基坑開挖深度近似呈線性正相關關系。由圖9b)可知，基坑內土體的挖除會導致鯉魚門站結構產生不均勻隆起。隆起值在靠近基坑一側較大，在遠離基坑一側較小。

圖9 基坑開挖過程中鯉魚門站主體結構位移變化曲線

此外，由于鯉魚門站結構的豎向位移受到邊墻外圍護結構的約束作用，因此其在兩側的隆起值要小于中間。該站結構最大隆起值約為3.3 mm，且最終將出現在車站中心靠近基坑方向約3 m處?？梢哉J為，5號線前海灣站深基坑開挖對鯉魚門站結構豎向變形的影響主要表現為整體結構的抬動。

圖10為基坑不同開挖步下車站主體結構各節點最大內力值的變化曲線?；拥?步開挖完成后，鯉魚門站受結構自重及周圍水土壓力的影響，其最大拉應力出現在車站頂板兩側跨中(A3、A4)及底板兩側墻腳外側(A1、A2)處，其仿真值為0.96 MPa；最大壓應力出現在中柱柱頂(B1、B2)、柱腳(B3、B4)及兩側墻腳(B5、B6)內側位置，其仿真值為1.02 MPa；最大剪應力出現在下層中柱的柱間位置(C1、C2)，其仿真值為4.20 MPa。隨著基坑開挖，鯉魚門站各組成結構發生變形。當基坑開挖完成后，最大拉應力增至1.61 MPa，并出現在A1點位置；最大壓應力減至0.94 MPa，其出現位置與第1步開挖完成時相同；最大剪應力增至4.35 MPa，其出現位置也基本不變。從結構受力變化角度上說，新建基坑主要對既有車站遠離基坑一側的結構有不良影響。

圖10 基坑不同開挖步下車站主體結構最大內力值

3.3.2 基坑與鯉魚門站間距不同的影響

基坑與鯉魚門站間距不同時，鯉魚門站結構邊墻和頂板的位移變化曲線如圖11所示。當基坑距車站距離較小時，車站靠近基坑一側邊墻的水平位移，上部明顯小于下部；而車站頂板的豎向位移，靠近基坑一側明顯大于另一側。這說明，鯉魚門站結構在基坑開挖作用下發生了明顯的剛性移動和偏轉變形，而且隨著基坑距車站距離的增大，鯉魚門站的結構水平位移和豎向位移逐漸減小，偏轉變形量也逐漸變小，這意味著整個車站結構也越來越穩定。經分析，車站結構最大位移與基坑距車站距離呈指數衰減關系，當基坑距車站距離達20 m以上時，車站結構水平位移和豎向位移基本不受基坑開挖影響。

圖12為基坑與鯉魚門站間距不同時的車站主體結構最大內力值變化曲線。隨著基坑與鯉魚門站間距的增大，車站主體結構最大拉應力值逐漸減小，最大壓應力值逐漸增大，而最大剪應力則基本不變。當基坑與車站間隔距離大于18 m時，基坑與車站的相互影響效應可以忽略不計，此時，車站結構最大拉應力、壓應力以及剪應力與間隔距離2 m時相比，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車站結構位移變化曲線

圖12 基坑與車站間距不同時的車站結構最大內力

4 結論

1) 既有鯉魚門站使得基坑兩側樁體位移在不同開挖階段均呈現非對稱變形?？拷庺~門站一側的樁體位移，工況2要比工況1小約30%～50%，而另一側則大了約20%。

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

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

4) 新建基坑開挖對既有車站的影響主要表現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，既有車站結構最大水平位移和豎向位移均呈“指數衰減式”減小。