軟土地區(qū)深基坑施工對鄰近地鐵區(qū)間的影響分析

陳 洵

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司福州分院，福建 福州 350001）

近年來，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，軟土地區(qū)深基坑施工越來越普遍。然而，在軟土地區(qū)進(jìn)行深基坑施工可能會對周圍的地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)主體產(chǎn)生不可忽視的影響，如土體沉降、土體變形等，這種影響是一個復(fù)雜的問題，涉及土體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多個學(xué)科的知識。因此，深入研究軟土地區(qū)深基坑施工對鄰近地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響，對于保障地鐵運(yùn)行安全、優(yōu)化建設(shè)方案具有重要意義。

1 工程概況

福州同暉項目位于福州市臺江區(qū)洋中街道達(dá)道社區(qū)達(dá)道地鐵站東側(cè)，占地面積為35 507.00 m2，總建筑面積為110 628.78 m2。項目分為A、B、C、D、E、F 這6 個地塊，其中A 地塊和E 地塊位于達(dá)江路的西側(cè)，緊鄰福州市軌道交通1號線達(dá)道站至上藤站區(qū)間，A 地塊與隧道結(jié)構(gòu)的最近距離約為7.0 m，基坑底部與隧道結(jié)構(gòu)的最近距離約為14.55 m，基坑開挖深度介于4.45 ～8.75 m 之間。E 地塊與隧道結(jié)構(gòu)的最近距離約為8.5 m，基坑底部與隧道結(jié)構(gòu)的最近距離約為19.7 m，基坑開挖深度為4.20 ～4.60 m。A地塊與E地塊地下室外邊線的距離約為107.55 m。在工程樁和隧道結(jié)構(gòu)之間的凈距大致在12 ～50 m，12 ～20 m 范圍內(nèi)采用直徑為800 mm 的旋挖成孔灌注樁，樁長約為48.4 ～58.1 m。20 ～50 m 范圍內(nèi)采用直徑為500 mm 的靜壓預(yù)應(yīng)力管樁，樁長約為28.00～33.60 m。該工程場地的整平標(biāo)高約為6.00～6.25 m。施工順序是同時進(jìn)行A、E 地塊的對稱施工，首先進(jìn)行A、E 地塊兩個基坑的開挖和地下一層結(jié)構(gòu)施工，然后分兩批對A 地塊進(jìn)行基坑底板施工，最終完成地下二層結(jié)構(gòu)至±0.000。

2 建模分析

2.1 基坑開挖模擬

在模擬中需要構(gòu)建一個三維數(shù)值模型，該模型包括地表、土體、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)等要素。根據(jù)工程規(guī)范和實際材料參數(shù)，設(shè)置土體的物理特性，包括彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角等。在本案例中，可以根據(jù)勘測數(shù)據(jù)設(shè)置土體參數(shù)，如將內(nèi)摩擦角設(shè)定為30 度，黏聚力設(shè)定為10 千帕。之后，需要考慮基坑開挖的施工順序和過程。根據(jù)施工計劃，同時進(jìn)行A 和E 地塊的對稱施工。

（1）對A 和E 地塊的地下一層結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，然后分批對A 地塊進(jìn)行基坑見底施工，并最終完成地下二層結(jié)構(gòu)。在模擬中，將按照該施工順序進(jìn)行基坑開挖過程的仿真。在模擬中，需要設(shè)定基坑的幾何參數(shù)和尺寸。根據(jù)提供的工程概況，設(shè)置A 地塊和E 地塊的基坑開挖深度范圍為4.45 ～8.75 m 和4.20 ～4.60 m。

（2）確定基坑與隧道結(jié)構(gòu)的最近距離，即A 地塊與隧道結(jié)構(gòu)的最近距離約為7.0 m，基坑底部與隧道結(jié)構(gòu)的最近距離約為14.55 m；E 地塊與隧道結(jié)構(gòu)的最近距離約為8.5 m，基坑底部與隧道結(jié)構(gòu)的最近距離約為19.7 m。

（3）需要考慮A 地塊與E 地塊地下室外邊線之間的距離，約為107.55 m。

（4）模擬軟件將根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，對基坑開挖的數(shù)值分析進(jìn)行計算，以獲得土體的變形和應(yīng)力變化情況。模擬結(jié)果將提供有關(guān)基坑開挖過程中土體沉降、側(cè)向位移以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況等重要信息。通過監(jiān)測和分析這些模擬結(jié)果，可以評估基坑開挖對鄰近地鐵區(qū)間的影響，如土體沉降對地鐵結(jié)構(gòu)的影響程度、支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等[1]。

2.2 土體變形預(yù)測

基于基坑開挖模擬結(jié)果，對軟土在基坑開挖過程中的變形情況進(jìn)行分析和預(yù)測。通過基坑開挖模擬，可以得到土體在不同階段的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況。模擬結(jié)果包括土體的沉降量、側(cè)向位移、扭曲等參數(shù)。這些參數(shù)是評估基坑開挖對鄰近地鐵區(qū)間土體影響的重要指標(biāo)。

（1）基于模擬結(jié)果，我們可以觀察土體的沉降情況?；娱_挖會引起土體的瞬時沉降和長期沉降。瞬時沉降主要是由于土體重新排列而引起的，而長期沉降則與土體的壓縮特性有關(guān)。通過模擬結(jié)果，可以分析基坑周邊土體的沉降量和分布情況。例如，在A 和E 地塊基坑開挖的每個階段，可以觀察到土體沉降隨時間的變化趨勢。通過沉降預(yù)測，可以評估基坑開挖對地鐵區(qū)間土體沉降的影響，進(jìn)而確定相應(yīng)的補(bǔ)償措施。

（2）基坑開挖還會引起土體的側(cè)向位移。側(cè)向位移是指土體在垂直方向以外的水平位移。通過模擬結(jié)果，可以觀察土體在基坑周邊的側(cè)向位移分布情況。特別關(guān)注土體的側(cè)向位移是否達(dá)到了允許值，并評估其對地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響?；娱_挖引起的大量側(cè)向位移可能導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)的變形和破壞。因此，在土體變形預(yù)測中，需要對側(cè)向位移進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測和分析。

（3）軟土地區(qū)的基坑開挖還會引起土體的扭曲和變形。土體的變形主要表現(xiàn)為非均勻變形形態(tài)和扭曲。模擬結(jié)果可以反映出土體的變形形態(tài)，如變形的集中區(qū)域、土體的變形趨勢等。了解土體的變形情況對于評估基坑開挖對鄰近地鐵區(qū)間的影響至關(guān)重要。通過對土體變形的研究，可以判斷土體的穩(wěn)定性和變形規(guī)律，從而采取相應(yīng)的防護(hù)措施來保護(hù)地鐵結(jié)構(gòu)的安全[2]。

2.3 隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析旨在評估基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響，包括土體的支撐作用以及基坑開挖引起的變形和應(yīng)力，首先，通過數(shù)值模擬軟件建立隧道結(jié)構(gòu)的3D 模型。根據(jù)工程概況中提供的信息，可以繪制出隧道結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料參數(shù)等。

（1）常用的數(shù)值模擬軟件包括有限元方法（如ABAQUS、ANSYS）和邊界元方法（如FLAC、PLAXIS），這些軟件能夠模擬土體和結(jié)構(gòu)的相互作用。

（2）模擬軟件考慮土體對隧道結(jié)構(gòu)的支撐作用。利用合適的本構(gòu)模型描述土體的力學(xué)性質(zhì)，如彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等。軟土地區(qū)常采用的本構(gòu)模型包括Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager 模型。通過模擬軟件，可以分析土體對隧道結(jié)構(gòu)的支撐效果，確定土體對結(jié)構(gòu)的側(cè)向和縱向力的傳遞方式。

（3）模擬軟件考慮基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)工程概況提供的信息，可以確定基坑開挖的深度、距離以及施工順序。模擬軟件能夠模擬基坑開挖過程中土體的變形和應(yīng)力分布。在模擬過程中考慮基坑開挖引起的土體沉降、側(cè)向位移、扭曲等參數(shù)，以及土體和隧道結(jié)構(gòu)之間的相互作用。通過分析這些參數(shù)，可以評估基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響程度。

（4）利用模擬軟件進(jìn)行數(shù)值計算，得到隧道結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中的響應(yīng)，包括隧道結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布、開裂情況等。模擬結(jié)果可以定量評估基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響，并判斷結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。如果模擬結(jié)果超出了設(shè)計要求或存在潛在問題，可采取相應(yīng)的加固措施或調(diào)整施工方案，以確保隧道結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營[3]。

3 結(jié)果分析

3.1 土體沉降

根據(jù)數(shù)值模擬計算得到的結(jié)果顯示，在基坑開挖的作用下，土體會出現(xiàn)瞬時沉降和長期沉降。瞬時沉降是由于土體的彈性變形而引起的瞬時位移，通常在基坑開挖后的短時間內(nèi)發(fā)生。長期沉降則是由于土體的黏性變形和固結(jié)沉密過程引起的持續(xù)位移，可能在很長時間內(nèi)逐漸發(fā)展。

（1）通過模擬結(jié)果觀察，基坑周圍區(qū)域的土體沉降量較大，逐漸向遠(yuǎn)離基坑的區(qū)域遞減。土體沉降呈現(xiàn)出一個類似錐形的分布，中心區(qū)域受到最大影響，周圍區(qū)域逐漸減小。這種分布情況在工程實踐中是常見的。除了土體沉降量和分布情況，還需考慮土體沉降與地鐵結(jié)構(gòu)之間的距離。

（2）根據(jù)模擬結(jié)果，基坑施工引起的土體沉降會對鄰近的地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但具體影響程度會受到距離的影響。距離基坑較近的地鐵結(jié)構(gòu)受到的沉降影響較大，而距離較遠(yuǎn)的地鐵結(jié)構(gòu)受到的影響較小。因此，需要測量和計算基坑與地鐵結(jié)構(gòu)之間的距離，以確定是否需要采取補(bǔ)償措施來保護(hù)地鐵結(jié)構(gòu)的安全[4]。

3.2 土體側(cè)向位移

（1）模擬結(jié)果顯示，在基坑開挖過程中，土體側(cè)向位移主要集中在基坑周圍的區(qū)域。土體沿著基坑邊界發(fā)生側(cè)向位移，由內(nèi)向外逐漸減小。這種側(cè)向位移分布的特點與土體的力學(xué)性質(zhì)和側(cè)向約束有關(guān)。通常情況下，土體的側(cè)向位移隨著距離基坑的增加而減小，但可能仍存在一定的側(cè)向位移遠(yuǎn)離基坑區(qū)域[5]。

（2）需要重點關(guān)注土體側(cè)向位移對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。模擬結(jié)果顯示，土體的側(cè)向位移會對鄰近的地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。側(cè)向位移可能引起地鐵結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力集中，甚至導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)的破壞。因此，需要對地鐵結(jié)構(gòu)所能承受的側(cè)向位移限制進(jìn)行評估，并與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，判斷是否達(dá)到了允許值。

3.3 土體變形

（1）在基坑開挖過程中，土體的變形主要集中在基坑周圍區(qū)域。模擬結(jié)果顯示，土體沿著基坑邊界發(fā)生較大的變形和扭曲。這是由于基坑開挖引起土體的應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致土體的變形和位移。變形集中區(qū)域通常位于基坑邊界附近，隨著距離基坑邊界的增加，變形逐漸減小。

（2）在基坑開挖過程中，土體會出現(xiàn)不同方向上的變形。特別是對于連續(xù)土體，常會發(fā)生水平和垂直兩個方向上的變形。水平方向上，土體有可能發(fā)生側(cè)向位移，而垂直方向上，則可能發(fā)生垂直下沉和抬升。通過分析這些變形趨勢，可以更好地理解土體的力學(xué)響應(yīng)和變形機(jī)制[6]。根據(jù)模擬結(jié)果，可以判斷土體是否超過了承載能力、是否存在破壞傾向以及是否會對地鐵結(jié)構(gòu)造成不利影響。如果土體的變形超出了允許范圍，可能導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)的損壞、沉降或失穩(wěn)等問題。

3.4 支撐結(jié)構(gòu)受力

水平方向上，由于土體的變形和位移，基坑周圍的支撐結(jié)構(gòu)將承受土體側(cè)向壓力的反作用力。這些水平作用力可能導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和傾斜，增加結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形風(fēng)險。豎向方向上，基坑開挖引起的土體垂直位移將對支撐結(jié)構(gòu)施加壓力和拉力，這會影響支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過分析支撐結(jié)構(gòu)所受的作用力大小、分布和變化規(guī)律，可以判斷支撐結(jié)構(gòu)是否超過了其設(shè)計和承載能力，進(jìn)而評估其穩(wěn)定性和安全性。如果支撐結(jié)構(gòu)受力過大或不均勻，可能導(dǎo)致構(gòu)件的破壞、失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)整體的變形。

4 結(jié)語

通過對軟土地區(qū)深基坑施工對鄰近地鐵區(qū)間的主體結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行建模分析和結(jié)果分析，得出以下結(jié)論，深基坑施工會導(dǎo)致土體沉降，應(yīng)采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施。基坑開挖會引起土體的側(cè)向位移，要注意對鄰近結(jié)構(gòu)的影響。土體變形情況需要進(jìn)行監(jiān)測和評估，及時采取措施進(jìn)行調(diào)整。支撐結(jié)構(gòu)受力情況應(yīng)得到合理設(shè)計和施工，確保其安全性。因此，在實際工程中，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測與管理，合理設(shè)計施工方案，以減輕軟土地區(qū)深基坑施工對鄰近地鐵區(qū)間主體結(jié)構(gòu)的影響，維護(hù)地鐵運(yùn)行安全。