复合地层超深基坑开挖对邻近地铁车站的影响研究.pdf

发展与创新203工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月摘要：复合地层超深基坑动态开挖过程中，新建超深基坑施工会对既有车站产生一定的影响，导致既有车站结构变形或沉降，甚至影响结构安全，使其无法正常运营，因此，有必要研究复合地层超深基坑动态开挖。文章以成都轨道交通 18 号线某车站基坑为工程背景，基于复合地层深基坑在不同施工环境中开挖，从基坑土体既有车站的传力机制角度分析工程扰动引起围护结构变形及地表沉降。研究表明，相比自由场深基坑动态开挖，近接既有车站施工时围护结构桩体侧同比增长 38.17%，地表沉降同比增加 38.23%，既有车站差异沉降达 4.67 mm。鉴于两车站间距的特殊性，后期施工过程中应采取针对性措施，减少新建基坑对既有车站的影响。关键词：复合地层；超深基坑；既有车站；数值模拟Abstract:In the process of dynamic excavation of ultra-deep foundation pit in composite stratum,the construction of newly built ultra-deep foundation pit will have a certain influence on the existing station,which will lead to the deformation or settlement of the existing station structure,and even affect the safety of the structure,making it unable to operate normally.Therefore,it is necessary to study the dynamic excavation of ultra-deep foundation pit in composite stratum.Taking the foundation pit of a station on Chengdu Rail Transit Line 18 as the engineering background,based on the excavation of deep foundation pit in composite stratum in different construction environments,this paper analyzes the deformation of retaining structure and surface settlement caused by engineering disturbance from the perspective of force transmission mechanism of 复合地层超深基坑开挖对邻近地铁车站的影响研究周 博成都轨道建设管理有限公司，四川 成都 610000Research on the Influence of Ultra-deep Foundation Pit Excavation in Composite Stratum on Adjacent Subway StationsZHOU BoChengdu Railway Construction Management Co.,Ltd.,Chengdu 610000,Sichuan,China066.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.12.城市高层建筑和地铁系统均涉及深基坑工程，基坑开挖过程的主要研究内容有基坑自身稳定、邻近高层建筑1、邻近既有隧道2、邻近地下管线3、邻近高架桥桩4及邻近既有车站5等，以基坑自身稳定为主。虽然基坑工程发展较为成熟，但其对周围环境的影响，既有建筑的变形、地层扰动、围护结构响应等一系列问题仍需进行深入探究，尤其是研究较少的邻近地铁车站问题，且以往研究对复合地层开挖深度 40 m 以上的基坑工程和既有车站结构的研究尚有不足。1 数值分析模型创建建立计算模型区域（尺寸为 380 m180 m140 m），各层土体均采用实体单元进行模拟，模型上边界为自由变形边界，侧面施加法向约束，底面施加固定约束，作者简介：周博，男，本科，工程师，研究方向为地铁建设管理。foundation pit-soil-existing station.The research shows that compared with the dynamic excavation of the deep foundation pit in the free field,the pile side of the retaining structure increases by 38.17%year-on-year during construction near existing stations,the surface settlement increases by 38.23%year-on-year,and the differential settlement of the existing station reaches 4.67 mm.In view of the particularity of the distance between the two stations,targeted measures should be taken in the later construction process to reduce the influence of the newly built foundation pit on the existing station.Key Words:composite stratum;ultra-deep foundation pit;existing station;numerical simulation分类号：U231+.3发展与创新2042023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究未考虑周边地表建筑的影响，土体采用小应变土体硬化本构模型（HSS），土层及材料的物理力学指标如表 1所示。态开挖过程中基坑自身结构对周边岩土体的动态扰动响应，从而衡量有既有车站时的施工效果。基坑呈长条形，选取基坑长边一侧分析其变形特土层重度/（kNm-3）黏聚力/（kNm-2）内摩擦角/（）标准三轴排水实验割线刚度/（kNm-2）侧限压缩试验切线刚度/（kNm-2）卸载/重加载刚度/（kNm-2）杂填土17.210102.2E42.2E46.6E4粉质黏土19.635122.34E42.34E47.02E4稍密卵石200332.5E42.5E47.5E4中密卵石210363.8E43.8E411.4E4密实卵石220385.0E45.0E415.0E4中风化泥岩23600453.0E62.5E69.0E6表 1 物理力学指标模型涉及的土层物理力学参数参考勘察报告中压缩模量 Es0.1-0.2并结合工程设计经验换算确定。软土（Es0.1-0.22 3 MPa）：0.1 0.25001 1 1.5 8 20refrefrefsoedurEEEEG:=:（1）黏土（Es0.1-0.26 8 MPa）：0.1 0.25001 1 1refrefrefsoedurEEEEG:=:5:10（2）砂土（Es0.1-0.2 18 MPa）：0.1 0.25001 1 1refrefrefsoedurEEEEG:=:3:5（3）挡土结构钻孔灌注桩等效为板单元采用 Plate 模拟，根据结构主要受力方向，按其轴向刚度等效计算等效厚度，长条状矩形基坑挡墙以受弯为主，主要按照其抗弯刚度等效计算等效厚度。混凝土支撑采用beam 单元模拟，钢支撑采用 anchor 单元模拟，车站主体混凝土结构采用线弹性实体单元模拟。12eqEIdEA=（4）（5）式中：deq为等效厚度；EI 为抗弯刚度；EA 为轴向刚度；D 为桩径；t 为桩间距；h 为板单元厚度。数值计算要点如下：（1）计算初始应力状态，在重力加速度作用下生成土体的初始孔隙水压力和初始地应力，但是由此产生的位移不计入下一步计算；（2）围护结构施工，激活模拟围护结构的板单元和界面单元引起的变形也不计入下一步计算过程；（3）分层开挖控制中心内的土体并及时施作支撑。2 超深基坑单独开挖模拟分析单独模拟深基坑开挖施工时不考虑既有建筑，目的是模拟天然状态下新建车站基坑施工过程中对自身结构及周边地表造成的扰动损失，模拟深基坑向下动点。单独开挖引起围护结构响应如图 1 所示，单独开挖引起地表纵向沉降变化如图 2 所示。0图 1 单独开挖引起围护结构响应0图 2 单独开挖引起地表纵向沉降变化3 超深基坑邻近既有车站开挖模拟分析邻近既有车站开挖引起围护结构响应如图 3 所示，其中，侧向位移以指向基坑内部为负。围护结构变形随开挖深度呈中间大两头小的曲线，基坑长边中部围护桩位移最大，为 8.03 mm，变形较大区域位于（0.4 0.6）H 范围内，H 为基坑开挖深度。开挖深度发展与创新205工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月不断加大，深层桩体水平位移持续增加，但呈现明显的边际递减趋势。在基坑动态向下开挖过程中，深度持续加大的同时，坑内土体卸荷导致坑壁内外两侧的压力差不断增加，使基坑围护结构的桩体位移最大，为 13.15 mm。0图 3 邻近既有车站开挖引起围护结构响应邻近既有车站开挖引起地表纵向沉降变化如图 4所示，根据计算结果选取基坑长边一侧中部土体沉降值进行分析，基坑开挖对基坑周边土体产生扰动，基坑周边的竖向沉降呈现漏斗状变形特征，随着基坑深度不断加大，周边土体的沉降值也不断增加，漏斗形状越发显著，纵向沉降变化值整体逐渐增大，沉降最大值为 5.0 mm。随着基坑深度持续加大，两车站之间的土体沉降值也不断增加，待开挖完成后，产生 18.7 mm沉降，接近预警值 20 mm，既有车站右（东）侧土体竖向位移在-1.0 0.5 mm 浮动。0图 4 邻近既有车站开挖引起地表纵向沉降变化既有车站结构位移如图 5 所示，深基坑近接既有车站施工，车站整体结构呈现左侧沉降右侧轻微隆起的变形特征，使既有车站朝新建深基坑发生偏转。车站总位移的最大值为 4.3 mm，既有车站两侧产生 4.67 mm 的差异沉降。4 结论（1）围护结构侧向位移最大值为-8.03 mm，地层变形最大沉降为-4.96 mm，表明在不考虑既有建筑的施工环境中，基坑开挖引起的扰动有所减弱。（2）考虑实际施工环境存在既有车站，且新旧车站间距仅-5.3 m，将在数值模型中分析新建基坑施工过程产生的结构响应及既有车站的影响，结果显示，围护结构桩体侧移达-13.15 mm，相比增长 38.17%，地表沉降出现骤降，达-18.07 mm，相比增加 38.23%。（3）深基坑近接既有车站施工导致其总位移最大值为-4.3 mm，一沉一隆使车站整体发生了偏转，产生4.67 mm 的差异沉降。鉴于两车站间距的特殊性，后期施工过程中应采取针对性措施，减少新建基坑对既有车站的影响。参考文献1 吴朝阳.地铁车站基坑施工对邻近建筑物影响的研究D.长沙:湖南大学,2015.2 林杭,陈靖宇,郭春,等,基坑开挖对邻近既有隧道变形影响范围的数值分析J.中南大学学报(自然科学版),2015,46(11):4240-4247.3 唐金刚.基坑复合变形模式下对邻近不同位置既有地铁车站的影响研究J.工程机械与维修,2022(5):78-83.4 李海阳.复合支护体系深大基坑施工影响下地铁车站变形控制D.北京:北京交通大学,2021.5 谢珠玑.土岩复合地层地铁车站地下连续墙支护超深基坑变形特性分析D.长沙:长沙理工大学,2019.（a）总位移（b）差异沉降图 5 既有车站结构位移X/m0