基坑开挖对临近基坑地铁高架结构变形的影响

梅祯 肖军华 王炳龙

摘 要：以苏南地区临近城市轨道交通结构的基坑工程为例，通过三维有限元模拟施工过程，反演适宜模拟该基坑施工过程的计算参数，并在此基础上，研究不同开挖距离、基坑规模、开挖深度、基坑数量和施工工序的基坑施工对临近地铁高架结构的影响。结果表明：基坑与结构水平间距小于2H时（H为基坑深度），结构横向变形发展大于竖向，水平间距为1H时，桥墩水平位移和沉降达到最大;地铁高架桥桥墩附加变形伴随着基坑宽度的增大而迅速增大，当基坑宽度大于8H时，影响迅速减小;基坑开挖深度对基坑中线4H范围内的桥墩影响最大，尤其是开挖深度超过10 m后;多个基坑施工引起的结构变形表现出明显的非线性叠加效应;多基坑施工工序对结构总变形略有影响。

关 键 词：地铁;高架结构;基坑开挖;三维有限元;反分析

中图分类号：U447   文献标识码：A

Abstract： Taking a foundation pit engineering near urban rail transit structure in southern Jiangsu as an example， construction process is simulated by three-dimensional finite element method. The calculation parameters suitable for simulating the foundation pit construction process are fitted combing with measured data. On this basis， the influence of different excavation distance， excavation scale， excavation depth， foundation pit quantity and construction procedure on the deformation of adjacent subway elevated structure is studied. The results show that： when the horizontal distance between foundation pit and structure is less than 2H （H is the depth of foundation pit）， the lateral deformation of structure is larger than that of vertical， and the horizontal displacement and settlement of elevated bridge pier reach the maximum when horizontal spacing reaches 1H;the additional deformation of subway viaduct piers increases rapidly with the increase of the width of foundation pit， but the influence decreases rapidly when the width of foundation pit is larger than 8H.the depth of excavation of foundation pit has the greatest influence on viaduct pier within 4H range of the central line of foundation pit， especially when the excavation depth is more than 10 m;the structural deformation caused by multiple foundation pit construction shows obvious nonlinear superposition effect;the construction procedure of multiple foundation pit has a slight influence on the total deformation of structure.

Key words： metro; elevated structure; foundation excavation; three-dimensional finite element analysis; back analysis

在軟土地区，由于地质软弱，基坑开挖势必会引起周边地层应力场和位移场的改变，继而对周边地铁结构产生影响，严重时，临近结构产生显著的变形甚至破坏[1-2]。如杭州地铁2号线某区间临近基坑施工造成近百环管片的收敛变形超过80 mm，深圳地铁1号线某区间临近基坑施工造成隧道水平位移达70 mm[3]。

专家学者们就基坑开挖对临近地铁结构的影响问题展开了深入研究。Wang等[1]提出随机反分析法预测基坑开挖引起的邻近建筑潜在损坏的可能性。Dolezalova[4]、Hu等[5]和王卫东等[6]采用数值分析法分析基坑开挖卸荷对邻近既有隧道的影响。Liang等[7-8]和周顺华等[9]基于两阶段法提出临近开挖对既有地铁隧道受力变形影响的简化计算方法。魏纲[10]和Zheng等[11]在实测数据基础上，推导了基坑开挖引起临近地铁隧道竖向位移的经验公式。张子新等[12]采用三维有限元，对比室内试验以及实测数据，分析了基坑开挖对位于基坑中心的地铁高架桥墩的影响。

以上，通过采用解析、半解析以及数值分析等手段，结合大量工程实践，对基坑开挖对周边建构筑物，尤其是地铁隧道的影响已有较清晰的认识，但基坑开挖对地铁高架结构的影响认识却较少。然而，位于市郊的城市轨道交通结构多以高架结构为主，随着城市的不断扩张，临近地铁高架结构的施工活动也越来越频繁，尤其在软土地区复杂地质条件下，如何控制施工影响？保护临近地铁高架结构面临许多新的问题。

由于问题的复杂性，传统解析方法难以合理地分析基坑开挖对临近结构的影响，数值分析方法由于能考虑土层分层和性质、土层开挖、支护结构以及周边建（构）筑物存在的影响等复杂因素，已成为基坑工程分析的最有效方法[4-6]。因此，本文依托苏南地区临近城市轨道交通结构的基坑工程，采用三维有限元法，模拟基坑开挖全过程，分析开挖卸载对临近地铁高架桥墩的作用机制，并与实测结果进行比较，验证数值模型和计算参数的合理性，继而讨论不同基坑参数对地铁桥墩附加变形的影响，为临近地铁高架结构施工控制及结构安全保护提供参考。

1 工程概况

1.1 高架结构变形监测情况

沉降监测是轨道交通结构安全的重要监测项目。图1为上海地铁11号线花桥方向延伸段运营期内累计沉降变形曲线[13]，图中浅色标注部分表示監测期间周边存在建筑施工活动。可以看出，全线共有6处较为明显的沉降槽，与浅色标注部分基本吻合，且沉降槽的宽度与邻近基坑宽度近似。这说明，临近基坑施工是引起地铁桥墩沉降的重要影响因素。以其中一处基坑工程为例进行详细分析。

1.2基坑工程概况

该项目为地铁11号线沿线中城商务广场写字楼基坑工程，场地内，地基土属第四系泻湖沼泽相地基土沉积层，主要由饱和粘性土、粉性土以及砂土组成。基坑侧壁土层由上至下主要以素填土、软塑状粘性土、流塑状淤泥质粉质黏土为主，基坑底部处于淤泥质粉质黏土层中。土体属于高压缩性土，施工过程如果控制不当，易发生较大变形而导致局部失稳，影响临近轨道交通结构的安全。

建筑基坑呈长方形，纵向宽156 m，横向宽70 m（沿地铁敷设方向为纵，垂直为横），挖深9.6 m。设三轴水泥搅拌桩围护结构兼作止水帷幕，桩长22.0 m。坑内设两道钢筋混凝土支撑，分别在-2.6 m和-6.3 m的位置。基坑北侧平行某轨道交通高架线，距离围护结构31 m。监测数据表明，基坑开挖影响范围约为基坑宽度的1.5倍，影响范围内，共有9根高架桥墩，分别为S1～S9号墩，如图2所示。

1.3地铁高架线

地铁11号线花桥方向延伸段为高架结构，上部结构为简支混凝土梁，标准跨径30 m，基坑影响范围内，S1～S4桥墩桩基为预制混凝土管桩，桩长40 m;S5～S9桥墩桩基为钻孔灌注桩，桩长56 m。

1.4施工监测及数据整理

在桥墩S1～S9的墩底和墩顶等部位布置多处监测点，对桥墩的沉降和水平位移进行观测。现场监测贯穿整个工程。桥墩沉降与水平位移监测结果如图3所示。

由于桩长不同，短桩S1～S4的沉降量最大达7 mm，大于长桩S5～S9最大沉降量。墩顶水平位移大致以基坑中心轴线为对称轴，呈中间大，两侧小的趋势，最大水平位移为4.5 mm。

2 基坑施工全过程数值分析

2.1 计算模型

该基坑为规则矩形，但由于临近地铁高架桩基存在长短桩，需建立三维模型加以分析。所建高架结构共8跨9桥墩，均采用实体单元，桩基均采用可考虑侧摩阻力和桩端阻力的桩单元。为便于计算，把基坑围护桩按抗弯刚度等效原则等效为连续墙体，内支撑采用梁单元进行模拟，其布置图如图2所示。

为更有效地模拟结构和土的相互作用，在基坑连续墙与地层、桥墩与地层均直接设置了界面。有限元计算模型纵剖面示意图如图4所示。

数值分析方法的关键问题之一，是要采用合适的本构模型和计算参数。目前，在软土地区基坑施工数值模拟中，大量使用的硬化模型包括硬土模型（简称HS）和小应变土体硬化模型（简称HSS）[14]，是通用岩土有限元软件Plaxis中常用的两种土体本构模型。在城市基坑工程中，土体的剪应变一般需控制在1.0×10-4 ～1.0×10-3的量级之间，方可保证基坑开挖对周边环境的影响可控，处于小应变状态。因此，土体采用小应变土体硬化模型（HSS），混凝土管桩、钻孔灌注桩、桥墩、桥梁、基坑围护及内支撑均采用线弹性模型。

基坑施工共分3次开挖，每次开挖前进行基坑降水，地下水位降至开挖面以下1 m。计算过程中，以稳态渗流法模拟基坑内外水头差引起的渗流，其中，围护墙结构渗透系数视为0。

2.2基于实测数据的计算参数反演

除了HS模型中的剪切模量Erefoed、割线模量Eref50、卸载再加载模量Erefur这3个特性参数，HSS模型中，还需确定小应变特性参数，即初始剪切模量Gref0和阈值剪应变γ0.7，分别为参考压力Pref对应的剪切模量和剪切模量G随应力增大而降低至0.7Gref0时所对应的剪切应变[14]。徐中华等[15]、王卫东等[16]多年针对上海软土地区HS模型和HSS模型的取值方法进行了实验和数值研究。苏南地区与上海地区毗邻，可借鉴其参数取值方式。本文按照表1进行参数反演，经过与实测数据的比较分析，最终为苏南地区基坑施工数值模拟土体本构模型及参数选择提供建议。

从桥墩沉降和水平位移以及基坑坡顶沉降和水平位移（测点位置如图2所示）的实际监测结果与数值计算值的对比可知，方案B最为接近实测值。

各土层性质不同，参数取值方式也不尽相同。依据徐中华等[15]对上海地区土层的研究，土层越软，Erefur与Eref50的比值越高。因此，结合上述计算结果，对方案B中各土层的特性参数进行局部调整，淤泥质土层取Erefur为Eref50的8～10倍;黏土及粉土层取Erefur为Eref50的5～6倍，其他保持不变，最终地层计算参数如表2所示。

图6为最终计算结果，从图中可以看出，桥墩沉降和水平位移计算值和变形规律与实测结果已十分接近。因此，可认为该有限元模型能够模拟该项工程。

3 影响因素分析

为进一步了解基坑开挖对临近地铁高架结构的影响，以上述有限元模型为基础，从数值分析的角度进一步研究基坑与桥墩开挖距离、基坑深度、基坑数量和施工顺序等因素对桥墩附加变形的影响规律。为避免不同桩型对沉降和水平位移规律的影响，后续计算过程中，高架桩基均采用桩长40 m，桩径600 mm的预制管桩，其他地铁高架结构以及各材料参数均保持不变。计算工况如表3所示。

3.1基坑与桥墩水平距离的影响分析

图7为基坑与桥墩水平间距对桥墩水平位移和沉降的影响曲线。从图中的变形趋势可以看出，开挖距离对临近结构的横向变形影响要大于结构沉降变形，特别是距离桥墩2H范围内（H为基坑深度），建议近距离基坑施工时，将横向变形作为基坑施工临近结构安全性控制指标;随着开挖距离的增大，结构变形基本呈线性变化，仅在1H附加出现了拐点，即当开挖距离约为1H时，结构变形达到最大。因此，在确定基坑与临近结构水平间距时，应尽可能避开1倍基坑开挖深度的情况。

3.2基坑宽度的影响分析

图8为不同基坑宽度条件下，基坑开挖引起各桥墩的附加沉降分布图和沉降曲线。从图中可以看出，随着基坑宽度的增大，沉降槽在逐渐扩大，且存在明显的拐点，当基坑宽度小于8H时，宽度对中心1/3边长范围内的桥墩附加沉降影响最大，每增加10 m，附加沉降将增大1.3 mm左右，之后趋于平缓，基坑宽度每增加10 m，附加沉降仅增大0.4 mm左右。说明当横向基坑宽度小于8倍基坑开挖深度时，减小基坑宽度可以有效地减小桥墩水平位移和沉降。

3.3基坑深度的影响分析

图9为各桥墩沉降随基坑深度变化的分布曲线和变化曲线。总体来看，随着开挖深度增大，结构变形明显增加，特别是在开挖深度超过10 m后，变形速度明显加快，且以基坑中线左右2H范围内的桥墩变形最为明显，开挖深度由6 m分别增加到10 m和16 m，桥墩沉降增加了约4 mm和14 mm。因此，当增加基坑挖深时，应重点控制和保护该范围内的桥墩，必要時需对桥墩进行加固或增设隔离措施。

3.4基坑数量的影响分析

当地铁高架结构两侧存在单个或多个基坑时，高架结构的变形出现不同程度的叠加情况。A、B、C、D分别为位于地铁高架桥两侧的同规模基坑，其中，A、B并列于高架左侧，C、D并列于右侧。图10所示为4个基坑依次施工对高架结构水平位移和沉降的影响曲线。由图10可知：对侧基坑施工结构横向变形回弹明显，基本可以忽略结构的水平位移，同侧施工则在基坑相邻处出现明显的叠加区域，水平位移极值点仍然处于基坑中心附近，相对于单基坑时有所增大，但并不显著;对侧基坑施工时，基坑中心处桥墩沉降明显增大，远远超过了2倍单基坑引起的桥墩沉降，同侧基坑施工沉降规律与横向变形规律相似。总的来说，随着基坑数量的增多，变形叠加区域结构变形呈现出明显的非线性特性，这是因为，多重施工扰动导致软土结构受损，土体工程性质逐渐弱化。

3.5多基坑施工顺序的影响分析

图11为不同施工顺序对高架结构水平位移和沉降的影响曲线。从图中可以看出，双侧4基坑同时施工或先后依次施工，桥墩水平变形基本相当;分侧施工时，桥墩水平位移最大值出现在后施工一侧的基坑相邻处;多个基坑同时施工引起的结构沉降最大，按结构两侧分侧施工时最小，各个基坑依次施工时次之。

4 结论

结合实际工点，分析基坑开挖对沿线地铁高架结构变形影响的现场实测和数值模拟发现，基坑与地铁高架结构水平间距、基坑宽度、基坑深度、基坑数量以及基坑施工顺序对相邻结构变形均有明显的影响。

（1）开挖距离小于2H时（H为基坑深度），基坑与结构间距对结构横向变形的影响要大于竖向变形;开挖距离为1H时，结构横向变形与竖向变形均达到最大。

（2）结构变形随基坑宽度的增大而增大，当宽度大于8H时，影响骤然降低。

（3）基坑挖深对结构变形的影响显著，深度超过10 m后，沉降尤为明显，且以基坑中线1H范围内的结构影响最大。

（4）多个基坑施工引起的结构变形表现出一定的非线性，同侧多基坑施工对基坑相邻区内结构影响较大，有明显的叠加效应;对侧基坑施工时，结构横向变形有明显的回弹现象，最终变形较小，而竖向变形有显著的非线性叠加效应，变形量约为单个基坑的2.5倍。

（5）当结构两侧存在多个基坑时，不同施工工序引起的结构变形略有差别。分侧施工引起的结构竖向变形最小，但横向变形最大;同时施工，引起的结构竖向位移最大，横向变形却较小。

参 考 文 献

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（编辑：王秀玲）