摘要：文中以实际工程为案例，采用数值模拟方法分析了深基坑施工后围护结构变形、地表沉降及对既有隧道的影响。
关键词：深基坑施工；明挖顺作法；城市地铁；隧道工程
1研究背景
广州地铁11号线火车站站为地下六层28m宽岛式站台车站，全长278.035m，标准段宽为38.9m，总建筑面积44804m2，标准段基坑开挖深度约为43m，开挖宽度为38.9mn。车站分七个阶段施工，其中第三阶段施工区域B区（6层，长69.05m，宽21.6m，深43m）位于火车站站南侧，拟采用明挖法施工，围护结构直径1.2m@1.4m旋挖灌注桩及直径0.6m@1.4m旋喷桩止水帷幕加钢筋混凝土内支撑。基坑侧穿既有地铁5号线区间隧道，最小净距为3.75m，见图1所示。广州火车站所处地面为广州火车站广场，地形较平坦，站址所处地段为微丘台地，东临越秀山。车站主体结构穿过人工填土层、冲积-洪积砂层、冲积-洪积土层、河湖相淤泥质土层、残积土层、岩石全风化带、岩石强风化带、岩石中风化带、岩石微风化带，如图2所示。土层参数见表1。车站南站厅采用明挖顺作法施工，围护结构为钻孔灌注桩+旋喷桩，支撑形式为现浇钢筋混凝土。基坑开挖总体施工步骤：围护结构→围护结构渗漏水检测处理→分层进行基坑开挖→分层施工混凝土支撑→分段施工底板和车站主体结构。基坑剖面采用竖向分层开挖方法，以支撑竖向间距作为分层厚度，分层的原则是每道混凝土支撑下10cm，不得超挖。竖向开挖随挖随撑，间隔时间不超过1天，南站厅第一层开挖厚度10.15m，第二层开挖厚度8.5m，第三层开挖厚度7m，第四层开挖厚度6m，第五层开挖厚度6.68m，第六层开挖厚度7m。本文以广州地铁11号线火车站站南侧基坑工程（B区）为依托，采用数值模拟方法分析了深基坑施工后地表沉降及对既有隧道的影响。
2基坑开挖对既有隧道的影响及控制标准分析
基坑开挖后使得土体卸载，引发地层应力重分布，导致围护结构变形、地表沉降和坑底隆起。坑内土体开挖后，由于开挖导致的卸载作用使得基坑底部发生回弹变形，表现为坑底隆起；围护结构两侧原有的相对平衡的土压力被打破，是的围护结构发生朝向基坑内的变形，周边土层也因此发生变形、位移，表现为围护结构的侧向变形和地表土体的沉降。基坑周边既有建构筑物、管线通过以上三种变形而受到间接影响影响基坑施工对环境影响的主要因素主要包括：（1）基坑施工规模。基坑施工规模主要指代基坑开挖深度、基坑尺寸和面积。通常情况下，基坑引发的环境效应与基坑规模正相关。基坑开挖深度、基坑尺寸、面积越大，基坑施工对环境的影响越剧烈，表现为地表沉降的变大、围护结构变形的增加，坑底隆起量的增大［1］；（2）围护结构形式及规模.基坑施工引发的地表沉降往往与围护结构形式密切相关，围护结构刚度越大、底端如土深度越深，抵抗变形的能力越强，整体稳定性和抗倾覆稳定性也越强［2］；（3）水文及地质状况。基坑开挖卸荷后围护结构所受土压力根本取决于水文及地质状况。地下水位越高，地质状况越差，基坑开挖后围护结构变形越大、地表沉降越大，周围环境受应也越大；（4）基坑施工方案合理性。开挖前是否采取了有效的降水措施，是否采用分部开挖，内支撑设置是否及时、可靠，开挖时是否超挖等施工方案的细节都对基坑的变形有较大影响。合理有效的降水措施能减小围护结构所受土压力，还能通过排水提高土体密实度，提高土体骨架有效应力，增大土体强度；合理的分部开挖方案能降低开挖对土体的扰动，减小因开挖导致的土体变形；及时可靠的内支撑则能减小围护结构变形，甚至对围护结构变形模式有一定影响；超挖则会加大开挖造成的扰动，增大土体及围护结构变形；（5）周边超载。基坑周边超载会影响地表沉降和围护结构变形，超载过大或导致围护结构墙后土体产生较大变形，导致地表产生较大沉降，围护结构变形增大，影响到周边既有建构筑物。基坑开挖以后，根据基坑开挖深度、围护结构刚度、支撑是否及时等因素围护结构的变形可分为三种情况：悬臂式变形、抛物线式变形、组合式变形。当基坑开挖深度不深，支撑刚度较小或未及时设置支撑导致施工初期即出现较大围护体变形时易出现这种变形，此时围护结构最大变形出现在顶部，变形随深度的增加而减小；当基坑开挖深度较大，且内支撑具有一定刚度情况下，围护结构可能出现鼓肚式变形，最大变形出现在围护结构下侧约1/3位置处；组合式变形则介于鼓肚式和悬臂式变形之间。基坑周边地表沉降变形形式包括：三角形式、凹槽形、梯形等几种。且周边沉降形式与围护结构变形形式有一定的关系。通常当围护结构变形形状为悬臂式时，地表常发生三角形式变形；围护结构变形形状为鼓肚形时，地表变形常表现为凹槽形；围护结构为组合形状时，地表变形常表现为梯形。在基坑施工中应严格控制开挖引起的地表变形、既有隧道变形、围护结构变形。基坑的变形量控制标准与基坑变形控制保护等级密切相关。在基坑工程手册中对地铁隧道容许变形量规定为：结构最大位移不能超过20mm，隧道变形曲率半径不应大于15000m，相对弯曲不应超过1/2500［3］。结合附近已有相关工程状况和相关规范，本工程制定了如下变形控制标准：（1）地面最大沉降量≤0.15%H=0.15%×43m=64.5mm，且≤30mm，即本工程中地表最大沉降应≤30mm；（2）围护结构最大水平位移≤0.25%H=0.25%×43m，且≤30mm，即本工程中围护结构最大水平位移应≤30mm；（3）既有隧道结构最大位移≤20mm。
3数值模拟分析
3.1计算模型和计算参数。为分析基坑施工对既有隧道和地表影响，采用有限差分数值分析软件Flac3D建立了三维模型。计算模型的尺寸主要考虑计算模型的边界效应影响，相关研究表明水平方向基坑开挖的影响范围在4H（H为开挖深度）范围内，纵向影响范围在2H以内［4-5］。基于此，本文取模型尺寸为x向264m，y向300m，z向120m，以满足分析要求。模型上表面为地表，为自由边界，无约束。左右及前后侧面为相应垂直该面的水平约束（即左右边界：x方向水平约束Ux=0；前后边界：y方向水平约束Uy=0），模型底面为固定边界（z方向竖直方向约束Uz=0）。采用3D实体单元模拟地层、管片和基坑围护桩，地层采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则。考虑到管片环向接头、螺栓连接等因素对刚度产生折损的影响，取横向刚度折减系数0.75（即E=0.75Ec50）。基坑围护结构采用直径1.2m@1.4m旋挖灌注桩及直径0.6m@1.4m旋喷桩止水帷幕。旋挖灌注桩施工过程中对施工质量控制较好，整体性较强。旋挖灌注桩主要承受周边土体压力产生剪力和弯矩，因此基于刚度等效原则采用地下连续墙模拟旋挖灌注桩，结构计算参数如表2所示。模拟经历以下过程：（1）生成初始地应力场，并将初始位移场和速度场清零；（2）既有隧道施工，为尽可能减小两隧道施工相互影响，模拟时两隧道掌子面距离大于50m，施工完毕后，清零位移场和速度场；（3）按照基坑施工工序模拟。
3.2计算结果及分析。图3为设计工况下靠近既有隧道一侧围护结构中部基坑开挖各个阶段围护结构变形图。由图可知，随着基坑的不断开挖，围护结构变形范围不断扩大，最大变形也不断扩大。这是由于随着隧道的开挖围护结构两侧土压力差差异不断变大而造成的。注意到第1层开挖后，围护结构变形接近于0无明显变形，这是因为第一层开挖深度只有0.5m，开挖完成后立即上内支撑，导致结构变形较小。图4为基坑全部开挖完成后的地表沉降。由图可知，开挖完成后基坑周边土体均为沉降状态，最大沉降出现在远离既有隧道一侧土体围护结构中部附近，达18.7mm。靠近既有隧道一侧地表沉降小于远离既有隧道一侧地表沉降。这是由于既有隧道管片刚度较大，在土体中相当于一纵向梁，承载了土体的变形，阻碍了土体的沉降变形。图5为基坑全部开挖完成后的既有隧道变形云图。由图可知，基坑开挖完成后距离基坑距离越近，隧道所受影响越大。隧道主要变形区集中在基坑两端侧墙范围内，最大竖向变形（沉降）发生在距离隧道较近的基坑中部、隧道拱顶位置，达到13mm。隧道隆起较小。另外，基坑开挖完成后隧道整体具有朝向基坑内侧位移的趋势，但不明显。靠近基坑既有隧道变形大于远离基坑既有隧道变形，为1.2mm，出现在基坑中部拱腰位置附近。最大变形符合本工程控制标准要求，施工安全能得到保障。
4结论
本文以广州地铁11号线火车站站南侧基坑工程为依托，在基坑开挖对既有隧道的影响及控制标准的基础上，采用数值模拟方法模拟了深基坑施工后围护结构变形、地表沉降及对既有隧道的影响。计算结果表明，各项指标满足本工程控制标准要求，施工安全能得到保障。
作者:熊志富 陈乾阳 张飞 陈寿根 单位:中铁二局第四工程有限公司 西南交通大学土木工程学院