張國亮，韓雪峰，李元海，劉慶方

(1.中鐵南方投資發(fā)展有限公司，廣東深圳 518000;2.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，長沙 410083; 3.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221008)

0 引言

隨著我國軌道交通的快速發(fā)展，大型車站樞紐工程及既有線的擴充越來越多，由此將產(chǎn)生大量近接既有地鐵車站的施工問題。既有車站結(jié)構(gòu)的存在，使附近土體應(yīng)力重分布，必然對新車站施工過程中的圍護結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力產(chǎn)生影響［1－4］。對于近接施工的相互影響問題可從2方面考慮:1)新基坑對既有結(jié)構(gòu)的影響。新基坑施工不應(yīng)對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大影響，應(yīng)避免既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平偏移及豎向沉降，必要時采取措施保護既有結(jié)構(gòu)。2)既有結(jié)構(gòu)對新基坑施工過程的影響。新基坑周邊存在既有結(jié)構(gòu)時，周邊土體的地應(yīng)力重分布，新基坑施工過程中周邊土體位移受限，從而對新基坑的維護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形產(chǎn)生影響?？蒲泄ぷ髡吲c工程技術(shù)人員更多地關(guān)注于新結(jié)構(gòu)施工對鄰近既有結(jié)構(gòu)的影響［5－8］，而既有結(jié)構(gòu)對新結(jié)構(gòu)施工過程影響的研究相對較少。本文依托深圳地鐵5號線前海灣站基坑工程緊鄰1號線鯉魚門車站工程，采用FLAC3D有限差分軟件，通過計算分析施工過程中前海灣站新基坑圍護結(jié)構(gòu)與鯉魚門車站既有主體結(jié)構(gòu)的變形受力情況，來研究新建地鐵站基坑施工與既有車站結(jié)構(gòu)間相互影響的問題。

1 工程概況

深圳地鐵5號線前海灣站地處前?！獙毎渤鞘写沃行模瑬|連福田、羅湖城市中心，北接深圳機場，交通功能定位為綜合樞紐站，地鐵1號線、穗莞深城際線均交匯于此，和5號線形成換乘。前海灣站主要銜接交通方式有城際軌道、地鐵、常規(guī)公交樞紐站與?？空尽⒊鲎廛囌?、小汽車車場、自行車場等，并設(shè)置通往香港的軌道交通線和出入境口岸及機場服務(wù)設(shè)施，是深圳市重要的綜合交通樞紐。前海灣站是深圳地鐵5號線工程起點站，位于前海片區(qū)(現(xiàn)正進行填海施工的待規(guī)劃開發(fā)區(qū))，規(guī)劃晨文路和在建地鐵1號線鯉魚門站西側(cè)。圖1為前海灣站基坑平面位置圖。

圖1 深圳地鐵5號線前海灣站與鯉魚門站近接位置圖Fig.1 Relationship between Qianhaiwan Station on Shenzhen Metro Line 5 and Liyumen Station

前海灣站起點里程為CK0+000，終點里程為CK0+ 631，為12 m島式站臺車站，標準段寬為21.3 m，線間距11.2 m，有效站臺中心里程為CK0+398，底板埋深18.00 m，外包總長660.45 m，本站開挖土方約13 m3。前海灣車站基坑開挖前，鯉魚門車站主體結(jié)構(gòu)已澆筑完成，且部分回填。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《前海灣站詳勘階段巖土工程勘察報告》，前海灣站土層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 前海灣站土層物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of soil stratum of Qianhaiwan Station

2.2 計算內(nèi)容

大量數(shù)值計算結(jié)果表明，直接采用給定的巖土力學(xué)勘察數(shù)據(jù)進行數(shù)值計算所得結(jié)果往往和實際有較大出入。本文根據(jù)前海灣現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的基坑周邊沉降值、樁體測斜值以及鋼支撐軸力大小，在表1數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次二維模型反算，得到適用于本地層的土體力學(xué)參數(shù)，并運用反算得來的土體參數(shù)再計算有無既有地鐵車站結(jié)構(gòu)時新建車站施工(三維)引起的周邊土體位移，及新開挖基坑圍護結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化情況。

2.3 模擬方法

2.3.1 土體與初始應(yīng)力

對于一個長度不大的區(qū)段，土層厚度變化相對較小，為簡化數(shù)值建模，均按等厚考慮，具體土層厚度取值參見表1，各土層采用摩爾庫倫材料模型進行模擬［9－10］，計算時采用水土合算方法，未考慮施工過程中的地下水滲流作用。

2.3.2 車站主體結(jié)構(gòu)模擬

前海灣和鯉魚門站模型建立均依據(jù)實際結(jié)構(gòu)形式，由實體單元模擬，采用彈性模型，彈性模量取為30 GPa，泊松比為0.3，密度為2 500 kg/m。

2.3.3 圍護結(jié)構(gòu)

車站圍護樁體包括直徑1 200 mm間距1 350 mm沖孔樁及直徑600mm旋噴止水樁，為更好地模擬樁土之間的相互作用情況，方便在FLAC3D計算命令流中樁身位移與內(nèi)力的提取，沖孔樁用Pile單元模擬，旋噴止水樁由實體單元模擬。4道水平鋼支撐及圈梁用Beam單元模擬，如圖2所示?？紤]到鋼支撐的實際情況，偏于安全地將水平鋼支撐的約束形式均設(shè)定為雙向鉸接，以便準確地模擬鋼支撐的受力情況。

圖2 前海灣站圍護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of retaining structure of Qianhaiwan Station

2.3.4 鋼支撐預(yù)應(yīng)力

4道鋼支撐預(yù)加應(yīng)力實際設(shè)計值分別為300，800，1 200和1 100 kN。FLAC3D中模擬預(yù)應(yīng)力通常是在支撐兩端施加反向力以模擬支撐對土體的反作用，本文在總結(jié)常規(guī)方法的基礎(chǔ)上提出并采用在FLAC3D中模擬按(力)位移加載方式施加鋼支撐預(yù)應(yīng)力的改進方法。該方法充分考慮了預(yù)應(yīng)力鋼支撐的作用機理。在架設(shè)鋼支撐之前，先對鋼支撐施加一個預(yù)壓力(＞設(shè)計值)壓縮鋼支撐，使其端點產(chǎn)生一個小位移，從而促使鋼支撐產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力;而后在FLAC3D通過Link單元建立鋼支撐與圍護結(jié)構(gòu)的有效連接，再撤除施加的預(yù)壓力，使鋼支撐因回彈產(chǎn)生對圍護結(jié)構(gòu)的頂推力。這種模擬方法顯然更符合實際施工情況。

2.3.5 基坑開挖過程

實際的基坑開挖分4層，主要考慮豎向分層影響，在FLAC3D中開挖模擬流程為:

1)使用model null命令將第1層土體挖除;

2)在開挖范圍內(nèi)用beam單元架設(shè)第1道鋼支撐;

3)Solve命令直至完全平衡;

4)將第2層體挖除;

5)開挖范圍內(nèi)用beam單元架設(shè)鋼支撐;

6)Solve命令直至完全平衡;

以上步驟循環(huán)進行，直至挖除4層土體至基坑底。

2.4 幾何模型

數(shù)值計算幾何模型如圖3所示，既有鯉魚門站與待挖前海灣站距離8.4 m，距離前海灣站基坑邊緣7 m處為寬度15 m的擋淤堤。幾何模型尺寸為200 m× 49 m×38 m(長×寬×高)，共有節(jié)點17 550個，單元164 836個。

圖3 三維數(shù)值幾何模型Fig.3 3D geometric model for numerical analysis

3 計算結(jié)果分析

3.1 既有站結(jié)構(gòu)對新建地鐵車站施工影響

圖4為無擋淤堤一側(cè)的有、無既有鯉魚門車站結(jié)構(gòu)的圍護樁體變形對比圖。由圖4可知:當不存在鯉魚門既有車站時，前海灣站基坑無擋淤堤(即鯉魚門站)方向樁體的最大變形值為21.71 mm，位于地面以下15 m處;當存在鯉魚門既有車站結(jié)構(gòu)時，相同位置處的樁體最大變形值減小約16.34 mm，相比前者減小了24.7%，深度位置不變。由此可見:鯉魚門既有車站結(jié)構(gòu)的存在對同側(cè)樁體的變形有一定的限制作用，這可以解釋為鯉魚門車站作為剛體結(jié)構(gòu)的存在，阻斷了土體原先的位移傳播路徑，約束了本應(yīng)發(fā)生位移且對前海灣站圍護樁體存在作用力的土體，這對新開挖基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形控制顯然有利。

圖4 無擋淤堤側(cè)前海灣基坑樁體變形對比圖Fig.4 Deformation of piles of Qianhaiwan Station on the side without mud barrier

圖5為有、無既有車站有擋淤堤側(cè)樁體變形對比圖。由圖5可知:當存在既有鯉魚門站結(jié)構(gòu)時，新建前海灣基坑有擋淤堤方向樁體最大變形值為18.59 mm，位于地面以下15 m處;當不存在鯉魚門結(jié)構(gòu)時，前海灣基坑相同位置處的樁體最大變形值為20.47 mm，比前者增大10.1%，依然位于地下15 m處。可見，對于存在擋淤堤側(cè)樁體，既有鯉魚門結(jié)構(gòu)的存在反而會使其變形值增大。這種情況的出現(xiàn)可看作擋淤堤側(cè)樁體變形主要受另一側(cè)樁體變形值的影響，也就是說，既有鯉魚門站結(jié)構(gòu)的存在首先影響其同側(cè)圍護樁體的變形，進而通過鋼支撐的傳導(dǎo)作用影響到另一側(cè)的樁體位移。

圖5 有擋淤堤側(cè)前海灣基坑樁體變形對比圖Fig.5 Deformation of piles of Qianhaiwan Station on the side with mud barrier

圖6為前海灣基坑鋼支撐軸力對比圖(第1道鋼支撐軸力為負值，呈受拉現(xiàn)象，這也符合許多工程實際監(jiān)測情況，數(shù)值在圖中略去)。由圖6可知，不存在既有鯉魚門站時各道鋼支撐軸力值比存在鯉魚門站時的軸力有所增大，最大增幅為74kN。從支撐軸力方面分析，既有車站的存在對新開挖基坑支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響有利。

圖6 前海灣基坑鋼支撐軸力對比圖Fig.6 Axial force of steel supports of Qianhaiwan Station

3.2 新建地鐵站施工對既有站結(jié)構(gòu)影響

圖7和圖8為鯉魚門站廳主體結(jié)構(gòu)的水平位移云圖與豎向位移分布圖。分析此2圖可知:由于鯉魚門車站結(jié)構(gòu)的存在，在鯉魚門結(jié)構(gòu)靠近基坑的邊角處，結(jié)構(gòu)自身及土體產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，這是由于鯉魚門結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動傾斜引起的?；娱_挖時，土體卸荷，打破原來的力學(xué)平衡，土體進行內(nèi)力調(diào)整，圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，基坑底部隆起，從而產(chǎn)生坑周土體位移，從坑周開始，逐次向坑外傳遞，存在位移產(chǎn)生、發(fā)展、傳遞的過程。當土體位移傳遞到鯉魚門站結(jié)構(gòu)時，由于鯉魚門站結(jié)構(gòu)剛度較大，土體位移的連續(xù)傳遞就被阻斷，而其他位置處的位移傳遞仍然在進行，最終導(dǎo)致了鯉魚門結(jié)構(gòu)向前海灣基坑反向傾斜，且存在一定隆起現(xiàn)象。

圖7 臨近鯉魚門站廳結(jié)構(gòu)水平位移云圖Fig.7 Cloud of horizontal displacement of concourse structure of adjacent Liyumen station

圖8 臨近鯉魚門站廳結(jié)構(gòu)豎向位移云圖Fig.8 Cloud of vertical displacement of concourse structure of adjacent Liyumen station

4 結(jié)論與討論

通過對深圳地鐵5號線前海灣站基坑工程與緊鄰1號線既有鯉魚門車站結(jié)構(gòu)相互影響的計算分析，可以得出以下結(jié)論:

1)在鄰近既有鯉魚門地鐵站結(jié)構(gòu)開挖前海灣站新基坑時，既有結(jié)構(gòu)的存在使得土體位移傳播路徑改變，近鯉魚門站側(cè)基坑樁體水平位移減小，遠側(cè)樁體則增大。

2)在鄰近既有地鐵車站開挖新基坑過程中，新挖基坑的鋼支撐軸力有一定程度的減小，有利于圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3)由于土體位移傳播路徑被阻擋，新基坑開挖會使既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn)，但對既有車站的安全性影響總體不大。

本文運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行精細化建模，分析新建基坑開挖與近接既有地鐵站結(jié)構(gòu)之間的相互影響，得到了若干與現(xiàn)場監(jiān)測相符的結(jié)果。但由于地下工程的復(fù)雜性與多樣性，此類問題還有待進一步全面深入的研究。

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