地铁基坑开挖深度大, 影响范围广, 会对基坑周边既有建筑物和构筑物带来不利影响, 特别是在建筑物密集的老城区, 更要注意基坑施工的影响。需要提前将土方开挖对周边环境的影响做出预估, 并提出相应的技术应对方案, 以尽量降低基坑开挖的不利影响。在天津软弱土层中开挖深基坑, 基坑外部土层及基坑围护结构的变形更加明显, 也遇到了很多技术问题, 引起了众多专家、学者及工程技术人员的关注。谭维佳等^[1]用FLAC3D对武汉地铁深基坑的开挖进行了数值模拟分析, 结果发现基坑开挖对周围建筑物的影响明显。张国亮等^[2]用有限差分软件对深圳地铁5号线中的海积淤泥地层中基坑开挖的影响进行了研究, 得到了基坑围护结构及横撑轴力变化规律。王萍等^[3]对南京地铁3号线常府街站基坑开挖进行了数值模拟研究, 用Plaxis 2D推断出引起差异沉降的主要原因是既有建筑基础薄弱, 受基坑开挖影响明显。许杰等^[4]利用ABAQUS对不同断面形式的地铁隧道, 评价了基坑开挖对周边环境的影响。项宝^[5]通过对不同的抛石地层假设模型进行对比分析, 并对基坑开挖变形展开了模拟与实测值对比, 提出了适用深圳湾片区抛石填海地层的基坑设计方法。孙钧等^[6]指出要通过智能预测和控制技术, 做到故障预处理。

天津地铁5号线体育中心站位于天津奥林匹克体育中心体育场西侧, 凌宾路与红旗南路交叉口北侧, 车站为地下2层岛式车站, 车站长487.3m, 宽20.7~28.8m, 车站埋深17.10~19.40m, 顶板上覆土厚度3~3.4m, 采用明挖法施工, 主体围护结构采用地下连续墙, 附属围护结构采用SMW工法桩。本文以车站标准段基坑为研究对象, 基坑围护结构为地下连续墙, 基坑深度为19m, 宽度为20.7m。基坑西侧33m以外就是奥城广场、凯摩公寓及凌庄子村委会的办公楼。

为了监测深基坑施工对周边环境的影响, 在基坑附近的既有建筑物及基坑外侧的地表分别设置了地表沉降观测点, 其中既有建筑物的沉降观测点布置如图1a所示, 坑外地表沉降观测点布置如图1b所示。

根据地勘报告, 基坑场地内各层土的主要物理力学参数如表1所示。

在基坑开挖过程中, 对周边的奥城广场、凌庄子村委会办公楼和凯摩公寓进行2次/周的沉降观测, 沉降观测结果如图2所示。

从图2可以看出, 在基坑开挖过程中奥城广场观测点最大隆起量为1.9mm, 最大沉降量为2.4mm;凯摩公寓A座观测点最大隆起量为1.55mm, 最大沉降量为2.56mm;凯摩公寓B座观测点最大隆起量为1.7mm, 最大沉降量为1.23mm;凌庄子村委会观测点最大隆起量为0.64mm, 最大沉降量为4.27mm。地铁车站深基坑施工会对周边建筑物产生影响, 但影响程度较轻, 建筑物竖向位移变化满足规范要求。

基坑开挖后原有土体-围护结构之间的平衡被打破, 地下连续墙在土压力作用下会产生变形, 因此施工过程中对地下连续墙的水平位移进行了不间断监测。以车站标准段处编号为ZQT-3的监测点为例, 该监测点观测从2014年5月25日开始观测, 直到2015年2月28日结束, 在水平方向上的地下连续墙变形发展过程如图3所示。

从图3可以看出, 地下连续墙的水平位移随施工的进行而逐渐增大, 但到了25周以后增长的幅度越来越小, 水平位移逐渐收敛, 地下连续墙趋于稳定。最终实测ZQT-3点的最大水平位移为20.75mm, 位置在距离地下连续墙墙顶10m深度处。

用FLAC3D模拟了基坑施工的过程, 做了以下3点假设: (1) 同一层土体是物理力学性质均匀的弹塑性体, 土体本构模型采用莫尔-库伦模型; (2) 基坑开挖不单独考虑水的影响; (3) 不考虑外部土体固结沉降及坑边偶然荷载的影响。

地下连续墙采用C30混凝土, 密度为2 500kg/m³, 弹性模量为30GPa, 考虑地下连续墙成墙质量很难达到理想状态, 将弹性模量乘以0.8使用, 泊松比取0.2。地下连续墙与土体均采用brick单元模拟。

为了减少计算量并根据基坑内支承布置情况, 取一个长度为3m, 宽度为36m, 深度为36m的计算单元为分析对象, 土层总共由6层组成, 根据地勘报告内各土层分布情况建立了数值模型。根据施工过程中土体及地下连续墙变形特点及模型的对称性设置边界条件, 模型前、后边界面内限制y方向位移, 左、右边界面内限制x, y向位移, 模型底面设为固定端。

基坑开挖包括4个工况: (1) 工况1往下开挖2m, 在1.5m深处施工钢筋混凝土支承1; (2) 工况2往下开挖6.5m, 在7m深处施工钢支承2; (3) 工况3往下开挖7m, 在13m深处施工钢支承3; (4) 工况4往下开挖3.5m, 打垫层、底板, 如图4所示。

从图5可以看出, 地下连续墙水平位移的模拟结果和实测结果吻合较好, 反映了地下连续墙水平位移随深度变化的规律, 经过拟合后得到地下连续墙水平位移的经验方程为:

式中:s为地下连续墙水平位移 (mm) ;H为距离地下连续墙顶部深度 (m) 。相关系数R²=0.973 1。

基坑开挖会引起坑外临近土体的沉降, 因此需要对坑外土体沉降程度提前做出评价。在基坑标准段内的 (15) 轴、 (16) 轴附近布置了2个坑外土体沉降观测断面, 每个断面按照图1b所示布置5个观测点, 但这5个点中第1点和第5点由于受到边界条件的影响较大, 因此只取中间的第2点、第3点和第4点的实际观测结果和计算结果对比, 如图6所示。

从图6中可以看出, 在基坑外2~6m范围内, 模拟结果和实测结果所反应的地表沉降趋势是比较吻合的, 越接近6m时两者之间的差距越小, 同一点的实测沉降量比模拟值沉降量大, 可能是土体在地下水水位下降后产生了固结变形, 并且基坑边部偶尔会有施工机械短时停留作业, 也加大了土体的压缩变形。

1) 基坑开挖给周边既有建筑带来了影响, 但由于周边建筑均采用桩基础, 对基坑开挖反应不敏感, 所有既有建筑最大竖向位移的变化量均<5mm, 全部在规范允许范围内。

2) 基坑施工过程中, 地下连续墙的最大水平位移发生在距地下连续墙墙顶10m深度位置处, 最大值达到了20.75mm。地下连续墙发生较大水平位移的部位在9~11m深度范围内。开挖引起坑外土体沉降, 最大沉降量发生DBC16-3观测点上, 该点沉降量达到了22.63mm。

3) 地下连续墙水平位移及坑外地表沉降的数值模拟规律和实测规律吻合较好。但由于短时施工机械荷载及降水引起坑外土体固结, 坑外地表沉降的观测值比数值模拟值稍大, 但在2~6m范围内土层的沉降变化趋势基本一致。