软土地区双侧深基坑施工对邻近地铁车站及盾构隧道变形影响的分析

软土地区双侧深基坑施工对邻近地铁车站及盾构隧道变形影响的分析

武若愚

佛山市铁路投资建设集团有限公司广东佛山528000

摘要：以某软土地区邻近地铁车站及盾构隧道的双侧深基坑工程为背景，运用ABAQUS数值计算软件对邻近地铁车站及盾构隧道的双侧深基坑施工进行数值模拟，通过研究双侧深基坑施工过程对基坑内土体隆起与坑外土体沉降的影响及分析双侧深基坑施工过程中地铁车站及盾构隧道变形情况，得出地铁车站及盾构隧道变形规律。模拟结果表明:基坑内侧土体隆起最大值为54.3mm；围护结构X向位移最大值为32.8mm，Y向位移最大值为26.8mm；车站竖向位移最大值发生在A1区开挖至坑底工况，最大值为6.8mm，而车站水平位移最大值为7.6mm；弯矩累计增量最大值155.9kN·m/m，经计算，施工过程对车站主体结构影响很小；盾构隧道X向水平位移最大值为4.7mm；而盾构隧道沉降最大值为3.8mm，发生在A1区开挖至坑底工况。

关键词：双侧深基坑；地铁车站；盾构隧道；ABAQUS；影响

1前言

随着城市建设的全面铺开，基坑因其特殊性、复杂性而备受关注，国内外专家学者从基坑开挖对周边环境影响、基坑自身稳定性、支护桩自身受力变形、支护结构计算方法及有限元软件模拟等方面进行了论证研究。龙宏德等以深圳某深路堑基坑工程为背景，研究基坑施工对地铁11号线隧道的影响，并提出了施工控制措施。

研究区域位于古黄河及海河冲洪积平原，土层以粉质粘土、粉土、淤泥质土等为主，地下水位埋深0.0～2.5m，是典型的高水位软土，地质环境复杂。总结过往研究成果发现，目前对邻近地铁车站及盾构隧道复杂情况的双侧深基坑设计施工研究涉足较少，因此研究软土区域双侧深基坑施工对邻近地铁车站及盾构隧道的影响显得非常必要，研究成果为类似条件的深基坑支护设计施工及对周边建构筑的保护提供技术参考。

2工程概括

2.1基坑环境

该工程位于某市律纬路、五马路、八马路与调纬路围合地块，该地块内部包含两层地下室。在地块中部，南北贯穿整体地块为地铁6号线新开河站(目前正在施工)，将基坑分为东西两个部分。位于地铁站体西部为A地块，东部为B地块。如图1所示，工程A地块拟建物包括五栋住宅(17层两栋、18层一栋、32层两栋)，三栋办公楼(17层一栋、20层一栋、36层一栋部分用于酒店)；地块南部包含2～3层裙房。B地块拟建物包括九栋住宅(三层两栋、五层五栋、六层两栋)；地块西部包含2～4层的裙房。其中两个地块均包含两层地下室，为基坑支护的对象，工程现场地平均大沽标高为2.3m，基坑深度情况详见表1所示。地铁新开河站共地下三层，地铁基坑深24.14m，围护结构为1.0m厚地下连续墙，长度45.1m。

3.1支护结构

A地块基坑深为11.9m，φ1100@1300mm灌注桩，桩长23.5m，嵌固深度为12.1m。桩顶位于地表下0.5m，桩端嵌入8-2粉土层。A地块基坑局部百米塔楼处深为12.6m，φ1200@1400mm灌注桩，桩长24.5m，嵌固深度为12.4m。桩顶位于地表下0.5m，桩端嵌入9-1粉质粘土层。B地块基坑深为11.15m，φ1000@1200mm灌注桩，桩长22.0m，嵌固深度为11.35m。桩顶位于地表下0.5m，桩端嵌入8-1粉质粘土层。B地块东侧局部邻近住宅小区基坑深11.15m，φ1100@1300mm灌注桩，桩长23.5m。基坑中部为地铁6号线新开河站，在其站体两侧支护为地下连续墙，基坑利用其作为支护结构。该地下连续墙厚度为1000mm，地连墙有效长度45.0m，墙顶位于地表下1.830m。

3.2水平支撑系统

由于工程基坑与地铁站体相连，支护结构借用部分地铁站体支护用地下连续墙，基坑设置一道水平支撑支撑系统与地铁站体顶板的标高一致。

4基坑开挖模拟分析

采用大型有限元软件ABAQUS，建立三维模型，研究基坑开挖对地铁车站及盾构区间的影响。

4.1模型建立

坑外土体边界取至由坑边向外延伸60m，为基坑的5倍开挖深度；对于竖向边界，坑下取60m，为基坑5倍开挖深度，超过站体工程桩桩底15m，最终计算模型尺寸为470m×350m×70m。见图2。

图2整体有限元计算模型示意图(结构)

5有限元计算结果

5.1土体沉降分析

基坑降水开挖，对周围土体产生扰动，引起围护结构两侧土压力的不平衡，导致围护结构发生侧移，进而引起基坑内外土体位移场发生改变，表现为坑外土体沉降，坑内土体隆起。选取A1区开挖至坑底、A2与B区开挖至坑底、考虑水平支撑的温度及混凝土干缩作用、对拆除水平支撑四个阶段进行分析。A1区开挖至坑底时，基坑外侧土体最大沉降量23.5mm，基坑内侧土体最大隆起量47.1mm；A2区与B区开挖至坑底时，基坑外侧土体最大沉降量23.6mm，基坑内侧土体最大隆起量53.7mm；考虑水平支撑温度及混凝土干缩作用时，基坑外侧土体最大沉降量23.5mm，基坑内侧土体最大隆起量54.3mm；拆除水平支撑后，基坑外侧土体最大沉降量23.5mm，基坑内侧土体最大隆起量54.3mm。随着施工步的进行，基坑外侧土体最大沉降量维持在23.5mm，基本保持不变，基坑内部隆起量最大值在A2区与B区开挖至坑底以后施工时达到54.3mm，基本保持不变。

5.2围护结构灌注桩变形分析

基坑开挖导致作用在围护结构上的土压力发生了改变，围护结构在土压力及支撑作用下寻求新的平衡而发生变形。选取A1区开挖至坑底、A2与B区开挖至坑底、考虑水平支撑的温度及混凝土干缩作用、拆除水平支撑四个阶段进行分析。随施工步进行围护结构X向最大值逐渐增大，最大值达到32.8mm，发生在拆除水平支撑工况；Y向最大值也逐渐增大，最大值达到26.8mm，发生在拆除水平支撑工况，但增加幅度较X方向小。

5.3地铁车站附加内力分析

新建站体在基坑开挖过程中发生变形，对车站结构内力产生影响。选取A1区开挖至坑底、A2与B区开挖至坑底、考虑水平支撑的温度及混凝土干缩作用、拆除水平支撑四个阶段的每个阶段中站体附加弯矩增量进行分析。

5.4盾构隧道位移分析

鉴于目前地铁隧道已有部分开始施工，为保证基坑开挖过程中，地铁结构的安全与稳定，在有限元模型中增加了新建车站两端的盾构隧道结构。选取A1区开挖至坑底、A2与B区开挖至坑底、考虑水平支撑的温度及混凝土干缩作用、拆除水平支撑四个阶段的盾构隧道位移进行分析。盾构隧道X向水平位移最大值随着施工步进行逐渐增大，最大值达到4.7mm；而盾构隧道沉降最大值随施工步进行先逐渐减小至2.7mm，随后增大到2.8mm，最大值为3.8mm，发生在A1区开挖至坑底。

结束语

随施工步进行，基坑外侧土体沉降最大值先增大后减小至23.5mm，并保持不变；基坑内侧土体隆起最大值逐渐增大至54.3mm，并保持不变。随施工步进行，围护结构X向位移最大值逐渐增大至32.8mm；Y向位移最大值逐渐增大至26.8mm，但增加幅度较X方向小。车站竖向位移最大值发生在A1区开挖至坑底工况，最大值为6.8mm，之后随着施工步进行，最大值减小到4.3mm，并保持不变；而车站水平位移最大值随施工步进行逐渐增大，最大值达到7.6mm。弯矩累计增量最大值155.9kN.m。经计算，对车站主体结构影响很小。盾构隧道X向水平位移最大值随着施工步进行逐渐增大，最大值达到4.7mm；而盾构隧道沉降最大值随施工步进行先逐渐减小至2.7mm，随后增大到2.8mm，最大值为3.8mm，发生在A1区开挖至坑底工况。

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