软土深基坑与邻近地铁车站相互变形影响分析*

程玉兰 王毅红

(1.新疆建设职业技术学院，830026,乌鲁木齐；2.长安大学建筑工程学院，710061,西安//第一作者，副教授)

在既有地铁车站附近新建软土深基坑工程时，既有车站会使基坑围护结构及地层变形受到不同程度的影响，新建基坑的开挖也会使既有车站周边土体应力场发生改变，使车站结构产生附加应力和变形，影响车站结构安全，甚至影响地铁列车正常运行[1-2]。然而，文献[3-9]等诸多研究大多采用摩尔-库伦模型模拟地层土并忽略地下水的影响，未能同时考虑软土的特殊变形特性以及基坑降水产生的渗流作用；而且，这些研究着重关注于新建基坑开挖对既有车站结构的安全威胁，而忽视了既有车站对新建基坑变形的不利影响。本文以深圳地铁5号线前海湾站软土深基坑工程为背景，采用修正剑桥模型来模拟软土，考虑流固耦合作用，研究了基坑桩体位移、地表沉降、支撑轴力，以及车站结构位移在不同工况条件下的变化规律。

1 工程概况

新建的深圳地铁5号线前海湾站位于既有的深圳地铁1号线鲤鱼门站西侧6 m左右，两站并行。车站标准段外包横断面尺寸为21.20 m×13.54 m(宽×高)，两站并行顶板覆土厚度约3.50 m。为满足两线间联络线的设置要求，新建车站与既有车站的轨面高程应保持一致，两站的站厅地面标高也应接近。

前海湾站(新建车站)周围空旷，施工前无地下管线和道路分布。该站基坑采用明挖法施工，基坑开挖深度约为16.59 m。基坑围护结构采用φ1 200 mm@1 350 mm套管钻孔咬合桩(25 m深)+φ609 mm壁厚16 mm的钢支撑形式，钢支撑由上至下设置3道，分别位于地下0.50 m、6.60 m及12.35 m处。基坑场地范围内，由上至下分别为人工填土、海积淤泥、粉质黏土、粗砂、砂质黏土、全风化花岗岩和中分化花岗岩；地下水以孔隙潜水和基岩裂隙水为主，水位面位于地下1 m左右。

2 仿真模型

2.1 仿真模型建立

根据实际工程情况，取前海湾站标准段24 m长基坑进行模拟开挖的仿真分析。采用FLAC3D软件建立软土深基坑开挖的仿真模型，如图1所示。模型中，鲤鱼门站围护结构深23.00 m厚1.20 m，边墙厚0.80 m、高12.94 m，柱子宽0.70 m、长1.00 m,顶板厚度1.00 m,中板厚0.40 m,底板厚1.10 m。整个模型长203.15 m，宽24.00 m，高60.00 m，共含386 282个节点和364 900个单元。

图1 软土深基坑开挖的仿真模型

模型边界条件为顶面自由，底面固定，四周法向约束。设场地面标高为±0.00,基坑开挖由上至下共分4步开挖完成：第1步开挖至-1.80 m，设置第1道钢支撑；第2步开挖至-7.60 m，设置第2道钢支撑；第3步开挖至-13.35 m，设置第3道钢支撑；第4步开挖至基坑底位置，为-16.59 m处。基坑在每步开挖前均需进行坑内降水，且降水后的坑内水位均位于每步相应开挖坑底下方1 m左右处。

2.2 仿真模型的计算参数

考虑流固耦合作用，在基坑开挖前，仿真模型对两侧还施加了定水头压力边界条件，静水水位位于地下1 m处。将既有车站主体结构和围护结构均设置为不透水模型，打开渗流模型，使地下水位场保持平衡。基坑开挖过程中，将新建基坑围护结构设置为不透水模型。在每步开挖前，先进行坑内预先降水，并将坑内降水深度之上的土体水压力设置为0，再进行流固耦合分析。

此外，为准确反映场地内软土地层的变形特性，采用修正剑桥模型来模拟人工填土、海积淤泥以及粉质黏土等3种软土，采用摩尔-库伦模型来模拟其他地层土。根据《前海湾站详勘阶段岩土工程勘察报告》岩土物理力学指标设计参数建议值表，各土层的物理力学参数取值如表1和表2所示。采用弹性单元来模拟基坑桩体及鲤鱼门站主体结构，其弹性模量和泊松比分别为30 GPa和0.25。

表1 软土的修正剑桥模型参数

表2 非软土的摩尔-库伦模型参数

基坑开挖后,随着基坑内水位的降低，基坑两侧的地下水将绕过围护桩向坑内发生渗流，从而产生渗流压力，对基坑变形造成影响。然而，既有地铁车站的存在，阻止了基坑外侧水向坑内的流动，因此，既有车站一侧地下水的渗流速度要明显小于另一侧，有利于该侧围护结构的稳定。本文以下分析中，基坑每步开挖的结果都已包含了地下水的渗流作用影响，因此，不再对渗流作用下既有车站和新建基坑的变形作单独分析。

2.3 仿真设计工况

工况1：深基坑周边不存在既有鲤鱼门车站。

工况2：为实际工程情况，前海湾站软土深基坑与鲤鱼门站间隔距离为6 m。

工况3：深基坑与鲤鱼门站结构的间距为2 m。

工况4：深基坑与鲤鱼门站结构的间距为10 m。

工况5：深基坑与鲤鱼门站结构的间距为18 m。

工况6：深基坑与鲤鱼门站结构的间距为30 m。

2.4 仿真模型的正确性验算

由图2所示的基坑第3步开挖结束后基坑变形仿真值与实测值的对比曲线。可见，桩体位移仿真值和地表沉降仿真值均与实测值相近，而且仿真值沿深度或在地面上的分布规律也与实测值保持一致。由此可见，本文建立的软土深基坑开挖仿真模型能较好地反映既有车站与新挖基坑的力学响应特征，具有较高的参考价值。

图2 基坑变形仿真值与实测值的比较

3 仿真结果分析

3.1 既有车站对基坑开挖变形的影响

为研究既有鲤鱼门站对前海湾站软土深基坑变形的影响，将工况1和工况2的仿真结果进行对比，如图3～5所示。

3.1.1 桩体位移

图3给出了工况1和工况2下基坑钻孔桩在不同开挖步下的位移分布曲线。

图3 不同工况不同基坑开挖步下的桩体变形曲线

1) 工况1:基坑周边不存在既有地铁车站，基坑两侧钻孔桩在不同开挖步下的位移分布基本一致。随着基坑开挖深度的增加，两侧桩体位移都逐渐增大，桩体最大位移位置逐渐下移并最终出现在-15 m处。基坑两侧桩体位移在第2步和第4步开挖时增长幅度较大，当基坑开挖至基底位置时，两侧桩体最大位移约为20.8 mm。

2) 工况2：基坑一侧存在既有地铁车站，由于既有地铁车站刚度大，且空间尺寸较大，对周边土体存在“遮拦”效应，限制了基坑一侧的土体应力位移及孔隙水的补充传递，导致基坑两侧桩体位移在不同开挖阶段均呈现非对称变形。其中，靠近地铁车站一侧的桩体位移要比工况2的小约30%～50%，而远离地铁车站一侧的桩体位移则要比工况2的大约20%。

由工况1和工况2的仿真结果比较，可见从围护结构变形方面考虑，既有地铁车站的存在对基坑安全控制不利。

3.1.2 地表沉降

图4为工况1和工况2基坑两侧地表在不同开挖步下的竖向位移曲线。

图4 不同开挖步下基坑两侧的地表竖向位移曲线

1) 工况1：基坑周边不存在既有地铁车站，基坑两侧地表竖向位移呈对称分布。随着基坑开挖，坑内降水深度逐渐增加，基坑两侧地表沉降量及沉降范围都逐渐增大。当开挖至基坑设计坑底时，受基坑降水影响，基坑两侧的地表沉降受影响范围达50 m。最大地表沉降值为14.7 mm，出现在距围护结构边缘约8 m处。

2) 工况2：当基坑一侧存在既有地铁车站时，一方面，由于既有站有“遮拦”作用，基坑两侧桩体位移分布差别较大，相应的桩后土体因水平移动而产生的沉降量也存在区别；另一方面，坑内土体挖除会使基坑底部及其附近的土体产生一定的隆起，进而邻近地铁车站结构和上覆土层也出现隆起现象。可见，工况2下，基坑两侧地表的竖向位移分布规律存在较大的差异。靠近鲤鱼门站一侧：在鲤鱼门站与基坑围护结构之间的基坑地表虽表现为沉降，但其沉降值相对较小，且随基坑开挖深度增加而逐渐减小；在鲤鱼门站区域范围内的基坑地表则表现为隆起，且隆起值随着基坑开挖深度的增加而减小；在鲤鱼门站区域外的基坑地表表现为沉降，该沉降值受开挖及降水深度的影响，越靠近鲤鱼门站的地表沉降值越大。与工况1相比，基坑远离鲤鱼门车站的一侧地表沉降分布规律大体一致，但其沉降值和影响范围大了约25%。

3.1.3 基底隆起

工况1与工况2下软土基坑底部的隆起曲线如图5所示。一般而言，基坑底部隆起值主要由当前坑底位置土层性质决定，并受当前开挖深度影响。对于本工程，第2步开挖完成后的坑底位置土层为海积淤泥软土。经分析可知，第2步开挖完成后的基底土体隆起值最大，达76.1 mm。因此，应在基坑开挖前设置抗拔桩，以保证基底的安全。对比工况1与工况2的仿真结果可知，既有车站增大了基坑单侧土体的刚度，减小了坑外土体绕过钻孔桩后往坑内的移动，有助于减小坑底回弹，但因作用有限，其对坑底隆起影响较小。

图5 不同开挖步下基坑底部隆起曲线

3.2 车站与基坑间隔距离对基坑变形的影响

为研究车站与基坑间隔距离对基坑变形的影响，对比工况2～6的仿真结果，如图8～10所示。

3.2.1 桩体水平位移

图6所示的基坑两侧桩体在基坑开挖完成后的水平位移由曲线可见，各工况下的基坑两侧钻孔桩水平位移均沿桩深方向呈“弓形”分布，且在-14 m处最大。随着车站与基坑间距的增大，靠近车站一侧的桩体水平位移，在-6 m以上范围内先减小后增大，在-6 m以下范围内逐渐增大，在-18 ～-10 m范围的变化最为明显。远离车站一侧的桩体水平位移变化规律则恰恰相反：其桩体位移在-6 m以上先增大后减小，在-6 m以下范围内逐渐减小。

图6 车站与基坑间距不同时的基坑桩体水平位移曲线

从桩体水平位移变化幅度上看，车站与基坑间距对桩体水平位移的影响，在靠近车站一侧要比在远离车站一侧大得多。靠近车站一侧的桩体最大水平位移同鲤鱼门站距基坑距离呈“指数衰减式”负相关关系，远离鲤鱼门站一侧的桩体最大水平位移则同车站距基坑距离呈“指数衰减式”正相关关系。当车站距基坑距离达25 m以上时，既有车站对新建基坑桩体变形的影响可忽略不计。

3.2.2 地表竖向位移

图7为车站与基坑间距不同时基坑两侧地表的沉降曲线。由图7可知，随着车站与基坑间距的增大，靠近既有车站一侧，在车站与基坑之间的土体地表竖向位移和范围将逐渐增大，并最终基本保持稳定，在既有车站范围内的土体隆起值则大体保持一致，约为2～4 mm；在既有车站外，土体沉降值和沉降范围则逐渐减小，最终基本为0。在远离鲤鱼门站的一侧，随着车站与基坑间距的增大，地表沉降量和影响范围略有减小。

可见，车站与基坑的间距主要影响车站与基坑之间的土体沉降。且该处地表最大沉降值与车站与基坑间距呈“指数衰减”关系。当车站与基坑间距大于10 m时，地表最大沉降值基本不变。

图7 车站与基坑间隔距离不同时基坑地表的竖向位移曲线

3.2.3 支撑轴力

车站与基坑间距不同时，基坑各道钢支撑的轴力如图8所示。与工况2相比，工况6时第2道和第3道钢支撑轴力值呈“指数衰减式”增大，轴力值增大了80～100 kN；而第1道支撑的轴力值呈“指数衰减式”减小，减小幅度约为53 kN。当车站与基坑间距大于10 m时，车站与基坑间距对基坑钢支撑轴力的影响可以忽略不计。

图8 车站与基坑间隔距离不同时基坑钢支撑轴力图

3.3 基坑开挖对鲤鱼门站变形的影响

3.3.1 基坑不同开挖步的影响

图9为实际基坑分步开挖过程中鲤鱼门站主体结构的位移变化曲线。

由图9a)可见，基坑不同开挖步下，鲤鱼门站两边侧墙的水平位移分布都基本相同。这意味着，5号线前海湾站深基坑开挖对临近鲤鱼门站结构横向变形的影响主要表现为水平方向的刚性移动。鲤鱼门站整体水平位移与基坑开挖深度近似呈线性正相关关系。由图9b)可知，基坑内土体的挖除会导致鲤鱼门站结构产生不均匀隆起。隆起值在靠近基坑一侧较大，在远离基坑一侧较小。

图9 基坑开挖过程中鲤鱼门站主体结构位移变化曲线

此外，由于鲤鱼门站结构的竖向位移受到边墙外围护结构的约束作用，因此其在两侧的隆起值要小于中间。该站结构最大隆起值约为3.3 mm，且最终将出现在车站中心靠近基坑方向约3 m处。可以认为，5号线前海湾站深基坑开挖对鲤鱼门站结构竖向变形的影响主要表现为整体结构的抬动。

图10为基坑不同开挖步下车站主体结构各节点最大内力值的变化曲线。基坑第1步开挖完成后，鲤鱼门站受结构自重及周围水土压力的影响，其最大拉应力出现在车站顶板两侧跨中(A3、A4)及底板两侧墙脚外侧(A1、A2)处，其仿真值为0.96 MPa；最大压应力出现在中柱柱顶(B1、B2)、柱脚(B3、B4)及两侧墙脚(B5、B6)内侧位置，其仿真值为1.02 MPa；最大剪应力出现在下层中柱的柱间位置(C1、C2)，其仿真值为4.20 MPa。随着基坑开挖，鲤鱼门站各组成结构发生变形。当基坑开挖完成后，最大拉应力增至1.61 MPa，并出现在A1点位置；最大压应力减至0.94 MPa，其出现位置与第1步开挖完成时相同；最大剪应力增至4.35 MPa，其出现位置也基本不变。从结构受力变化角度上说，新建基坑主要对既有车站远离基坑一侧的结构有不良影响。

图10 基坑不同开挖步下车站主体结构最大内力值

3.3.2 基坑与鲤鱼门站间距不同的影响

基坑与鲤鱼门站间距不同时，鲤鱼门站结构边墙和顶板的位移变化曲线如图11所示。当基坑距车站距离较小时，车站靠近基坑一侧边墙的水平位移，上部明显小于下部；而车站顶板的竖向位移，靠近基坑一侧明显大于另一侧。这说明，鲤鱼门站结构在基坑开挖作用下发生了明显的刚性移动和偏转变形，而且随着基坑距车站距离的增大，鲤鱼门站的结构水平位移和竖向位移逐渐减小，偏转变形量也逐渐变小，这意味着整个车站结构也越来越稳定。经分析，车站结构最大位移与基坑距车站距离呈指数衰减关系，当基坑距车站距离达20 m以上时，车站结构水平位移和竖向位移基本不受基坑开挖影响。

图12为基坑与鲤鱼门站间距不同时的车站主体结构最大内力值变化曲线。随着基坑与鲤鱼门站间距的增大，车站主体结构最大拉应力值逐渐减小，最大压应力值逐渐增大，而最大剪应力则基本不变。当基坑与车站间隔距离大于18 m时，基坑与车站的相互影响效应可以忽略不计，此时，车站结构最大拉应力、压应力以及剪应力与间隔距离2 m时相比，分别减小了33.0%、-11.0%和0.5%。

图11 基坑与车站间隔距离不同时车站结构位移变化曲线

图12 基坑与车站间距不同时的车站结构最大内力

4 结论

1) 既有鲤鱼门站使得基坑两侧桩体位移在不同开挖阶段均呈现非对称变形。靠近鲤鱼门站一侧的桩体位移，工况2要比工况1小约30%～50%，而另一侧则大了约20%。

2) 基坑开挖过程中，在鲤鱼门站区域内的土体地表隆起，在其余区域的土体地表则沉降。随着基坑开挖深度的增大，既有站区域范围内的地表隆起值也不断增大。

3) 由工况2～6的仿真结果比较可知：随着既有车站与基坑间距的增大，基坑两侧桩体最大位移呈“指数衰减式”变化；当既有车站距基坑距离达25 m以上时，既有车站对新建基坑桩体变形的影响可以忽略不计。

4) 新建基坑开挖对既有车站的影响主要表现为刚性水平位移及竖向位移。随着基坑距既有车站距离的增大，既有车站结构最大水平位移和竖向位移均呈“指数衰减式”减小。