基坑卸载对临近地铁车站影响的数值模拟研究
时间：2023-06-27 14:20:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王立新， 王 强， 李炳龙， 薛勋强， 徐硕硕， 范飞飞
(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043；
2.轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西 西安 710043；
3.西安理工大学 土木建筑工程学院， 陕西 西安 710048；
4.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；
5.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司， 上海 200092)
进入21世纪以来，我国城市基础设施建设发展迅速，城市建设用地面积锐减，城市地下空间的开发利用已经成为我国城市基础建设的重要组成部分。针对城市交通拥堵问题，地铁在缓解客运交通压力方面效果显著[1-3]。由于我国公共用地日益紧张，使得目前众多新建工程不得不与既有地铁车站近接施工。而新建工程施工势必会导致大量土体开挖卸荷，破坏本区域原有的应力平衡，使周围土体产生移动，进而引起邻近既有车站结构变形[4-6]，由于地铁车站结构的重要性，地铁车站对于自身变形有着严格的管控标准，从而对邻近基坑工程施工提出了更高的技术要求。因此对于邻近地铁车站深基坑施工，保障既有地铁车站安全运营是目前工程界亟待解决的工程难题。
针对基坑开挖对既有车站的响应规律，国内外学者以数值模拟和现场监测等手段开展了系统研究。张爱民等[7]依托南昌某新建基坑工程探讨了不同基坑开挖工序对既有车站结构变形的影响；
章润红等[8]通过数值模拟，研究了基坑开挖卸荷作用下，邻近地铁隧道的埋深、隧道和基坑地连墙的距离及刚度比等关键因素对地铁结构附加弯矩和附加位移的影响；
殷一弘[9]通过现场实测验证了设置隔离桩和轴力补偿钢措施可有效控制深基坑开挖对侧方地铁结构的影响；
江智鹏[10]采用有限元软件对苏州地铁一号线星海街站基坑工程建立了数值计算模型，发现基坑对称开挖对既有地铁车站结构的影响较小；
王志杰等[11]结合板壳理论、数值模拟和现场实测，探究了综合交叉换乘车站群大型基坑单侧开挖对既有车站变形响应的影响特征；
王立新等[12]以实际工程为例，采用数值模拟手段，分析了新建基坑开挖对既有车站、既有隧道的影响。上述研究中，关于基坑开挖对既有车站结构的响应规律虽大致相同，但由于区域差异，不同工况下基坑开挖对既有地铁车站的响应规律不尽相同，因此还有待进一步深入研究。
鉴于此，为获得西安地区黄土地层新建基坑开挖对邻近既有地铁车站的力学响应规律，以西安某地铁车站旁新建基坑为依托工程，建立新建基坑与既有地铁车站三维数值模型，总结了基坑不同开挖步骤下围护结构内力与变形、既有地铁车站变形、周边地表沉降的响应规律，并与实际监测数据进行对比，研究新建基坑对既有车站的影响，相关研究成果可为提升黄土地层地铁车站减灾防灾能力提供参考。
1.1 新建基坑与既有地铁车站相对位置关系
本文所依托的工程为西安市某基坑工程，基坑与已运营的既有地铁车站近接施工，平面位置如图1所示。
图1 新建基坑与既有车站平面位置关系Fig.1 Plane position relationship between the new foundation pit and the existing station
新建基坑总体呈南北走向，开挖长度为60 m，开挖宽度为25 m，开挖深度为23 m，新建基坑围护结构与既有车站围护结构在水平方向的最小距离仅为2.4 m。既有车站长160 m，为三层结构，最宽处约为25 m，顶板埋深为3.4 m，车站底板埋深为23 m。车站顶板、中板、底板厚度不一，分别为800 mm、400 mm、1 000 mm，侧墙厚900 mm。
1.2 工程地质条件
1.3 围护结构形式
围护结构形式的选择是保证基坑施工安全的关键因素。参考黄土地层以往的成功案例，结合基坑工程所处环境条件，采用钻孔灌注桩和内支撑作为新建基坑的围护结构。由于新建基坑工程支护结构距既有车站围护结构的净距仅有2.4 m，故在紧邻既有车站一侧采取加强措施，即利用既有地铁车站基坑的围护桩(Φ1200@1600 mm，长35 m)作为后桩，选用对周围环境影响较小的钻孔灌注桩(Φ1200@1600 mm，长33 m)作为前桩，前后桩采用高800 mm、宽1 200 mm的连梁进行连接，组成双排桩，双排桩净距为2.4 m，桩间采用袖阀管注浆进行加固。基坑其他三面则采用Φ1200@1600 mm钻孔灌注桩支护，钻孔灌注桩嵌固深度为10 m。整个基坑采用壁厚为16 mm的Φ800钢管作为内支撑，典型剖面如图2所示。
图2 基坑工程与既有地铁车站典型横剖面图Fig.2 Typical cross section of foundation pit project and existing subway station
基坑内土体开挖卸荷，导致基坑邻域内土体应力重分布而产生位移，将基坑开挖对周边土体的扰动区域划分为可能影响区、次要影响区、主要影响区[13-14]。新建基坑工程扰动区域简图如图3所示，扰动分区如表1所示，其中H为基坑设计深度。
表1 基坑工程周边土体扰动分区Tab.1 Zoning of soil disturbance around foundation pit engineering
图3 新建基坑工程扰动区域简图Fig.3 Schematic diagram of disturbed area of new foundation pit engineering
在本基坑工程中，考虑到新建基坑与既有地铁车站的水平距离仅有2.4 m，为确保基坑开挖过程中，地铁车站结构的安全与正常运营，全面结合国内有关地铁深基坑规范标准和相关工程，同时借鉴西安地区黄土地层地铁建设的相关经验[13-15]，确定新建基坑、既有地铁车站施工变形安全控制值如表2所示。
表2 各结构施工变形安全控制值Tab.2 Safety control value of construction deformation of each structure
3.1 工程地质条件
3.1.1模型尺寸
采用有限元软件MIDAS GTS NX建立新建基坑及既有车站结构三维数值模型。根据圣维南原理，充分考虑基坑施工对基坑周边的影响范围，为消除边界效应影响并考虑模型单元数量和计算精度[15-16]，扰动范围取基坑开挖尺寸的3倍，结合基坑开挖尺寸，最终确定整个模型的尺寸为：长200 m (Y方向)，宽160 m (X方向)，高95 m (Z方向)，共计440 693个单元，594 339个节点，整体模型如图4所示。基坑的内支撑及圈梁模型如图5所示。
图4 整体模型Fig.4 Overall model
图5 基坑内支撑及圈梁Fig.5 Inner support and ring beam of the foundation pit
模型土体采用3D实体单元进行模拟，采用修正的摩尔-库伦本构模型。基坑冠梁、钻孔灌注桩及双排桩根据间距与截面尺寸用具有等效厚度的3D实体单元进行模拟，车站结构采用2D板单元模拟，钢管内支撑、格构柱、连梁、圈梁采用1D梁单元模拟，采用线弹性本构模型。在模型四周施加法向的边界约束，在模型底部施加竖向约束，模型上部设置为自由边界。
3.1.2模型计算参数
模型中涉及的土层物理力学参数以及围护结构、新建基坑工程和既有车站的结构参数均参考地质勘探报告，并结合以往工程设计经验来确定。双排桩及由袖阀管加固过的地层可根据桩及加固土体的弹性模量，折减为有限元模型中3D实体单元的整体弹性模量。具体数值如表3、表4所示。
表3 车站及支护结构物理力学参数Tab.3 Physical and mechanical parameters of stations and supporting structures
表4 土体物理力学参数Tab.4 Physical and mechanical parameters of soil
试验中的割线刚度、弹性卸载再加载时的弹性模量。
3.2 计算工况设计
为得到各阶段的基坑位移以及施工中支护结构的位移变形云图，需要根据实际情况进行计算工况设计。
由于新建基坑开挖时，地铁车站已经存在，因此对既有地铁车站的施工不做详细模拟，且不考虑车站施工对土层的扰动，即在初始地应力分析后，将车站单元激活，并进行位移清零。
模型计算时，先对模型土体进行初始地应力分析，然后进行车站的激活并位移清零。基坑的开挖步序：基坑开挖前施作排桩围护结构、格构柱，然后进行土层开挖，每层开挖完成后，及时施作钢管内支撑、连梁、圈梁，以保证基坑不产生较大的变形，直至开挖至基坑底部。
计算分析步序如表5所示。
表5 计算分析步序Tab.5 Calculation and analysis steps
此外，本工程中的黄土均不具有湿陷性，对于黄土或其它特殊土在有限元中的模拟，主要通过修正其物理力学参数来实现。
近年来出现了很多以局部施工监测数据为基础，反演计算得出土层物理力学参数的方法[17-18]。在本地区同类型研究中，基于神经网络进行土体参数反演分析，将反演结果运用到由MIDAS GTS NX有限元软件建立的模型中，模拟全工况下隧道结构的变形预测值。
4.1 基坑围护结构变形分析
由于基坑采用钻孔灌注桩和钢管内支撑作为围护结构，故重点关注围护结构的变形情况。图6为新建基坑开挖过程中基坑围护结构侧向位移变化云图，图7为围护结构的变形曲线。
图6 不同开挖步序下围护结构侧向变形云图Fig.6 Cloud map for lateral deformation of enclosure structure under different excavation steps
图7 地下连续墙侧向位移变化曲线图Fig.7 Curve of lateral displacement of underground diaphragm wall
由图6可知，基坑开挖过程中，最大侧向位移主要集中于围护结构的中间部位，而两侧位移较小，这是因为围护结构两端有另一排桩作为支撑，而中部支撑较弱。随着基坑逐步开挖，最大侧向位移产生部位下移，墙体顶部与底部的位移相对较小。
为进一步研究基坑开挖过程中基坑围护结构侧向位移的变化，选取基坑围护结构远离车站的长边和与其相邻的一侧短边作为测试断面，提取不同深度处的侧向位移值。
由图7可知，围护结构X向与Y向的变形曲线总体上呈“内凸型”分布，长边排桩在X方向的最大位移为7.41 mm(正值表示向基坑内侧发生变形)，最大变形大约位于墙深15 m位置处，短边排桩在Y方向的最大位移为8.79 mm，同样，最大变形大约位于墙深15 m位置处，约为0.65H，这是由于随基坑开挖深度的增加，坑内外土压力差逐渐增大，当基坑开挖至底部时，围护结构达到变形峰值所致。并且，长边排桩在X方向的变形随基坑开挖缓慢增加，而Y方向的变形在第二次、第三次开挖后快速增长，Y方向的最大变形大于X方向的最大变形，这主要是因为本模型为便于计算，在基坑开挖时仅对X方向施加了内支撑，对Y方向未施加内支撑，但两者的最大变形均满足安全控制标准。因此，实际基坑开挖过程中，在对长边墙加设支撑的同时，应加强对短边墙的变形监测。
此外，由图6可知，紧邻地铁车站一侧由于采用了加强支护，在开挖深度为-3 m、-9 m、-16 m、-21 m及-23 m时，变形值分别为0.40 mm、1.88 mm、4.22 mm、6.27 mm及6.69 mm，其变形值较远离车站一侧的0.44 mm、2.18 mm、4.68 mm、6.95 mm及7.42 mm，平均减小了10.5%。因此，双排桩加强支护对基坑的变形抑制效果显著。
4.2 基坑围护结构内力分析
图8(a)～(d)给出了基坑第2～5次开挖过程中内支撑的轴力变化云图。计算结果显示，在五次开挖过程中，内支撑的轴力均为负值(见表6)，这是由于基坑开挖过程中，地下连续墙向基坑内产生变形而挤压内支撑，内支撑受压从而表现为负值。
图8 钢管内支撑轴力变化云图Fig.8 Cloud diagram of axial force change in steel pipe
表6 内支撑轴力值Tab.6 Axial force value of inner support
为研究内支撑在控制基坑围护结构变形上所发挥的作用，选取基坑内典型的内支撑作为研究对象，提取其轴力值。结果表明，随基坑逐步开挖，内支撑的轴力总体呈增长趋势，即施加内支撑后，围护结构向基坑内变形而挤压内支撑，内支撑对控制基坑围护结构的变形作用明显。并且，当后一道支撑施作后，前一道支撑的轴力增长速率有所减小，这是因为新架支撑分担了一部分侧向压力。当基坑第4、5次开挖时，第一道支撑的轴力有所减小，这可能是因为随着基坑的开挖，基坑围护结构的最大侧向位移向下移动，下部支撑承受了更大的侧向压力，从而减小了第一道支撑的压力。在整个基坑开挖过程中，第一、二、三、四道内支撑的最大轴力值分别为-564.460 kN、-1 479.679 kN、-1 873.470 kN、-760.868 kN，均小于钢管内支撑的临界力，满足规范要求。
4.3 既有车站变形分析
基坑开挖后，既有车站产生侧向位移，选取既有车站靠近基坑的一侧作为测试断面，沿车站埋置深度和长度方向分别提取横向位移及竖向位移，如图9所示。既有车站侧墙的横向变形如图10所示，图中正值表示向基坑方向产生位移。
图9 侧墙及地表位移提取点Fig.9 Side wall and surface displacement extraction points
图10 侧墙横向变形曲线图Fig.10 Lateral deformation curve of side wall
由图10可知，既有地铁车站顶板部位的横向位移随基坑开挖不断增大，至第5次开挖结束时最大值为0.76 mm。并且，既有车站侧墙的横向位移随车站埋深总体上呈先增大后减小的趋势，为典型的“内凸型”曲线。第1次开挖结束后，车站侧墙的最大侧向位移位于-4 m处，最大值为0.88 mm；
第2次开挖完成后，最大位移值的位置下移至-6.5 m处，最大值为1.05 mm，相比第1次开挖，增幅达19.3%；
第3次开挖完成后，最大位移值的位置继续下移至-8 m处，最大值为1.10 mm，相比第2次开挖，增幅为4.8%，最大位移较第2次开挖后增长减缓，且第2次、第3次、第4次开挖后，侧墙侧向变形曲线有多处重合，侧向位移变形较小，这可能是由于车站本身刚度和受到的约束较大，使得新建基坑土体开挖对车站结构的侧向位移影响较小。
为研究基坑开挖过程中车站结构竖向位移的变化，于车站近基坑侧墙体深度10 m处，沿长度方向每隔4 m提取墙体竖向位移值，如图9所示，竖向位移变化曲线如图11所示。
由图11可知，随基坑逐步开挖，车站侧墙在Z方向的位移均为负值，即产生向下的沉降位移，并且随基坑开挖深度的增加，沉降逐渐增大。基坑开挖后，最大沉降发生在墙体中间部位，墙体两侧的沉降值较小，呈现由中间向两边递减的趋势，这是因为新建基坑位于车站中部，基坑土体的开挖对侧墙中间部位的影响最大。第1、2次开挖后变形最大值分别为-0.99 mm和-1.62 mm；
随基坑继续开挖，墙体持续发生沉降变形，至第3次开挖至-16 m时，最大沉降为-2.45 mm，较第2次开挖后增加了51.2%；
第4、5次开挖后最大沉降值分别为-3.04 mm和-3.25 mm，增幅减缓，变形值均小于变形控制标准。
图11 近基坑侧墙竖向位移变化Fig.11 Vertical displacement change of side wall near the foundation pit
综上分析，既有地铁车站的最大侧向位移和最大竖向位移均发生在车站中间部位。紧邻新建基坑一侧的中间部位作为站厅、站台的核心部位，具有一定的特殊性，因此，施工时应加强对该部位的监测，防止产生过大变形。
4.4 地表沉降分析
新建基坑土体大范围卸荷，将会扰动基坑邻域地表土体产生沉降，故以基坑边缘为X轴原点，作既有车站A断面，如图9所示。作周邻地表随基坑开挖的沉降规律曲线，如图12所示。
由图12可知，邻近既有地铁车站的土体在基坑开挖后产生沉降变形，至第5次开挖结束，近基坑一侧的地表最大沉降值为-8.63 mm，远基坑一侧的地表最大沉降值为-6.90 mm。这是由于基坑内土体开挖卸荷对周边土体的影响程度随水平净距的增大而逐渐减小，即距离基坑越近的土体受影响越大。并且，当既有车站两侧土体沉降的同时，车站上方的土体也发生了沉降，最大沉降发生在近基坑既有车站边缘，最大值达到-3.18 mm，这可能是由于既有车站相较于土体刚度更大，随着基坑内土体的开挖，周边土体向基坑方向移动，导致车站结构产生沉降，车站上方的土体也随之发生沉降，但均小于控制值。
图12 既有车站A断面地表沉降变化Fig.12 Changes in surface settlement of section A of existing station
4.5 方案优化及影响因素分析
为探究基坑及既有车站变形的影响因素，结合基坑的支护形式、开挖工序，优化既有车站的支护方法。同时，由于基坑远离车站的一侧周围无建筑物，具备施作锚杆的条件，故此增设有锚杆的工况进行分析。锚杆长15 m，锚固长度5 m，施加160 kN预应力。开挖深度和内支撑的施作位置不变，预应力锚杆共施作六道，分别位于-2 m、-6 m、-10 m、-14 m、-18 m、-22 m深度处，水平间隔4 m。同时，基坑开挖完成后，对坑底以下3 m 内古土壤进行地基加固。锚杆使用MIDAS GTS NX软件中的植入式桁架来模拟；
地基加固则通过钝化和激活材料属性来实现。施作锚杆及数据提取点示意图如图13所示。计算完成后，提取基坑两个长边中间部位的X方向(水平方向)位移值与未施加锚杆工况进行对比，如图14所示。
图13 施作锚杆及位移提取点示意图Fig.13 Schematic diagram of applying anchor and displacement extraction point
由图14可知，左侧曲线表示围护结构施作预应力锚杆的区域，右侧曲线表示围护结构采用双排桩加强支护的区域。在此工况下，远离基坑一侧施作锚杆的围护结构随着开挖深度的增大，最大变形值分别为0.35 mm、1.82 mm、4.09 mm、6.07 mm和6.90 mm，较未施作锚杆时平均减小了10.2%；
靠近基坑一侧施作双排桩的围护结构随着开挖深度的增大，最大变形值分别为0.42 mm、2.07 mm、4.43 mm、6.43 mm和6.98 mm，较未施作锚杆时平均减小了5.7%。结果表明，预应力锚杆和地基加固措施对减小基坑变形效果显著，且双排桩一侧的变形也有小幅减小。综上所述，在条件允许且预算充足的情况下，可以在原有支护结构的基础上施作预应力锚杆，在基坑开挖完成后进行地基加固，以减小基坑变形。
图14 施作锚杆后基坑X方向变形值Fig.14 Deformation value of foundation pit in X direction after bolting
根据不同工况的数值模拟结果，新建基坑对相邻既有地铁车站变形的影响因素主要有以下几个：①结合实际工况，在临近既有车站一侧加强支护措施可有效减小对车站变形的影响；
②内支撑布置形式对基坑变形影响显著，在数值模拟中，为简化分析，仅在X方向设置了内支撑，导致Y方向变形大于X方向，因此，在工程建设时应关注这一点，必要时采取一定的措施，以保证施工过程中Y向变形可控；
③在条件允许的情况下，增加预应力锚杆和对基坑进行地基加固，可进一步降低基坑变形和对既有车站的影响。
5.1 现场监测布置
基坑施工现场采用钻孔灌注桩加钢管内支撑的维护方式，在临近既有车站一侧采用双排桩支护，未施作锚杆。为对基坑变形及地铁车站变形进行监控测量，在基坑的钻孔灌注桩中安装测斜管，同时，在既有车站临近基坑侧墙处布置水平位移监测点，如图15所示。
图15 围护结构及既有车站位移关键监测位置Fig.15 Key monitoring positions for displacement of enclosure structure and existing station
5.2 实测与数值模拟结果对比
基坑开挖完成后，为研究基坑变形情况，评估基坑风险性，选取基坑JK-2、JK-4、JK-6和JK-8位置的水平位移监测数据，并提取有限元模型中对应位置的计算结果，绘制水平位移变形曲线，如图16所示。
图16 围护结构实测位移与数值模拟结果对比Fig.16 Comparison between measured displacement and numerical simulation results of enclosure structure
由图16可知，基坑围护结构的水平位移实测值与数值模拟结果规律一致且偏差较小，基坑实际位移小于数值模拟结果。其中JK-4和JK-8数值模拟结果较大，这可能是由于模型中简化了Y向的内支撑所致，同时，模型中的基坑也没有设置角撑，从而导致短边的模拟结果比实测值大。基坑四个方向的最大实测位移分别为6.26 mm、7.03 mm、6.82 mm和7.20 mm，均小于安全控制标准，基坑整体稳定性良好、围护结构安全，基坑施工风险较低。
基坑开挖完成后，为研究既有车站的变形情况，选取既有车站侧墙CZ-4、CZ-6和CZ-8位置处的水平位移监测数据，并提取有限元模拟中对应工况对应位置的计算结果，绘制水平位移变形曲线，如图17所示。
图17 车站侧墙实测位移与数值模拟结果对比Fig.17 Comparison between measured displacement and numerical simulation results of station side wall
由图17可知，既有车站侧墙的水平位移实测值与数值模拟结果规律一致且偏差较小，可认为数值模拟结果符合实际。既有车站侧墙中间部位的最大模拟值为1.22 mm，而最大实测值为1.18 mm。综上，选取的三条测线的实测值均小于模拟值，既有车站侧墙的最大水平位移符合控制标准，基坑卸载对临近既有地铁车站影响较小。
依托西安某新建基坑工程，借助MIDAS GTS NX有限元软件建立了新建基坑与既有车站结构的三维数值模型，模拟了新建基坑开挖全过程中，围护结构变形与内力、既有地铁车站位移与周边地表沉降的响应规律。
1) 在依托工况的数值模拟中，围护结构的最大侧向位移发生在基坑中间部位，且沿中部向两侧递减。墙体在X方向的最大位移为7.41 mm，在Y方向的最大位移为8.79 mm。紧邻基坑一侧的围护结构由于采取了加强措施，其变形值较远离基坑一侧减小了10.5%，因此，双排桩加强支护对于基坑的变形抑制效果显著。
2) 数值模拟结果表明，在基坑开挖过程中，钢管内支撑受到围护结构的挤压，随基坑开挖产生较大变化。由于后续支撑的施加，第一道支撑的轴力在基坑开挖后期有所减小，说明内支撑的施加可以有效控制围护结构的变形。钢管内支撑的最大轴力为-1 873.469 8 kN，小于钢支撑的临界力，满足相关控制标准。
3) 既有车站横向位移变形曲线与基坑围护结构变形曲线相似，呈典型的“内凸型”。受基坑开挖的影响，车站侧墙在Z方向表现为沉降变形，车站结构沉降变形的增长率随基坑开挖深度的增加有所减小。最大侧向位移和最大竖向位移均出现于车站中间部位，因此，施工时应加强对该部位的监测，防止出现过大变形。
4) 车站周边地表沉降随着基坑的开挖逐步增大，至第5次开挖结束，最大沉降值为-8.63 mm。车站上方土体也产生了沉降，最大沉降值为-3.18 mm，均小于安全控制值。
5) 现场监测数据表明，基坑围护结构各个方向的最大实测位移分别为6.26 mm、7.03 mm、6.82 mm和7.20 mm，均小于安全控制标准，基坑整体稳定性良好、围护结构安全，基坑施工风险较低；
既有车站侧墙中间部位的最大实测值为1.18 mm。实测数据与模拟结果规律一致、相差较小，基坑卸载对临近既有地铁车站影响较小。
