淺析深基坑分坑開挖對臨近地鐵附屬結構的影響

李昌寶

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

近年來，隨著我國城市建設的大力發展，城市地下空間開發的周邊環境越來越復雜，對鄰近建（構）筑物的保護也越來越受到重視。基于深基坑工程空間大小、挖深、平面位置的復雜多變性，難以準確反應深基坑開挖對鄰近建（構）筑物的變形影響，工程設計人員在實際工程項目中往往擴大設計的加強范圍，造成不必要的經濟浪費。

在基坑設計中，不僅要保證基坑自身的安全可靠，同時也要盡可能地降低基坑開挖對鄰近建（構）筑物的影響。當深大基坑的開挖卸載引起的變形超過一定范圍時，可影響鄰近地鐵的正常運營。采用分層、分部開挖和鄰近地鐵側加密支撐可有效控制基坑開挖對鄰近的建（構）筑物的變形[1-4]，部分深基坑工程施工場地狹小和周邊環境復雜，可采用超大混凝土圓環內支撐[5]。部分學者開展了基坑圍護結構施工對鄰近建筑物沉降影響，如從成槽施工[6]、坑外二次加固[7]等方面展開。但少有研究基坑分坑尺寸對臨近地鐵附屬結構的影響。現結合上海漕河涇開發區趙巷園區二期深基坑支護實例，采用Plaxis2D 軟件，建立二維彈塑性模型，模擬不同分坑寬度基坑開挖對鄰近地鐵附屬結構的變形影響，對比實際工程設計方案，可對類似工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

上海漕河涇開發區趙巷園區二期深基坑位于青浦盈港東路以南，佳采路以北，嘉松中路以西，佳迪路以東（見圖1 所示）。地塊東西向最長處約198 m，南北向寬約132 m，總面積約19 584 m2，基坑周長約600 m，基坑普遍挖深約9.35～9.65 m。基坑北側鄰近盈港東路軌道17 號線嘉松中路站，距現有地鐵站旁連橋輪廓線約5.9 m，周邊環境保護等級為一級。

圖1 基坑周邊環境圖

開挖深度影響范圍內土層為①1雜填土、②粉質黏土、③1淤泥質粉質黏土、③3-1黏土、⑥1粉質黏土和⑥2砂質粉土，對基坑開挖有影響的主要為⑥2層承壓水，經觀測，第⑥2層承壓含水層水位埋深在3.40～3.98 m 之間。該工程普遍挖深在10 m 以內，經驗算不涉及承壓水處理問題，以疏干降水為主。該工程圍護設計所采用的土層主要物理力學參數見表1所列。

表1 土層地質參數表

2 支護結構設計

2.1 分區開挖

該基坑具有挖深大、形狀不規則和開挖面積大等特點，且基坑北側緊鄰地鐵附屬連橋結構，環境保護要求高。考慮東西向長約198 m，如此大規模的基坑若大面積開挖勢必會引起鄰近建（構）筑物產生較大變形。為了控制長邊效應，需進行分坑開挖。土方開挖時，由南向北、由西向東推進，并依據先形成對撐，最后開挖角撐和陽角區域的土層原則分塊跳挖，先施工基坑A 區，在該區施工到±0.00 后，并結構頂板達到設計強度后，再施工B 區（B1→B2→B3）。通過分區施工不僅可以減少基坑北側長邊一次性開挖對地鐵附屬結構連橋的影響，也可以保證對塔樓的施工進度，如圖2 所示。

圖2 基坑分區布置圖

2.2 支護選型

基坑為地下二層，考慮到該工程北側中部臨近地鐵連橋，圍護施工空間有限，環境保護要求較高，該段區域采用地下連續墻，兩側采用三軸攪拌樁槽壁加固。基坑其他區段圍護結構有一定的施工空間，周邊環境保護要求相對寬松，且該區域地段地層參數較好，因此，為有效控制造價，其他區段的圍護設計采用鉆孔灌注排樁+三軸攪拌樁止水帷幕。

考慮基坑A 區形狀復雜，開挖面積大，采用兩道混凝土支撐以減少圍護體的水平位移并保證圍護體的穩定，B2 區鄰近需保護的地鐵連橋，為了控制基坑開挖的暴露時間，第二道支撐采用軸力補償伺服系統的鋼支撐。基坑圍護剖面見圖3（一般區域，采用兩道混凝土支撐）和圖4（鄰近地鐵連橋區域，采用一道混凝土支撐和一道軸力補償伺服鋼支撐）所示。

圖3 基坑圍護剖面圖1

圖4 基坑圍護剖面圖2

2.3 坑內加固

對北側臨近地鐵的區域的坑底采用三軸3φ850@1200 裙邊滿堂加固，第二道支撐底至坑底弱加固，坑底以下5.5 m 強加固，加固寬度為一般區域不少于基坑1 倍深度。

3 有限元分坑計算模擬

3.1 有限元模型建立

根據土層、基礎資料和設計方案，應用Plaxis2d有限元軟件建立二維分析模型。考慮基坑施工過程的復雜多變，基本假定如下：

（1）假定地面平整，土層實體各向連續均質同性。

（2）土體實體單元采用小應變硬化土模型（HSS）[8]，地下連續墻和承臺采用板單元，樁采用梁單元，支撐采用錨桿屬性單元。

（3）不考慮地下水的影響。

根據類似工程經驗，為減少模型邊界效應的影響[9]，基坑模型豎向尺寸采用約3 倍挖深，水平向尺寸采用3～5 倍挖深。結合基坑挖深H 約10 m，鄰近地鐵附屬連橋需分坑開挖，模型計算深度采用30 m，寬90 m，土體單元采用15 節點平面應變單元，建立B 區基坑寬度取為xH 的基坑模型進行對比分析，其中x 分別對應0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 和3.0，如圖5 所示，模型網格如圖6 所示，單元劃分數量近1 000 個。模型地面為自由面，四周采用水平約束，底部固定。

圖5 分坑寬度示意圖

圖6 有限元分析網格模型

3.2 計算參數選取

采用HSS 模型可較為合理地模擬基坑開挖過程中引起的土體卸荷應力路徑[8]，基坑力學計算參數可詳見表1 所列，上海黏性土層的值介于（3.5～5.0）倍的Eurref，γ0.7大致介于（1.5～2.8）×10-4，變化范圍很小[10]。HSS 模型計算參數見表2 所列，結構計算參數見表3 所列。

表2 HS S 模型計算參數表

表3 結構計算參數表

3.3 分坑開挖工況模擬

根據基坑設計方案，在基坑開挖之前，計算模型先采用k0計算方法模擬基坑影響范圍內的土體應力場。在基坑開挖之前，需將模型變形重置為零，再根據實際工況先開挖A 區基坑土體，再開挖B 區基坑土體，具體基坑開挖工況見表4 所列。

表4 開挖工況一覽表

3.4 數值計算結果分析

3.4.1 B 區基坑2H 寬度計算分析

基坑開挖會引起周邊土體產生豎向位移和水平位移，考慮分坑開挖可以有效地限制大面積開挖引起土體變形，根據基坑實際開挖工況，通過有限元模型計算分析基坑開挖過程中對鄰近地鐵附屬結構的影響，其計算結果詳見圖7～圖9 所示。

圖7 基坑開挖后土體水平變形云圖

圖8 基坑開挖后土體豎向變形云圖

圖9 鄰近連橋樁基位移圖

通過分區開挖有限元數值計算，由圖7～ 圖9 可知，基坑開挖引起土體卸荷作用，由于樁土共同作用，鄰近基坑的連橋樁基會產生變形。相對來說，鄰近B 區基坑地鐵連橋樁基在地面下坑底標高附近變形最大，達到1.05 mm 左右，可以滿足地鐵保護要求。在工程的后續過程中，應加強樁基的位移監測，及時分析基坑開挖的工后固結變形影響。

3.4.2 不同分坑寬度計算對比分析

重置初始地應力場、添加地連墻和樁基引起的變形為零，考慮A 區基坑和B 區基坑相應工況開挖引起的連橋樁基變形，詳見表5 所列和圖10 所示。

表5 不同分坑寬度樁基最大位移統計表 單位：mm

由表5 和圖10 可知，隨著A 區第一層土開挖至B 區開挖至坑底，基坑開挖引起的樁基變形逐漸增大；當分坑寬度為0.5H 時，A 區開挖引起的樁基變形占總變形約64.5%，其他分坑寬度開挖引起的樁基變形在43.6%以下，且當分坑寬度在1.5 H～2.5 H之間時，變形在30%左右；由圖10 可知，當分坑寬度在1.5 H～3.0 H 之間時，B 區基坑開挖至坑底時，引起的樁基變形比較接近。綜上可知，當臨近地鐵的分坑寬度過小時，遠離地鐵的大坑開挖會引起地鐵附屬樁基變形速率增長較快，不利于前期的控制保護。為此，合理選擇分坑范圍應在1.5 H～2.5 H 之間。

圖10 不同分坑寬度基坑開挖下樁基變形曲線圖

基坑設計方案實際采用2 H（20 m）進行分坑開挖，研究不同分坑寬度相對2H 的離散化程度。由表6 和圖11 可知，當分坑寬度在0.5 H～1.5 H 之間時，最大離散偏離程度在35%以上，偏離較大；當分坑寬度在2.0 H～3.0 H 之間時，最大離散偏離程度在3%以內，說明當采用分坑寬度在2 H 時已經可以滿足臨近地鐵附屬結構的保護，無需再擴大分坑寬度；當分坑寬度在1.5 H～2.0 H 之間時，最大離散偏離程度在35%以下，且根據相關工程經驗，取2 H 的分坑寬度是合理的。

表6 相對2.0H 基坑分坑寬度離散化處理一覽表

圖11 相對2H 分坑寬度基坑開挖樁基變形離散分布圖

6 結語

本文首先以上海軟土地區臨近地鐵深基坑實例為背景，介紹了相關基坑設計保護方案，通過有限元計算分析對比不同分坑寬度對臨近地鐵附屬連橋樁基的變形影響，得出以下結論：

（1）基坑開挖引起鄰近保護樁基變形，最大變形在坑底深度位置處。

（2）當臨近地鐵的分坑寬度過小時，遠離地鐵的大坑開挖會引起地鐵附屬樁基較大變形速率，不利于前期的控制保護。

（3）分坑寬度在（1.5～2.5）H 之間較為合理，一般可取用2.0H 分坑寬度進行設計，可以有效達到控制基坑開挖對周邊保護樁基的影響。