李红 杨东 林浩 陈鹏
（深圳市前海开发投资控股有限公司）
【摘 要】基坑开挖引起的临空面变形、地下水位变化均会导致基坑周边场地土体变形，进而可能会影响到地铁设施。地铁11号线盾构区间顶部土方和一侧土方开挖后，地铁11号线存在回弹和侧移的变形风险。针对上述问题，结合实际工程条件、基坑工程设计以及基坑工程施工方案，通过有限元方法和理论计算，对基坑支护、开挖过程、基坑开挖坑外水位变化等进行计算，定量给出基坑开挖和坑外水位变化对城市轨道交通设施的影响数值，为工程决策提供依据。
【关键词】分仓内支撑；咬合桩；渗流；三维有限元分析
1 工程概况
前海二单元五街坊项目位于深圳市前海深港现代服务业合作区桂湾片区，场地东侧为在建民生电商总部大厦项目，南侧在建滨海大道，西侧为在建的弘毅·全球PE中心项目，北侧为桂湾五路；本项目由六个地块组成，设地下室1-3层，基坑开挖深度分别为约17.1m和8.9m。深圳地铁11号线从场地西南角下穿通过，地铁11号线作为一级风险源是本工程的重点保护对象。
2 工程地质条件
2.1 工程地质
场地内陆层主要由上覆第四系人工填土层、第四系全新统海相沉积层、第四系全新统冲洪积层、第四系残积层和下伏加里东期混合花岗岩风化带组成，土层物理力学指标如表1。
2.2 水文地质条件
本场地地下水可分为第四系地层的孔隙潜水及基岩裂隙水两类。本场地①1填土混填石属中等～强透水层；①2人工填砂属强透水层，②淤泥属弱透水层；③1粉质黏土属弱透水层；③2粗砂属强透水层；④砂质粘性土属弱透水层；⑤1全风化花岗岩属弱透水层；⑤2强风化花岗岩属弱～中等透水层，其扰动后，透水性较强；⑤3块状强风化花岗岩；⑤4中风化花岗岩属弱～中等透水层；⑤5微风化花岗岩属弱透水层，水量不丰。
3 基坑支护设计[1]
本基坑超大超深，存在软弱土层。周边环境复杂，道路下方管线密集，无放坡空间。场西南角地铁11号线下穿通过，地铁保护要求较高。且项目开发工期紧，采用传统的对撑或桩锚方案，工期上不可控，且难以对地铁进行有效保护。考虑本基坑周边环境的实际情况、建设工期、工程造价及地铁保护要求，确定本基坑采用分仓内支撑支护方案，平面布置图及剖面见图1、图2。
表1 土层物理力学指标
图1 平面布置图
图2 剖面图
4 基坑开挖水位变化对地铁隧道影响分析
4.1 基坑截水方案[2]
本项目地层中存在一层强透水层：砾砂层和填土层。为避免基坑开挖失水、漏砂，设计方案采用了咬合桩作为基坑围护结构，为了保证可靠的接头止水效果，咬合桩咬合距离为20mm，总体上截水帷幕入基坑底部不少于10m或入弱透水层不少于1.5m。
基坑开挖完成时，基坑内疏排水，坑内陆下水位降至坑底以下。根据渗流的原理，即使基坑周边设置了咬合桩截水帷幕，地下水仍会发生绕过帷幕底进入基坑的渗流，基坑周边地下水位受此渗流影响，会形成漏斗状降落。但由于截水帷幕的阻隔，地下水只能通过帷幕底绕流渗入坑底，坑外地下水位的下降应通过理论计算确定。
4.2 分析方法和相关简化
⑴基本假设：渗透系数各向同性；土层物理力学性质各向同性；地下含水层厚度和压缩层厚度取至中风化表面；基坑开挖降水简化为平面应变问题；不考虑时间因素，只计算降水漏斗稳定后的沉降量。
⑵地下水变化分析方法：首先采用渗流计算软件和经验方法（等代大井法）计算出止水帷幕达到不同深度时，基坑外的浸润线，与原地下水位对比得到坑外地下水的降深。
⑶附加沉降分析方法：在上述计算结果的基础上，采用有限元软件计算不同水位降深时，水位下降引起的有效应力的增大值和附加沉降值，其主要原理如下：当水位变化时，土中总应力不变，根据有效应力原理，△σ＇=-△u（如图3）。
图3 有效应力增量分布
对于有效应力发生变化的降水疏干层（降水面与天然水面之间土层，并假设为一层情况），有效应力增量是三角形分布，取其平均值并假设为矩形分布：
降水面以下土层，其有效应力增量为定值，满足
4.3 计算断面
根据地铁侧地铁建设时期所采用的勘察报告，选取本项目基坑支护设计中一个典型剖面进行分析计算，（如图4）。
图4 渗流分析剖面
4.4 基坑开挖水位变化引起车站结构附加变形[3]
有限元法计算渗流时，对边界条件较为敏感，本文将对边界条件进行参数分析，研究底部渗流边界条件变化对计算结果的影响，以使计算结果有较强的代表性。先渗流计算基坑降水对周边地层的孔压影响，再以调整后的孔压为初始条件计算因降水引起的附件压力对地层变形的影响值。
⑴渗流浸润线计算结果
用上述二维有限元计算模型，基坑各断面基坑开挖降水引起的坑外地下水水位下降情况如图5、图6所示。
图5 渗流计算放大图
图6 地铁11号线侧孔隙水压力分布图
⑵渗流计算结果整理
上述计算成果汇总如表2所示。
表2 渗流计算结果
地铁结构 最大水位降深左线隧道 3.8m右线隧道 5.2m
⑶渗流引起的沉降分析
在地铁11号线纵断面中选取可压缩层较厚的钻孔，将中风化为确定为不可压缩层。地铁11号线侧水位下降5.2m，水位下降引起的附加荷载为52KPa。根据分层综合法，可计算地层最大压缩量为：
5 基坑开挖对临近地铁结构影响的三维有限元分析[4]
5.1 材料本构模型及计算参数
本文采用三维土工有限元软件在土水合算的条件下对各设计工况（基坑开挖、支护过程）进行了分析，用于分析基坑开挖土体应力释放造成基坑周边环境变形情况。分析模型边界与基坑、地铁隧道边缘各处的距离不小于1.5H(H为基坑深度)，模型底面为基坑底以下土层并接近微风化岩。模型中土体采用实体单元，模型外尺寸为340m×430m；基坑腰梁和支撑构件均采用一维梁单元，其截面形状和尺寸与实际结构完全相同；基坑和隧道管片结构采用板单元，其截面尺寸与实际结构完全相同，有限元模型图如7。
图7 有限元模型图
土工有限元分析中材料各参数参见表1，其中将基坑支撑、基坑围护、地铁隧道衬砌等假设为线弹性体，各土层则假设为弹塑性体，本构模型选用修正摩尔-库伦模型（硬化模型）。场地内的混凝土结构体采用C30混凝土，其弹性模量取30GPa，波松比取0.2，钢材为Q235钢，其弹性模量取2.0×105MPa，波松比取0.15。
5.2 边界条件及荷载
计算模型中各垂直边界条件为水平铰支约束，模型底面为竖向位移约束，各计算施工阶段边界条件不变。场地初始竖向应力场为土体自重σz，水平向应力σx按下式确定：
式中，K0为静止土压力系数，全风化岩取0.35，强风化岩取0.18，中风化岩取0.1，其它土按下式计算：
K0=1-sinφ （式4）
5.3 计算结果与分析
本次分析计算采用增量法，荷载根据施工过程的变化逐步增加（或减小），边界条件也相应的调整，整个计算分析过程完全按实际施工过程分为多个阶段，最终工况的结构内力和单元应力、应变根据各个阶段计算结果逐步叠加而成。基坑开挖至基底时的计算结果如图8、图9。
图8 基坑总位移云图
图9 隧道总位移矢量图
通过三维有限元仿真分析，隧道的最大水平侧移为3.6mm，最大竖向位移为5.5mm，总位移6.6mm。
6 结语
本文分析了地下水位变化和基坑开挖过程中土体开挖和支护结构施工对轨道交通设施的影响，主要结论如下：
⑴地铁侧基坑围护截水帷幕嵌入深度10m或达到强风化面，基坑开挖降水引起11号线地铁车站侧地下水水位降幅约5.2m，降水引起沉降约7.42mm；
⑵综合考虑基坑开挖降水、土方开挖卸荷和基坑支护结构等共同作用，预计基坑施工引起11号线地铁车站侧最大水平位移3.6mm，沉降约1.92mm；
⑶根据上述计算成果，11号线行车道板变形影响长度约230m，且变形没有突变。经进一步测算后可得出如下结论：基坑开挖和地下室施工过程中，隧道和车站结构满足各项指标控制要求，即：运营线路轨道竖向变形允许值±2mm/10m，两轨道横向高差2mm/10m，行车道相对变曲≤1/5000m,行车道纵向变形后曲线的曲率半径R≥30000m。●
【参考文献】
[1]JGJ120-2012，建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[2]张有桔，丁文其，董光辉，刘祥勇，刘文军.无锡基坑实测水土压力随施工过程变化规律分析[J].岩土工程学报，2012，34(增刊)：677-681.
[3]刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社，2009.
[4]杨光华，陆培炎.深基坑开挖中多撑或多锚式地下连续墙的增量计算法 [J].建筑结构，1994（8）：28-31.
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