1 引言

市政建设的快速发展，建筑物彼此毗邻密集，公铁交叉、并行、管线交叉穿越，必然会有大量的基坑施工，然而深、大基坑的开挖将会对临近构筑物产生各种不利影响，这种不可逆的影响必须控制在一定的范围内，才能保证既有结构的使用安全。如何评估基坑开挖对临近建筑物的影响程度成为工程界较为关心的学术、技术问题。

基坑开挖对铁路轨道结构、铁路路基产生影响，对铁路运营带来一定的安全隐患，因此，有必要对基坑支护结构进行分析，优化支护设计，达到减少对铁路路基、轨道结构的影响。尤其临近铁路的基坑开挖，对位移的限值尤为严格，普速铁路墩台顶竖向、水平位移控制值在-3~3mm。

基坑开挖是一个卸载过程，土体的卸载对临近桥梁桩基及隧道围岩应力的释放是复杂的三维应力场问题，与土体的物理力学性质，特别是粘聚力C、内摩擦角φ、孔隙比e及渗透系数k密切相关。目前基坑开挖对临近建筑物、构筑物的影响研究成果也越来越多^{［1］~［8］}，主要针对单一因素某一特定问题进行研究，如孟长江等在岩土工程学报针对基坑降水对运营高铁桥墩位移、应力进行数值分析，获得桥墩处水位下降将导致桥墩中性点、沉降变形呈非线性增长，同时导致桩基承载力下降^［1］；胡海英等则对地铁隧道影响进行分析，隧道位移实测结果表明基坑开挖对隧道不一定是卸荷影响，与基坑支护、施工方案等因素相关^［2］。木林隆等在基于小应变下研究了基坑开挖对桩基的影响，开挖深度应避开桩底位置，且桩在围护墙0.5倍基坑深度时最为危险^［3］。本文以基坑及周边构筑物的特殊性，以数值模拟代替理论计算，结合动态监测数据，进行对比分析，为类似项目提供参考经验。

2 工程概况

南京某新建泵井深基坑工程因场地位置相当局限，处于既有运营铁路、地铁、高架桥墩和铁路立交框架之间，施工条件异常苛刻。深基坑长11米，宽4米，深12米，周边影响条件一是位于既有铁路南侧仅14米；二是基坑上方为大桥北路高架桥，桥跨30米，西侧为门式墩，东侧为桩柱式墩，距离桥墩承台最近为2.75米；三是基坑东北侧为铁路立交框架，基坑边缘距框架最近距离为7.7米；四是基坑西侧为分离式地铁盾构，距基坑边缘仅1.9米，盾构顶标高为-0.3米，基坑底标高为-2.9米，基坑位于地铁盾构底3.65米。

基坑布置平面                                     基坑布置立面

根据现场地质条件，设计方案为基坑东、西、南三侧围护结构采用φ2000@1300MJS工法桩围护，北侧为既有支护桩。MJS围护桩与下穿铁路通道既有围护桩形成封闭围护，桩顶施作封口梁与既有桩基冠梁连成整体。

2.1 工程地质及水文地质概况

拟建场地沿线工程活动较为强烈，地势较为平坦，地面标高一般在6.26～10.30米，近地表分布全新统冲积、淤积粘性土及砂性土层。拟建线路位于长江漫滩区，地基土以软土、砂土分布为主，地层分布基本稳定。基坑坑底位于②-2b4淤泥质粉质粘土中。

表1  场地土的工程地质参数

2.2 既有铁路概况

永利铁路为单线铁路，实测左线轨顶标高9.34米。国铁Ⅲ级铁路，单线，非电气化，P60轨，无缝线路，Ⅱ型枕。线路两侧有防护栅栏。该条铁路位于拟建雨水泵房北侧，最近距离14米。

2.3 既有高架桥概况

大桥北路高架桥左侧采用门式墩，桩径1.5米，承台尺寸为5.8×2.5米，右侧为4-1.2米基桩，承台尺寸为5.2×5.2米。

2.4 既有盾构概况

地铁S8号南延线在该段为分两孔分离式隧道，为圆形盾构，外直径6.5米，外轮廓为其中下行线隧道外轮廓距离基坑边缘约1.9米，仰拱顶标高为-5.19米。

2.5 既有铁路框架桥情况

拟开挖基坑东北侧既有3孔（10.0+11.5+11.5）m铁路框架，其中东侧人非框架顶板厚0.6m，底板厚0.7m，侧墙厚0.6m；机动车框架顶板厚0.6m，底板厚0.7m，侧墙厚0.65m。

3 数值模拟分析

3.1 参数取值

结构建模考虑因素：土体采用修正摩尔库伦模型即HS模型，该模型常用于淤泥或沙土中，是非线性和弹塑性联合起来的复合型材料模型。对于软土，切线模量与卸荷模量差距较大，基坑开挖是卸荷过程，HS模型将弹性区定义为非线性弹性，能量准则用于计算弹性应力-应变关系，切线模量与静水压力的函数关系：

式中：：压缩性参考模量；参考压力；m指数，0<m<1，

HS模型中卸载弹性模量采用卸载-重加载模量：

参文献^［3］，若卸荷弹性模量取值超过一定限值，计算失真，且在一定范围内改变卸荷模量数，对应力变化影响很小。加荷模量数与卸荷模量数之比经验关系式为^［4］：

对于淤泥粉质黏土，取2倍切线模量。

3.2 施工工况

根据圣维南原理，结合基坑开挖深度，需分析位置与基坑的距离关系，基坑边界取150×150×70米，利用Midas GTS有限元软件进行数值模拟，土体采用HS本构模型，既有桥桩基采用植入式梁单元，MJS工法桩根据刚度等效原理折算为等刚度桩墙，桥墩、承台、支承等采用弹性结构模拟。根据设计图纸及现场施工工况，划分为以下阶段：

（1） 生成市政高架桥、地铁隧道、铁路框架等初始网格模型，施加边界约束，在初始应力及净孔隙水压力下，达到初始应力平衡状态；

（2） 施工基坑MJS工法桩、圈梁、基坑范围内高压旋喷桩；

（3） 基坑开挖，并施工第一道横撑-混凝土撑；

（4） 施工第二道横撑，φ609mm钢管撑；

（5） 开挖至设计标高。

3.3 结果分析

根据图a中数据可以看出，随着基坑开挖，盾构顶发生下沉。从基坑开挖整体过程来看，地铁隧道顶下沉了3.2mm。其中58、59期由于施工第二道横撑，基坑开挖深度持续增大，地铁隧道顶位移变化速率最大，结合数值模拟中理论数据，开挖至基底时，盾构顶产生4.05mm下沉，比实测值偏大26.5%左右，产生原因在于随着基坑开挖深度的增大，基坑完全进入淤泥质粉质黏土层中，卸载模量与切线模量差异比上层土更大，加之前后两道横撑刚度减小，应力卸载量越大，引起盾构顶沉降的变化速率最大。

图b中显示盾构顶水平位移发生扩张，在61、62、63期达到较高水平，其中在第63期达到峰值1.8mm。从施工工况分析，三个阶段基坑已开挖至基底，并施工结构底板，从时间上峰值的达到相对滞后。分析该现象产生的原因：根据土力学有效应力原理，土体应力的释放是一个相对缓慢的过程，其产生应变是由于有效应力与空隙水压力转化的表现（忽略土本身的压缩性），土的变形与强度变化只取决于有效应力的变化，与空隙水压力无关。因此，在开挖深度最大时，盾构处并不能实时达到峰值，而是随着空隙水压力的消散、有效应力的增加，逐步达到水平扩张的峰值。

图a盾构竖向位移曲线

图b盾构水平位移曲线

注：1、竖向位移：“+”表示上升，“-”表示下沉；

2、水平位移：“+”表示水平扩张，“-”表示水平压缩。

图c、d分别为大桥北路高架桥桥墩沉降、水平位移曲线，图中显示高峰区主要有四个区间，一为基坑高压旋喷桩、MJS工法桩施工阶段，后三个区间为基坑开挖阶段。根据监测时间来看，沉降高值主要发生在前一道横撑施工完毕，继续开挖至下一道横撑施工前时期，分析其产生的原因：桥墩毗邻基坑，基坑周围施工MJS工法桩、坑底施工高压旋喷桩，一方面挤土效应对桩基产生扰动，高压喷粉引起附近土体应力重塑同样传递至临近的桩基，引起侧摩阻发生变化，从而使桥墩产生沉降及位移；另外，基坑开挖时，在前一道横撑施工完毕，后持续开挖，而后一道横撑未施工时，随着基坑中的卸荷，引起基坑MJS工法桩有偏向基坑方向的位移，综上所述造成桥墩竖向位移曲线出现峰值区段。数值模拟分析结果，符合这一趋势，同时，理论计算中右侧桥墩（1.2米桩基）位移整体式比左侧桥墩（1.5米桩基）位移偏大，而实测结果波动较大，不具分析特征，这可能由于桩基与土之间的相互作用机理与所采用的植入式梁单元与土体的协作关系存在偏差造成。以上分析忽略汽车活载作用。

图c大桥北路高架桥墩竖向位移曲线

图d大桥北路高架桥墩水平位移曲线

图e为铁路框架桥沉降位移曲线，从曲线特征表现为前期上浮，后期下沉的趋势，上浮最大值为2.0mm，此阶段发生的主要原因为基坑高压旋喷桩施工，高压喷粉、喷浆扰动土体，使土颗粒间空隙水压力减小，土体有效应力增加，土体抗剪强度提高，在一定范围内产生挤压效应。铁路框架位于高压旋喷桩处理地基以上，由此造成施工高压旋喷桩时铁路框架产生的上浮现象，根据理论模拟结果来看，距离地基加固范围越近，产生的上浮越明显，远离地基加固范围侧框架出现下沉现象；地基加固区间与铁路框架的相对高差对沉降的影响有待进一步的数据论证。

图e铁路框架沉降曲线

4 结论及建议

本文通过对临近基坑的地铁隧道、市政高架、铁路框架桥进行数值模拟与实测数据分析对比，其中外界荷载，包括汽车荷载、铁路活载默认不变，得到如下成果：

（1） 在深基坑的主要影响区0.7H或H·tan（45°-φ/2）范围内，基坑开挖对隧道带来的并非是卸荷作用，反而增加了围岩压力，引起了地铁围岩结构的一定下沉；

（2） 对临近高架桥施工高压旋喷桩及MJS工法桩引起土体有效应力的增加以及卸荷使桥墩在竖向有一定程度的上浮；基坑开挖的卸载作用对桩径的大小影响还有待深入研究。

（3） 对基坑的次要影响区0.7H～(2.0～3.0） H 或H·tan（45°-φ/2）～(2.0～3.0） H范围内，施工高压旋喷桩及MJS工法桩阶段，铁路框架产生上浮现象，随着基坑开挖的推进转为下沉；地基加固区间与铁路框架的相对高差对沉降的影响有待进一步的数据论证。

参考文献

［1］孟长江，基坑降水对临近运营高铁桥墩的影响评估分析［J］，岩土工程学报，2014，36（增刊2），266-268.

［2］胡海英等，基坑开挖对既有地铁隧道影响的实测及数值分析［J］，岩土工程学报，2014，36（增刊2），432-439.

［3］木林隆，黄茂松，基于小应变特性的基坑开挖对邻近桩基影响分析方法［J］，岩土工程学报，2014，36（增刊2），305-310.

［4］张小平，等，卸荷模量数取值的研究，岩土力学，2002，23，28-30.

［5］冯晓腊，熊宗海等，复杂条件下基坑开挖对周边环境变形影响的数值模拟分析［J］，岩土工程学报，2014，36（增刊2），331-336.

［6］叶帅华，复杂环境下深大基坑开挖监测与数值模拟分析［J］，土木工程工程学报，2019，52（增刊2），118-126.

［7］左殿军等，深基坑开挖对邻近地铁隧道影响数值计算分析.

［8］郑刚等，基坑开挖引起邻近既有隧道变形的影响区研究［J］，岩土工程学报，2016，38，600-610.