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学科代码：081401深基坑施工对紧贴地铁存车线结构的变形研究唐长东，杨小平，刘庭金（华南理工大学，土木与交通学院，广东 广州 510640）摘 要：随着城市轨道交通网的进一步发展，越来越多的深基坑工程在已建地铁结构邻近范围内施作。近距离基坑开挖卸荷会引起地铁的位移变化，因此为确保地铁结构的安全和正常使用，预测和控制其变形的保护工作显得日益重要。本文以广州某深基坑施工对侧方地铁结构影响的实际工程为背景，通过三维整体有限元模型动态模拟分析了深基坑施工对紧贴的地铁存车线结构的变形影响，分析了基坑开挖过程中时间、空间效应对其变形的影响规律，并提出了相应控制地铁变形的保护措施。分析结果表明：由于深基坑开挖卸载，地铁车站存车线结构发生朝向基坑侧的水平位移以及竖向隆起，其中靠近基坑侧的竖向变形大于远离基坑侧，数值模拟的变形预测规律与地铁实测数据的变形规律较为吻合。三维整体数值模拟能较好的反映地铁结构在紧贴其施作的基坑开挖过程中的施工变化情况，对此类工程的变形预测有较好的适用性，并对优化基坑支护设计和施工方案，制定相关地铁保护措施具有一定的指导意义。关键词：基坑开挖；地铁结构变形；实测数据；数值模拟 中图分类号: U45 文献标识码: A 文章编号:Research on deformation of metro storage siding due to adjacent deep excavationTANG Zhangdong, YANG Xiaoping, LIU Tingjin（School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology, Guangzhou Guangdong，510640，China）Abstract：As the development of urban rail transit system, more and more deep exvacation projects built nearby metro structure. Unloading of soil by excavation in a close distance will induce displacement to metro structure. So in order to make sure the security and normal usage of metro, the protection task of predicting and controlling displacement became more and more important. Base on an actual project in Guangzhou, this paper studies the displacement rule of metro by integral finite element 3D-model which analysises deformation influence dues to deep excavation of foundation pit processes and time and space effect. And it brings forward some metro displacement controlling metheds. The numerical simulation result indicates that the metro structure horizontal deformation points to the foundation pit and vertical upheaval deformation that near the pit is more than the far away side.The deformation rule of numerical prediction fits the measured value. integral finite element method can simulate this kind of engineering activity well, and provide convincing predictive results, optimize the pit-retaining structure design and 收稿日期：2010-08-25 作者简介：唐长东，男，1986年生，硕士研究生，研究方向：岩土工程（E-mail: 403982857） 通讯联系人：杨小平，男，副教授。E-mail：；刘庭金，男，副教授，E-mail:liu_construction and can direct the relative measures of metro protection.Key words：excavation; metro deformation; measured value; numerical simulation当前国内城市轨道交通正飞速发展，随着城市轨道交通网的进一步发展，在地铁结构邻近范围内实施基坑开挖的工程将越来越多，地铁保护工作的重要性也日益突出。基坑开挖土体卸荷必然引起周围地层移动，导致隧道位移变化，严重威胁地铁安全1。地铁结构对变形的要求极其严格，上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定要求：一般情况下，结构绝对最大位移不能超过20 mm，变形曲线的曲率半径不小于15000 m，相对弯曲不大于1/2500。然而，近距离基坑开挖对地铁结构影响的理论方法尚未成熟，符合各个地区实际情况的量化标准也未出台。为保护地铁结构的安全及正常营运，准确预测和控制地铁结构受邻近范围内的土体开挖影响变形的研究还尚需进一步深入，并成为地铁保护问题中急需解决的难题之一。整体有限元方法是临近基坑施工对地铁隧道影响分析的主要方法2。随着计算机性能和软件水平的提高，对大量实测数据的反分析检验将更加成熟，三维整体有限元方法能较全面地预测分析深基坑开挖施工对周边环境的影响的优点也会越来越明显，有着极大的发展空间，值得进一步深入研究。1 工程概况广州某商住项目位于天河区珠江新城，该地块拟建高层商住楼，场地北侧紧贴地铁五号线猎德站单层和双层存车线结构并处于地铁五号线珠江新城站猎德站区间隧道结构保护范围内，其平面位置关系如图1所示。其地下室为3层分为两期施工，一期基坑开挖深度为13.5 m，基坑周边总长约600 m；二期基坑开挖深度为12.9713.17 m，周边总长约380 m。图1 基坑与地铁结构平面关系Fig.1 Relative plan location between foudation pit and metro structure离地铁较近的一期基坑采用排桩（冲、钻孔桩）加两层钢筋混凝土内支撑的刚性支护设计方案，北侧紧贴存车线结构处与地铁共用围护桩，西北侧距离区间隧道结构的最小水平距离约为10 m。基坑底面开挖标高高于猎德站存车线结构底面标高约3.5 m。一期基坑与地铁区间隧道和猎德站存车线结构的剖面关系分别如图2图3所示。本工程范围内的地层主要有：人工填土层；冲积土层（-1淤泥及淤泥质土、-2粉质粘土、-3粉细砂、中砂和-4粉质粘土）；残积粉质粘土；-1强风化泥质粉砂岩层；-2中风化泥质粉砂岩层；-3微风化泥质粉砂岩层。 其中地铁区间隧道、地铁单层存车线和双层存车线负2层周边地层以强风化和中风化泥质粉砂岩为主，而双层存车线负1层则处于冲积残积土层。图2 一期基坑与单层存车线剖面关系Fig.2 Section of stagefoudation pit and single floor storage siding of metro图3 一期基坑与双层存车线剖面关系Fig.3 Section of stagefoudation pit and double floor storage siding of metro2 数值模拟预测本文采用MIDAS-GTS三维岩土有限元软件，运用整体有限元法对上述工程进行了基坑开挖卸荷对紧贴的已建地铁存车线结构的变形预测。2.1 整体有限元模型在有限元建模中，考虑基坑开挖对周围土体及隧道的影响范围，三维计算模型的尺寸选取405 m245 m45 m。整体模型简化了沿地铁结构纵向的坡度变化，即认为其行车标高始终不变，并采用3D实体单元来对土体进行应力变形分析，采用2D板壳单元模拟围护桩、隧道衬砌和存车线主体结构，采用1D梁单元模拟基坑内支撑杆件，地铁与支护结构三维位置关系见图4。本文借鉴张治国3 在弹性层状半空间地基模型中连续弹性解法的研究成果，土体采用弹性模型。关于其他各种材料，隧道衬砌以及存车线主体结构假定为线弹性体，并且在计算中不设置隧道衬砌以及存车线结构、围护结构与土体间的接触面单元，即不考虑它们之间的脱离现象，认为它们始终是协调变形的。对于各地层力学计算参数的选取，本文参考陆培炎4对广州地区岩土材料大量试验的研究成果，并结合该地块岩土工程勘察报告资料而综合确定。各地层的弹性模量等计算参数详见表1。图4 基坑支护结构与地铁三维模型Fig.4 3D numerical model of pit-retaining structure and metro structure表1 地层及结构力学计算参数表Tab.2 Mechanical parameters of soil and structure for computation材料名称重度/（kN/m3）弹性模量/MPa泊松比上部填土18.580.32淤泥质粘土1850.35粉质粘土19250.3强风化岩211800.24中风化岩235000.24微风化岩2410000.2C30混凝土25300000.2C50混凝土25500000.22.2 施工过程动态模拟对于基坑开挖施工过程，通过激活和钝化相应网格组来模拟实际的开挖过程，施工工况按照实际施工步骤分层分区（如图5所示）开挖。根据基坑的施工设计，施作完围护桩后，先开挖第一层土至地面下3 m，一边开挖一边从A区向L区施工第一道内支撑，内支撑的施作与土体的继续开挖保持3个区的流水施工空间，即A区与B区之间的第一道内支撑施工时，第一层土的D区也开挖完毕。同样按照此流水施工步骤开挖土体至第二道内支撑标高和基坑底，并且在开挖至基底后增加浇筑地下室底板和施作地下室的施工工序。施工工况模拟详见表2，表中A区的第2层土体记为A2，其余土层类似； C区和D区之间的第一道内支撑记为1CD，其余类似。图5 基坑分区开挖平面示意图Fig.5 Plan of divisiory excavation of foudation pit表2 流水施工工况模拟内容Tab.2 Flow contstruction process details and corresponding modeling content施工工况所模拟的实际内容0建立初始地应力场1施作地铁存车线结构围护桩2施作存车线主体结构，复合式支护区间隧道以及存车线上部回填3施作基坑围护结构和内支撑立柱4基坑开挖A1、B1、C1至地面下3m5基坑开挖D1、E1、F1；施作1AB、1BC、1CD6基坑开挖G1、H1、I1；施作1DE、1EF、1FG；开挖A2、B2、C2至地面下8.3m7基坑开挖J1、K1、L1；施作1GH、1HI、1IJ；开挖D2、E2、F2至地面下8.3m；施作2AB、2BC、2CD8施作1JK、1KL，闭合第一道腰梁；基坑开挖G2、H2、I2；施作2DE、2EF、2FG；开挖A3、B3、C3至基底地面下13.5m9基坑开挖J2、K2、L2；施作2GH、2HI、2IJ；开挖D3、E3、F3至基底地面下13.5m；施作A、B、C区底板10施作2JK、2KL，闭合第二道腰梁；基坑开挖G3、H3、I3至基底地面下13.5m；施作D、E、F区底板；施作A、B、C区地下室11基坑开挖J3、K3、L3至基底地面下13.5m；施作G、H、I区底板；施作D、E、F区地下室12施作J、K、L区底板；施作G、H、I、J、K、L区地下室2.3 数值模拟预测结果2.3.1沿存车线纵向变形发展趋势 以沿存车线纵向每隔15 m设置的监测断面的B点（见图1图3）作为典型变形点，模拟得到一系列监测点在基坑开挖过程中水平方向和竖直方向位移的发展趋势，分别如图6和图7所示。图6 沿存车线纵向B点的水平变形发展趋势Fig.6 Horizontal deformation tendency of point B alone metro storage siding图7 沿存车线纵向B点的竖向变形发展趋势Fig.7 Vertical deformation tendency of point B alone metro storage siding由图7可知，1）距端头120 m附近区段明显向上隆起的3条曲线，与相应工况（如工况6）率先开挖下一层土造成存车线结构更进一步侧向局部卸载，而产生结构局部隆起变形的情况较为吻合；2）紧接的下一工况，在曲线上表现的是距端头80 m附近区段所产生的新的隆起，原因是由于同层土的继续开挖施工，导致侧向卸载区段进一步扩大而竖向位移在新开挖卸载区段的增长；3）上述过程中，开挖卸载区段的局部竖向隆起量值增长较为明显，而相邻区段几乎没有增长，说明存车线结构的隆起变形在开挖卸载区段敏感度较高，而相邻区段则影响较小；4）在工况9即A、B、C区浇筑底板之前，竖向隆起整体上保持增长的趋势；在浇筑底板和施作地下室后，A、B、C区竖向位移减小最大为0.65 mm；而整体上随着土体的继续开挖，竖向隆起在距存车线端头60 m断面处最大值达到3.99 mm。数值模拟表明，紧贴地铁的基坑局部开挖所引起的地铁结构局部变形，竖向位移敏感度大于水平位移；并且数值模拟能较好的反映存车线结构在紧贴其施工的基坑开挖过程中的工况变化情况。2.3.2 存车线横剖面变形特点 工况10施工完成后的单层和双层存车线横剖面变形结果如图8所示。从图中可见，由于存车线侧向的开挖卸载，造成存车线两侧的土压力不平衡，使存车线结构发生朝基坑方向的水平位移和竖向隆起变形，但由于存车线结构及其左右侧围护桩的存在，阻挡了基坑开挖引起的位移传递5，使竖向隆起在近基坑端大于远离基坑端。最大变形值都发生在侧墙中部偏上位置，单层存车线最大变形值为4.55 mm，双层存车线最大变形值为3.69 mm。a) 单层存车线a) Single floor storage siding of metrob）双层存车线b) Double floor storage siding of metro图8 工况10下存车线横剖面变形图Fig.8 Deformation section of storage siding under construction stage 10 3 预测结果与实测数据比较由于各种因素，监测断面上仅B、C测点的监测数据较为全面，以下仅对B点进行预测值与实测值的比较分析。表3、表4将各监测断面B测点在工况8和工况10的水平和竖直方向位移进行了对比。从表中可知，1）实测值几乎都小于有限元预测值；2）实测的竖向隆起量值不大，变形不明显；3)在工况8和工况10完成后，预测结果与监测数据水平方向位移最大绝对差值分别为0.71和0.77 mm；竖向位移最大绝对差值分别为3.39和3.77 mm。有限元预测结果与实测数据较为接近，变形规律在水平方向上较为吻合，但局部存在一定偏差，如图9所示。测量误差、施工误差以及施工工况与实际进度不完全一致都是产生预测结果与实测数据偏差的可能原因。表3 B测点水平位移的预测值与监测数据的对比Tab.3 Horizontal deformation comparison of predictive value and measured value of point B断面号工况8工况10实测值/mm计算值/mm相差值/mm实测值/mm计算值/mm相差值/mm0-1.19 -1.09 0.11 -1.31 -1.75 0.43 1-1.19 -1.20 0.01 -1.29 -1.76 0.47 2-1.28 -1.30 0.02 -1.22 -1.79 0.58 3-1.09 -1.39 0.30 -1.12 -1.82 0.70 4-1.17 -1.45 0.29 -1.21 -1.84 0.63 5-1.08 -1.49 0.40 -1.30 -1.80 0.51 6-1.06 -1.56 0.50 -1.18 -1.79 0.61 7-1.09 -1.61 0.51 -0.93 -1.69 0.77 8-0.77 -1.48 0.71 -1.05 -1.50 0.45 9-0.73 -1.21 0.48 -0.70 -1.21 0.51 10-0.47 -0.89 0.42 -0.51 -0.91 0.41 表4 B测点竖向位移的预测值与监测数据的对比Tab.4 Vertical deformation comparison of predictive value and measured value of point B断面号工况8工况10实测值/mm计算值/mm相差值/mm实测值/mm计算值/mm相差值/mm00.34 0.97 0.63 0.28 1.77 1.50 10.32 1.81 1.49 0.25 3.03 2.78 20.30 2.31 2.01 0.23 3.72 3.48 30.28 2.54 2.26 0.22 3.99 3.77 40.27 2.57 2.30 0.21 3.87 3.66 50.26 2.64 2.38 0.22 3.68 3.46 60.24 2.84 2.60 0.20 3.49 3.28 70.20 3.43 3.23 0.17 3.22 3.05 80.21 3.59 3.39 0.18 3.01 2.82 90.15 2.93 2.77 0.13 2.32 2.19 100.07 1.76 1.70 0.07 1.36 1.29 通过预测结果与工程实测数据的分析比较，认为三维整体有限元模型对此类工程具有较好的适用性，计算参数取值合理，可为实际工程的设计和施工方案的优化提供一定的参考。图9 工况10下的水平变形规律Fig.9 Horizontal deformation tendency alone metro storage siding under construction stage 104 控制地铁变形的措施4.1 分区开挖为对比分区开挖与不分区开挖的影响，在模型中建立分层不分区开挖的新施工工序（开挖第一层土至地下3 m施作第一道内支撑开挖第二层土至地下8.3 m施作第二道内支撑开挖第三层土至地下13.5 m浇筑底板施作地下室），经计算得到存车线结构每个工况下的最大位移值与分区流水施工时的对比，如图10所示。从图可知，分块开挖对减小存车线变形不是很明显，但是分区流水施工的变形曲线较为平缓，并能规避不分区开挖所产生的峰值影响，符合时空效应理论。图10 分区与不分区开挖在每个工况下的存车线最大位移值变化Fig.10 Maxinum deformation tendency of divisory and undivisory excavation under each construction stage4.2 反压措施4.2.1 减小基底暴露时间 由前述数值模拟可知基底反压加载可以抑制甚至减小地铁的变形。因此，在基坑开挖到底后尽快进行底板和地下室施工，减小基底暴露时间，是地铁保护的一项有效措施。4.2.2 设置反压块并保留其下方土体 如图11所示，在靠近存车线一侧的基坑边缘，第二道腰梁上设置外凸的反压块，并保留下方土体不开挖。一方面可以对隆起变形起到一定程度的反压作用，另一方面还可以减少卸载量，对地铁起到一定的保护作用。图11 反压块及未开挖保留土体的现场照片Fig.11 Field photograph of pressing block and unexcavation soil5 结论本文采用三维整体数值模拟的方法，按照实际的施工步骤，动态分析了深基坑施工对紧贴的地铁存车线结构的变形影响。主要结论如下：1）数值模拟表明，紧贴地铁的基坑局部开挖所引起的存车线结构局部变形，竖向位移敏感度大于水平位移；地铁竖向隆起变形近基坑端大于远离基坑端。2）采取分区流水开挖施工和一定反压措施，如基坑开挖到底后尽快施作地下室、设置反压块并保留基坑部分土体不开挖是地铁保护的一项有效措施。3）为提高预测计算的正确性，应加强信息化施工，为反分析提供大量的实测数据，不断提高参数取值的正确性，最终较好地指导设计和施工。4）在目前预测计算