考虑降水软土深基坑开挖对紧邻地铁车站结构的影响

刘继林，郑丽婷

(1.广东省建筑设计研究院，广东 广州510000；2.广东工业大学土木与交通工程学院，广东 广州510006)

0 引言

随着高层建筑和地铁等工程的建设发展，深基坑工程已成为岩土工程领域的主要课题[1]。由于基坑工程的复杂性，难以采用常规分析方法反映诸多影响因素，而数值计算能够较好地刻画土层-结构相互作用，因此得到很好的发展[2-5]。

由于地下水的存在，深基坑不可避免地面临基坑降水问题[6]，因此有必要对基坑开挖降水作用下深基坑力学特性及其产生的环境效应开展探索。此外，现有基坑施工对邻近建(构)筑物近接影响三维数值分析时，均视主体结构与附属结构为一整体，然而工程实践表明，基坑开挖对既有车站结构影响显著区域往往出现在车站主体结构与出入口、通道及风亭等薄弱位置。

基于此，以典型工程实例为依托，考虑降水及邻近建(构)筑物的超载效应，借助有限元软件建立软土深基坑施工过程的三维精细模型，探讨基坑开挖引起的支护结构受力特性及紧邻车站结构的变形响应特征，并揭示土层结构变形对基坑外降水的敏感性。

1 工程概况

某商业综合楼工程位于广州市荔湾区花地大道南路北侧，花地大道中路西侧。基坑周长约261 m，面积约4686 m2，开挖深度10.05～10.65 m，附属配套设施地下室2层，地面以上20层(高91.5 m)。基坑采用灌注桩+与既有地铁车站共用连续墙+钢筋混凝土内支撑+预应力锚索的支护形式，主要包括:800mm厚连续墙，直径1000mm的灌注桩，400mm厚的混凝土内支撑板，1000mm×1000mm及900mm×900mm内支撑梁，1000mm×1000mm冠梁及600mm×600mm腰梁，基坑平面支护形式如图1所示。项目紧贴既有地铁车站结构，基坑与车站衔接部位共用车站结构已有的地下连续墙。

图1 新建基坑与车站位置关系

2 数值计算

2.1 三维模型建立

总体模型计算区域的选取充分考虑基坑开挖引起的边界效应，水平方向计算区域取基坑开挖深度的3～5倍以上，竖直方向则取2～4倍以上为原则[7]，为此取计算模4型几何尺寸x、y、z分别为150，140，40 m。计算模型侧向加水平约束，底部加竖向约束，顶面为自由面，不加约束。

模型中土体、冠梁、灌注桩、人工挖孔桩采用三维实体单元，既有车站主体结构、出入口通道结构、进出通风口、紧急疏散通道、多层房屋结构、基坑内支撑板及连续墙采用壳单元模拟，车站柱、基坑立柱、内支撑梁与腰梁则采用梁单元模拟，锚索利用植入式桁架单元。模型中土体采用理想弹塑性本构模型，遵循Mohr-Coulomb屈服准则，而相关结构则采用弹性模量，三维计算模型如图2所示。

图2 三维计算模型

为充分考虑基坑围护结构与土之间的滑移与脱离现象，在两者界面间设置无厚度Goodman接触单元[8]，其三维空间的面接触单元在确定外荷载作用下满足式(1)关系，单元的参数:法向刚度kn、切向刚度kz及转动刚度kθ；N、Q、M表示轴力、剪力及弯矩；Δu为轴向位移，Δv为剪切应变，Δθ为相对转角。

接触单元设置于实体土层与实体、壳单元围护结构间，由于实体单元仅存在线位移，因此接触单元位移可抽象概括为水平与竖向位移，在出现滑移破坏前主要受法向刚度kn和切向刚度ks影响。可通过式(2)计算法向与切向刚度如下[9]:

式中，K与G为接触面两侧材料的体积模量和剪切模量；Δzmin为接触面法向厚度最小的网格宽度。接触面参数与土体参数、网格尺寸有关，在本例数kn量级为(108～1010)Pa/m，ks数量级为(106～107)Pa/m。

数值计算过程中的考虑的主要荷载包括自重、地面设计超载20 kPa，基坑降水产生的水渗透压力。此次分析含6个计算工况，具体如表1所示。

表1 计算工况

2.2 计算结果与分析

图3，4为基坑开挖后(工况6)土层和支护结构侧向位移云图，定义位移指向坐标正向为正，反之为负。由图3，4可知，围护结构与土之间的相对位移很小，未超过土的极限剪应变，两者间未产生相对滑动，两者变形协调；由于基坑开挖卸载作用，基坑壁面两侧产生了不平衡的水土压力，促使土层和围护结构向临空面移动，x、y方向产生的最大侧移分别为7.31mm与4.86mm，出现在围护结构顶部以下一定深度且使围护结构呈现出“鼓肚形”，围护结构所有侧移均在变形控制值30mm的范围内。可见，基坑支护体系满足基坑自身的稳定安全。

图3 基坑施工后土层位移云图

图4 基坑施工后支护结构位移云图

图5为基坑后开挖引起的既有车站结构位移云图。由图5可知，基坑开挖引起的地铁车站结构x、y、z方向最大位移分别为-1.675，1.240，-2.388mm。从地铁车站结构位移来看，基坑施工对车站结构产生一定影响，但总体位移小于车站结构安全位移6mm[10-11]，车站结构能够满足安全要求。综合基坑自身与紧贴车站结构变形情况，认为新建基坑支护方案具备可行性。

图5 基坑施工后地铁车站位移云图

2.3 坑外降水的影响

为考察基坑开挖引起坑外降水对土层结构的影响，以图2模型为基础，分别开展坑外降水0，2，3 m降水进行稳定流计算，由此得到如图6所示的降水2 m孔隙水压力云图及降水后的土层结构位移云图。提取不同降水水位情况下引起的土层结构位移，如图7所示。

图6 降水2 m孔隙水压与整体位移云图

图7 基坑不同降水土层与结构位移

由图6～7可知，整体模型与车站结构位移随降水水位加深明显增大，尤其北侧存在淤泥薄层使局部土层因水位下降浮重度变成干重度，竖向荷载增大而显著下沉。坑外降水为2 m时，车站结构x、y、z方向位移分别为-4.38，2.69，-4.01mm，水平向均指向基坑内，而竖直则向下，所有位移值都小于车站安全位移控制值。而当水位下降3 m时车站结构位移最大值达到9.36mm，位移值超过了控制值，因此建议坑外降水水深不应大于2 m。

3 结语

1)基坑开挖引起坑壁不平衡压力，促使土层和围护结构向临空面移动，引起的最大侧移为7.31mm，小于变形控制值。

2)基坑开挖卸载引起的紧贴地铁车站结构最大位移为2.388mm，小于车站结构安全位移阈值，车站结构处于安全状态。

3)坑外降水对基坑变形产生显著影响，当水位下降至3 m时，车站结构位移超过了控制值，故降水应控制2 m内。