基于紧邻隧道变形深基坑支护方案优化

杨春山，莫海鸿，李亚东

(1.广州市市政工程设计研究总院，广州　510060；2.华南理工大学土木与交通学院，广州　510640；3.广州大学土木学院，广州　510006)



基于紧邻隧道变形深基坑支护方案优化

杨春山1，莫海鸿2，李亚东3

(1.广州市市政工程设计研究总院，广州510060；2.华南理工大学土木与交通学院，广州510640；3.广州大学土木学院，广州510006)

摘要：以典型工程为依托，借助有限元软件，开展基坑施工过程模拟，对基坑开挖过程支护结构与周边环境进行响应评价，以此为基础优化基坑支护方案，并通过现场实测验证。研究表明：采用原有支护方案基坑开挖对既有地铁结构产生明显的影响，存在安全隐患，有必要进行优化；基于计算结果作支护方案调整后，车站与隧道最大位移较原有方案减小29%和27%；紧邻地铁侧采用灌注桩围护引起的位移小于连续墙，究其原因是连续墙成槽影响产生可观的变形；同时采用灌注桩围护能显著降低工程造价，实际工程设计施工应引起重视。与实测结果对比表明，实例基坑采用的计算模型具备合理性。

关键词：深基坑；既有结构；响应评价；方案优化；数值模拟

随着城市建设的快速发展，基坑工程常处于密集的既有建筑物附近，基坑施工受到了更加严格的环境制约，如何确保支护结构及周边环境的稳定是深基坑施工的首要问题[1-5]。

基坑支护的设计优化涉及其自身和周边环境的稳定安全，同时需考虑工程费用。国内外已有不少学者针对基坑支护优化选型做了相关研究。蔡海波等[6]用有限差分软件，用延伸开挖方法对既有支护结构进行设计优化分析。黄跃翔[7]通过两相邻深基坑交叉施工影响分析，从施工角度对支护结构进行了优化。何晖[8]等探讨了基坑工程优化设计原理及途径，并对典型基坑工程进行了优化设计，提供了较好的借鉴。但总的来看，由于问题的复杂性，这些研究对于合理优化复杂环境中深基坑支护方案还远远不够，如紧邻运营隧道的深基坑工程大多要求采用连续墙围护，认为连续墙刚度大而产生的环境效应小，而实际上考虑墙体成槽作用引起的扰动往往较支护桩大。

基于此，在已有研究成果的基础上，以广州金融城深基坑工程为背景，借助有限元软件GTS建立较为精细的三维有限元模型，通过对基坑自身与周边环境的响应评价，开展了基坑支护方案优化。研究结果对于基坑支护结构设计具有显著的意义。

1工程背景

金融城基坑位于广州市黄埔大道与科韵路交汇处，紧邻车站与隧道埋深分别为3 m和9 m的地铁5号线。基坑开挖面积约为22 175 m2，开挖深度为26.4 m。基坑与地铁结构位置关系见图1，与科韵路地铁站最小相距为17.4 m，与区间隧道最小距离为22 m。基坑南侧为华城大道，东侧为待建深基坑。

图1　基坑与地铁结构位置关系

根据勘察资料，土层参数如表1所示。地下水为潜水型，通过排水沟导流入集水井。

基坑设计方案为西北角、北侧及东北角采用1 m厚的地下连续墙，其余采用φ1 000@1 200 mm灌注桩+3道内支撑，内支撑采用对撑加环梁的形式；灌注桩区段采用φ850@600 mm三轴搅拌桩止水，基坑支护平面布置如图2所示。该方案邻近地铁侧采用地下连续墙，认为结构刚度大、整体性及防渗性好，是一种相对可靠的基坑支护方式。

表1　土层物理力学参数

图2　基坑围护平面布置

2数值计算

基坑工程结构-土相互作用异常复杂，难以通过简单理论分析评判不同方案的变形响应，而数值计算法能够较好地刻画基坑开挖过程支护结构与周边环境的变形响应，故此采用有限元法对设计方案进行计算分析。

2.1计算模型与工况

根据工程经验[9]，基坑开挖影响宽度约为基坑开挖深度的3～5倍，影响深度为开挖深度的2～4倍。因此计算模型几何尺寸X、Y、Z分别取300、400 m及80 m；考虑到周边地铁离得最近，故周边环境主要探讨地铁变形响应，模型侧向加水平位移约束，底部加竖向位移约束，顶为自由面。

模型中土体、连续墙和桩用实体单元模拟；车站板墙、基坑板撑及管片采用壳单元模拟，车站柱子、基坑立柱、内支撑梁、冠梁与腰梁采用梁单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元。土层用Mohr-Coulomb本构模型，结构用弹性模型。总体计算模型、支护结构与地铁结构模型如图3～图4所示，总体计算模型含319 793个单元，239 844个节点。

图3　整体计算模型

图4　优化后支护结构与地铁结构模型(局部)

在地铁车站和出入口连接部位设置变形缝，以考虑两者之间的差异变形，模型中通过设置低模量单元模拟。为了充分考虑基坑围护结构与土层之间的滑移与脱离，在两者界面间设置接触单元，接触单元采用非线性连续介质力学中Goodman单元[10]。

模型计算包括8种计算工况，具体如表2所示。基坑顶部高程为-2.5 m，支撑高程为支撑中心的高程。

表2　模型计算工况

2.2计算结果与分析

图5～图7为初始方案基坑开挖至坑底后支护结构、既有地铁车站及隧道变形云图。定义水平位移指向坑外为正，竖向位移向上为正。

图5　连续墙水平方向位移云图

图6　地铁车站水平位移云图

图7　左侧隧道水平变形增量位移云图

由图5～图7可知，基坑开挖卸载引起地层损失向周围的土层和结构传递，使得支护结构和隧道结构产生向基坑内的位移。连续墙水平位移最大值出现在坑深中部偏下位置，符合围护墙+内支撑常见的变形规律；最大水平位移为22.67 mm，满足基坑规范要求[11]，基坑整体处于稳定状态。地铁车站最大变形出现在临近基坑一侧为5.03 mm，而区间隧道位移在与地铁车站连接处达到最大为3.99 mm；由此可知，基坑开挖对既有地铁结构产生了显著的影响，计算增量位移达到限值[12]的83%，且参考文献[13]计算管片张开量为3.15 mm，超过了广州地铁张开量控制值3 mm[14-15]。此外，还发现车站变形缝两侧最大差异变形有1.2 mm，存在渗漏隐患。基于上述结果可知，有必要对支护方案进行优化设计分析。

3支护方案优化设计

原有支护方案基坑施工引起的变形偏大，在原有设计方案的基础上提高内支撑刚度，改为板撑+桁架撑的支护形式，具体布置见图8。板撑整体刚度更大，且施工较灵活，但支撑结构材料费用较原有方案略有增加。

图8　初步优化后基坑支护平面布置

图9～图10为初步优化后既有地铁结构水平位移云图。由图可知，支护方案优化后基坑施工引起的位移减小，车站与隧道结构最大位移分别为3.57 mm与2.9 mm，较原有方案分别减小29%和27%；相应的管片张开量为2.4 mm，小于张开量控制值，可见方案优化可行，也从一侧面说明优化有必要。

图9　地铁车站水平位移云图

图10　左侧隧道水平变形增量位移云图

值得注意的是，该项目起初沿用了近既有构筑物一侧采用刚度相对大的连续墙思路，而忽视了连续墙成槽过程引起的扰动。鉴于此，笔者提出进一步优化方案，将原有靠近地铁一侧围护结构改为φ1 000@1 200 mm灌注桩(图11)。

图11　最终基坑支护平面布置

图12　灌注桩水平方向位移云图

图13　地铁车站水平位移云图

图14　左侧隧道水平变形增量位移云图

图12～图14为维护结构优化后既有地铁结构位移云图。该方案引起的地铁车站结构最大位移为3.3 mm，区间隧道位移最大值为2.3 mm，均略小于方案初步优化后产生的位移；究其原因为连续墙刚度虽大，但成槽过程产生了比较可观的位移，相比之下灌注桩施工阶段产生的位移更小。这一特点在工程实践中应给予充分考虑，此外灌注桩可以显著降低工程造价。

该项目最终支护方案采用了灌注桩+板撑+桁架撑的支护形式。为了确保邻近地铁运营安全，基坑施工过程对地铁车站和局部隧道区间进行了现场位移监控，取隧道部分监测点(图1)实测结果与本文数值计算结果对比分析，如图15所示。

图15　隧道水平位移计算与实测对比曲线

从对比结果看，数值计算值反映了隧道实际水平位移的趋势，模拟结果与实测结果较为吻合。隧道水平位移实测值总体比计算值大，最大相差0.28 mm。出现上述现象主要是因为基坑施工中，土体状况和地下水情况都有很大的不确定性所致。上述结论可知，模型具备一定的合理性。

4结语

基坑支护方案研究对于基坑工程的设计、施工具有重要的指导意义。通过对复杂环境下深大基坑工程支护方案计算优化，主要得到如下认识。

(1)基坑开挖对既有地铁结构产生了显著的影响，所得增量位移达到位移限值的83%，管片张开量超过了控制值；同时变形缝两侧存在明显的不同，最大差异变形为1.2 mm，存在渗漏隐患。

(2)支护方案优化后位移减小，车站与隧道最大位移较原有支护方案分别减小29%和27%，相应的管片张开量小于控制值，说明方案优化可行。

(3)连续墙成槽影响产生了可观的变形，导致近地铁侧采用连续墙围护时引起的位移大于灌注桩；且用灌注桩能显著降低工程造价，这一现象在工程实践中应给予充分考虑。

参考文献：

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[3]李小青，王鹏团，张剑.软土基坑周围地表沉陷变形计算分析[J].岩土力学，2007，28(9)：1879-1882.

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收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2015-11-19

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51508119)

作者简介：杨春山(1986—)，男，工程师，工学博士，E-mail：13808843

文章编号：1004-2954(2016)07-0125-05

中图分类号：U231+.4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.029

Optimization of Deep Foundation Pit Support Based on Deformation Evaluation of Adjacent Subway Tunnel

YANG Chun-shan1， MO Hai-hong2， LI Ya-dong3

(1.Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute， Guangzhou 510060， China; 2.School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;3.School of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China)

Abstract：Based on typical engineering examples， the foundation pit excavation process is simulated with finite element software to evaluate the construction supporting and the impact on surrounding environment. On this basis， the foundation pit supporting is optimized and verified. The results show that the influence of foundation excavation on existing subway structures is significant， which may cause hidden danger. The displacements of station and tunnel decrease respectively by 29% and 27% after supporting optimization based on calculation results. The subway displacement caused by foundation excavation where retaining structures adopts bored pile on the subway side is smaller than that of the diaphragm wall on account of the remarkable deformation caused by the form slot of the diaphragm. Meanwhile， the bored pile can significantly reduce the construction cost， which should be fully considered during design and construction. The comparison with the measured results indicates that the calculation model is reasonable．

Key words：Deep foundation pit; Existing structure; Response evaluation; Scheme optimization; Numerical simulation

193@163.com。