基坑开挖对邻近地铁高架影响的变形计算与监测分析

黄文彬，王 源，孙国峰

（1、深圳市岩土综合勘察设计有限公司 深圳 518172；2、深圳市龙岗地质勘查局 深圳 518172）

0 引言

随着深圳城市轨道交通建设的快速发展，地铁线路穿越城市中心密集地区，线路周边存在越来越多住宅及商业建筑开发，这些项目开发往往涉及超大深基坑。紧邻地铁结构的基坑开挖，如何选择合理的支护型式确保地铁变形在允许范围内的同时又使得施工便利，加快施工工期，对设计和施工提出了更高的要求。为确保基坑以及周边地铁线路结构的变形可控，业内人员在设计此类基坑的时候往往优先采用内支撑支护型式，该类支护型式有较高的平面支护刚度，对于控制变形有很好的效果，也取得了较丰富的工程技术经验［1-11］。但另一方面，内支撑支护型式的使用也牺牲了较大的工程造价和施工工期，地下室施工作业面受限，施工便利性也大打折扣。

在地质条件相对较理想的情况下，在临近地铁高架线路采用非内支撑类的支护型式，如双排桩+短锚索、桩锚等进行基坑开挖的工程案例和相关研究较为少见，本文将以深圳地铁龙华线上塘地铁站至龙胜地铁站之间的高架线路为依托，利用传统弹性计算理论、数值模拟分析以及自动化监测等手段对基坑开挖过程中的支护结构变形以及地铁高架桥的变形情况展开详细研究。

1 工程简介

1.1 工程概况

某项目位于深圳市龙华上塘地铁站附近，东北临民塘路，西北临建设路，西南临腾龙路及地铁龙华线，东南临洁玉路（建设中）。拟建项目为7栋高层住宅楼及配套商业用房，地下室2 层，基坑开挖深度为8.40～9.90 m，周长约720 m，开挖面积约30 500 m2。

项目西侧局部支护段位于地铁龙华线轨道安保区范围内，基坑支护边线距地铁轨道边线最小距离约17.5 m，轨道结构类型为预应力混凝土简支梁（单线），轨道桥梁下为“桥墩+承台+桩基础”。本项目与地铁高架关系如图1所示。由于基坑开挖区局部位于地铁轨道安全保护区范围以内，基坑开挖引起的土体变形可能对地铁桥墩产生影响。

图1 项目与地铁线路关系平面Fig.1 Plane Diagram of Relationship Between Foundation Pit and Subway Elevated

1.2 地质条件

根据地质勘察报告显示，紧邻地铁一侧的场地地质条件自上而下可依次划分为：①素填土；③含砾黏土；④砾质黏性土；⑤1全风化花岗岩；⑤2强风化花岗岩；⑤3中风化花岗岩；⑤4微风化花岗岩，开挖范围内土层主要为残积土以下土层，土层物理力学参数如表1所示，可以看出地质条件相对较好。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Mechanical Parameters of Soils

1.3 工程重点及难点

⑴本项目基坑开挖区局部位于深圳地铁4 号线上塘地铁站至龙胜地铁站站间线路的安保区范围内，地下室侧墙线距离高架基础最近约17.5 m，高架基础型式为“柱+承台+桩”。基坑开挖过程中导致土体应力释放，产生往基坑方向的水平和竖向位移，根据位移传递规律可知紧邻的地铁高架基础将受到一定影响，传统弹性理论无法计算周边建构筑物随基坑开挖变形的影响情况，因此，如何确保基坑开挖引起的地铁高架变形在允许范围内是一个极其有挑战性的难题。

⑵基坑形状不规则，在有限的支护空间内如何选择合理的支护型式在确保地铁及周边建构筑物变形在可控之内的同时，使得施工便利，工期短且经济合理是本项目的难点。

2 基坑支护设计、计算

2.1 基坑支护方案

本项目基坑最大深度9.9 m，周长约710 m，整体采用桩锚结构体系，局部支护段距地铁桥墩基础较近，采用双排桩+短锚索控制变形。旋挖桩设计参数为φ0.8 m@1.0 m，入基坑底以下6.0～8.0 m。根据地层情况从上至下采用1～2 道锚索。基坑止水措施采用桩后单排三轴φ850 mm@600 深搅帷幕桩（局部3排，靠近地铁侧）。具体支护剖面如图2～图3所示。

图2 基坑支护剖面（桩锚）Fig.2 Profile of Foundation Pit Support （Pile Anchor）

图3 基坑支护剖面（双排桩+锚索）Fig.3 Profile of Foundation Pit Support（Double Row Pile + Anchor Cable）

2.2 传统理论计算结果

紧邻地铁高架一侧的“双排桩+锚索”以及“单排桩+锚索”剖面当基坑开挖到底时，传统弹性理论变形计算结果如图4所示。

图4 支护结构深层侧向变形弹性理论计算结果Fig.4 Theoretical Calculation Results of Deep Horizontal Displacement Elasticity of Supporting Structure

计算结果表明，基坑开挖过程中“双排桩+锚索”支护结构产生的最大侧向变形为10.19 mm，位于双排桩冠梁处，变形规律与悬臂桩类似。究其原因，主要是双排桩属于悬臂式刚架结构，因此变形最大发生于冠梁处，在地质情况较好的情况下，双排桩+短锚索能有效控制变形，最大侧向变形仅10.19 mm，小于设计控制要求30 mm。“单排桩+锚索”支护型式的最大侧向位移为20.63 mm 同样发生在冠梁处，由于其刚度较弱，且仅设置1道锚索，故变形规律仍接近悬臂变形规律，最大变形值仍在30 mm 控制值内，由于该剖面距离地铁高架超过30 m，已不在保护区范围，故对支护结构刚度要求相对较低。

3 基坑施工数值模拟

3.1 地铁高架桥变形控制要求

由于传统理论仅能分析支护结构变形情况，无法获得地铁高架的变形情况，因此需采用三维数值模拟手段模拟基坑开挖各阶段地铁高架的变形情况以便判别地铁变形是否符合控制要求。根据地铁公司相关管理规定，地铁结构的各个方向变形值均不能超过20 mm，当已发生的变形无法得知时，则按10 mm 控制，因此本项目地铁高架在基坑开挖过程中产生的变形应按小于10 mm控制。

3.2 基本假定及计算模型

①基坑按三维空间有限元问题考虑，土体本构模型采用修正摩尔库伦模型，单元类型为混合六面体单元；②开挖过程中设置截水帷幕，不考虑土体渗流、排水和固结等问题；③支护桩、后排桩和连梁按照等效刚度法简化为板结构，等效板厚计算公式见下式；④采用“桩梁单元+界面单元”模拟高架基础结构；⑤围护桩和土体之间节点位移耦合处理；⑥以位移、荷载以及能量作为计算的收敛原则。

支护桩等效原则为刚度等效，即计算支护桩单位宽度的抗弯刚度，根据刚度相等求解得到相应板结构的等效厚度。

等效连续墙的厚度h为：

其中：d为排桩的单桩直径；bk为桩中心间距。

根据地质情况、基坑规模及其与地铁高架之间的距离，综合评估影响范围后确定的模型平面尺寸为175 m×280 m，模型总深度为25 m，底部土层为微风化基岩。采用六面体单位对模型进行网格划分，模型网格和基坑与地铁关系的透视图如图5～图6所示。

图5 模型网格Fig.5 Model Grid

图6 “桥墩+承台+桩基础”与基坑支护位置关系Fig.6 The Relationship Diagram between“Pier + Cap +Pile Foundation”and Foundation Pit Support Position

3.3 施工工况模拟

施工模拟按以下5个工序进行：

⑴步骤1（初始状态）：施加初始应力场，激活各土体单元、原有地铁“桥墩+承台+桩基础”，目的在于加载自重应力至模型土体和加载上覆荷载（包括地面以上桥墩重、梁重、桥重及列车重）至桥墩。为了得到后继施工步骤的变形量，此步对位移进行清零。

⑵步骤2：施工支护桩、后排桩及连梁，位移清零。

⑶步骤3：开挖第1 层土（将相应单元进行钝化，下同）至第1道锚索处。⑷步骤4：施工第1道锚索，开挖第2层土。⑸步骤5：施工第2道锚索，开挖到底。

3.4 支护结构变形分析

按照上述施工工序的计算结果如图7所示。

图7 基坑开挖至坑底后支护结构侧向变形Fig.7 Horizontal Deformation of Supporting Structure after Foundation Pit Excavation

结果表明：①随着基坑开挖深度加深，支护结构最大侧向变形逐步增大，单排桩锚的支护型式最大侧向变形发生于冠梁处，最大值约18.40 mm。而双排桩锚支护型式的最大侧向变形发生于基坑开挖深度中部，最大值约7.04 mm，小于传统弹性理论计算值10.19 mm，且最大变形位置有较大差异，传统弹性计算理论最大变形位置位于冠梁处，而数值模拟位于基坑中部。这主要是由于双排桩的传统弹性理论的计算假定（尤其是前后排桩的传力假定）与支护结构实际的受力有较大差异导致，就目前而言双排桩弹性理论还存在较大不足，特别是在前后排桩土压力计算上，因此数值模拟方法有助于理解双排桩的变形特征和传力特征；②双排桩构件在模型中等效为板单元，刚度比预应力锚索大，故在本项目中双排桩+单锚索的支护方式要比单排桩双锚支护方式产生的位移小很多。

3.5 地铁高架基础变形分析

高架桥基础侧向变形和竖向沉降情况如下所示：

⑴侧向变形情况，如图8所示。

图8 基坑开挖到底地铁高架基础侧向变形Fig.8 Horizontal Deformation of Subway Elevated Foundation after Foundation Pit Excavation

⑵竖向沉降情况，如图9所示。

图9 基坑开挖到底地铁高架基础竖向沉降Fig.9 Vertical Settlement of Subway Elevated Foundation after Foundation Pit Excavation

地铁高架各个方向的位移随着开挖深度的加深逐渐增大，开挖到底时达到最大，最大侧向变形为0.95 mm，最大沉降变形为0.56 mm，所有工况条件下计算得到的高架桥基础水平变形量和竖向沉降量均未超过10 mm。

4 监测数据分析

4.1 基坑监测分析

本项目采用电子水准仪、电子全站仪、条码铟钢尺、振弦式频率、读数仪、数字测斜仪等设备对基坑开挖过程中支护结构的侧向变形、竖向位移、深层位移等变形情况进行了全过程监测，提取典型剖面的支护桩深层侧向变形监测结果并与传统弹性理论计算结果、三维数值模拟计算结果对比如图10所示。

图10 支护结构深层侧向变形的对比Fig.10 Comparison of Deep Lateral Deformation of Support Structure

从图10 可以看出，对于“双排桩+锚索”的支护型式，无论是变形特征还是最大水平变形值，三者都有较大区别，监测值（13.50 mm）＞弹性计算值（10.19 mm）＞数值模拟值（7.04 mm）。数值模拟法最大变形值在基坑中下部，而弹性计算值以及监测值均在冠梁顶。由此可见，双排桩支护结构的理论计算分析尚存在不足，尤其是对于前后排桩的土压力计算及传递。在实际应用中应对双排桩的支护刚度进行适当折减或对土压力进行适当放大，防止设计偏于冒险，造成实际应用过程中变形过大的事故。由于桩锚设计计算理论相对较为成熟，且积累了较丰富的经验，从图10 也可以看出3种位移获得手段的变形特征与变形值基本接近，最大水平变形为：监测值19.20 mm，弹性计算值20.60 mm，数值模拟17.30 mm。这也可以认为采用数值模拟手段分析的地铁高架的变形是可信的。

4.2 地铁高架监测分析

4.2.1 监测方法及监测内容

由于目前地铁处于运行阶段，人工监测不具备条件，监测单位采用索佳测量机器人（NET05）与Auto-MoS 自动变形监测系统配套使用，对轨道进行自动化监测，在不妨碍地铁运行的同时实现24 h 不间断监测，既节约了大量人力，缩短了测量周期。该项技术已多次应用在受深基坑开挖影响的地铁轨道自动化监测项目，是目前最为合理、科学的监测方法。监测断面间距为10 m，按4 个监测点/断面布设，监测总长度约140 m的地铁高架，监测平面如图11所示。

图11 地铁自动化监测断面布置Fig.11 Subway Automatic Monitoring Layout

4.2.2 监测结果分析

本项目监测工作于2017 年1 月10 日开始，至2018年12月30日结束。期间测得地铁轨道道床各个方向变形如表2所示。

由表2 可知，在基坑施工过程中的地铁轨道最大侧向变形为1.0 mm，最大沉降变形为1.0 mm，均小于10 mm 的控制值，最大变形值发生在紧邻基坑边的高架基础。与数值模拟结果对比如表3所示。

表2 地铁自动化监测变形情况Tab.2 Subway Automatic Monitoring Deformation

表3 地铁轨道变形监测数据与数值模拟对比Tab.3 Comparison between monitoring Data of Subway Track Deformation and Numerical Simulation

从上述对比可知，数值模拟结果与实际监测值十分接近，对于弥补传统弹性理论无法计算周边建构筑物的变形有积极意义和重要参考意义。

5 结论

本文通过工程实际案例，应用传统理论计算、数值模拟方法和自动化监测技术手段探究了深基坑开挖对紧邻地铁高架的影响，得出以下结论：

⑴在地质条件较好的情况下，紧邻地铁线路采用桩锚或双排桩+短锚索等支护型式进行基坑开挖是可行的，这种支护型式在确保变形可控的同时，大大节省了造价和工期，施工便利。双排桩配合短锚索有较好的变形控制效果，同等条件下，其变形比桩锚变形小。

⑵桩锚支护型式的弹性理论计算值、数值模拟值与实际监测值三者吻合较好，在此基础上进行高架基础的影响分析是可靠的。而对于双排桩+锚索的支护型式，三者之间存在较大区别，监测值大于理论计算和数值模拟，这主要是由于双排桩的理论发展还存在较大不足，特别是在前后排桩土压力计算上，而数值模拟方法和实际监测值有助于理解双排桩的变形特征和传力特征，建议在实际应用中对支护刚度进行适当折减或对土压力进行适当放大，防止设计偏于冒险，导致变形过大。

⑶地铁高架的数值分析结果与实测值基本一致，说明了数值分析可以作为一种重要手段，可以弥补传统理论计算无法分析周边建构筑变形情况的不足。