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摘要：空间上相邻的基坑群工程无论从施工技术、工程风险、相互影响和对周边环境产生的危害来看，均比单一基坑要复杂。因而对其进行深入研究具有重要的工程意义。以新郑国际机场地下空间与城际铁路隧道基坑群作为本次研究的背景工程，采用MIDAS软件建立起模拟施工过程的三维有限元模型，该模型同时考虑城际地铁基坑支护结构、邻近捷运车站、行李隧道以及基坑群周边环境等因素，对多个相邻基坑相继同步开挖施工过程进行了数值计算模拟。在数值模拟结果基础上探讨基坑群开挖对各基坑围护墙体位移性状、位移量的影响，及其基坑群相继开挖对周边土体位移的叠加影响效应。
关键词：新郑国际机场；地下空间；基坑群；施工过程；数值模拟
Numerical simulation on the construction process of the complex foundation group between underground space of Xinzheng international airport and the tunnel of inter-city railway
Abstract: No matter from the construction technology, project risk and influence each other and the harm to surrounding environment, The adjacent foundation pits are more complex than single foundation pit. So these complicated excavation group construction have become a very important research direction of engineering and technical personnel. Using the complex foundation group between underground space of Xinzheng international airport and the tunnel of inter-city railway as the background of this research project, and a three-dimensional finite element model for simulating the construction process was established using the MIDAS software, the model consider main factors including the inter-city subway foundation pit supporting structure, adjacent to them RT station, luggage tunnels and excavation of surrounding environment. The synchronized excavation process of the more adjacent foundation pits was simulated also. On the basis of the results of numerical simulation, the superposition effects on the surrounding environment for the process of foundation pits excavation and the interaction between the foundation pits were discussed, which including the displacement trait, the displacement and the influence of successive excavation for the foundation pit on surrounding soil displacement superposition effect.
Key words：Xinzheng international airport; underground space；foundation group; construction process; numerical simulation
1 引言
迄今为止国内外对复杂基坑群施工过程的危害及其施工方法综合研究较少。许多学者在单个基坑位移及周围土体位移方面进行了大量的实践与研究，已充分认识到施工对周围位移场的重要影响。但对基坑群开挖的研究较少。孙钧院士[1]指出“相邻基坑同步（或工序交错）施工”是城市地下工程活动最突出、最困难问题之一。
近些年许多学者[2-12]从施工环境、施工方法、工程风险等方面采用数值方法模拟群坑开挖对邻近建筑物或构筑物的影响以及群坑间的相互影响本文以新郑国际机场地下空间与城际铁路隧道基坑群为背景工程展开研究，采用MIDAS GTS NX软件中的修正Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型，同时考虑了城际地铁基坑支护结构、邻近捷运车站、行李隧道以及基坑群周边环境等因素，建立模拟施工过程的三维有限元模型，对多个相邻基坑相继同步开挖施工过程进行系统的研究。
2工程背景
郑州新郑国际机场的拟建预留捷运工程在T2航站楼东侧是为远期建设卫星厅预留的旅客运输系统，本工程为地下一层结构，包括一座地下捷运车站及一段地下捷运区间，全长649m。车站及区间均采用明挖法施工，车站基坑由地面算起约12m，基坑宽度37m，采用放坡和排桩两种围护形式。捷运车站及区间南侧与行李隧道相邻，两工程基坑间净距为8.3m。行李隧道是下穿T2航站楼东侧的联络滑行道，实现卫星厅登机旅客的行李输送，为地下区间结构。本期实施行李隧道实施外包总长为701m，其中暗埋段长561m，为地下单层单孔箱涵结构，基坑总宽约17.5m，暗埋段基坑深度6.1～12m。结构敞开段长约140m，为U型槽结构，敞开段基坑深度0～6.1m。隧道采用明挖法施工，采用放坡和排桩两种围护形式。行李隧道南侧与城际铁路区间相邻，其平面距离由紧邻到22.3m；城际铁路基坑较深，深度均大于22.5m，采用灌注桩围护, 城际铁路先于本工程基坑实施。本期同时施工捷运车站区间和行李隧道，局部位置先施工捷运车站，再施工行李隧道工程。
3 基坑群施工过程的数值模拟分析
群坑开挖耦合效应的主要体现为群坑内部子基坑开挖的相互作用与对外影响的耦合叠加，这些作用往往难以用传统的计算方法获得，本文采用Midas GTS NX软件对这一耦合效应进行数值计算分析。
3.1 模拟工况
为系统研究由城际铁路基坑、行李隧道明挖基坑和捷运系统基坑共同作用下所产生的群坑效应，在考虑既有施工方案的基础之上，模拟了即有城际铁路施工完成的情况下先施工行李隧道明挖基坑后施工捷运系统基坑。由此分析后期行李隧道明挖基坑和捷运系统基坑开挖对城际铁路基坑的影响。
模拟工况的基本流程具体如下:（a）先施工城际铁路基坑，即先施工基坑灌注桩围护和旋喷桩止水帷幕，然后开挖一层支护一层，最后浇注基坑底板；（b）城际铁路基坑施工完成后，进行行李隧道明挖基坑施工，为了分析行李隧道明挖基坑对城际铁路基坑的影响，在施工行李隧道明挖基坑前先进行位移清零。行李隧道明挖基坑的施工分为两种情况，即对于浅部基坑采用先开挖然后表面喷护的方式进行施工，最后到底后进行底面浇注，而对于深部基坑采用先做围护结构和止水帷幕，然后开挖一层支护一层，最后浇注基坑底板。（c）另外行李隧道和城际铁路近临，需用C20素混凝土回填行李隧道和城际铁路施工完成后留下的空隙；对于捷运系统基坑的施工和城际铁路基坑施工过程一致。
3.2模拟参数及本构模型
结合岩土工程计算中长期以来积累的经验，本文所研究的基坑选用Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型。关于土体的参数，根据地貌形态及成因，郑州地区地貌类型划分为黄土地貌和流水地貌二大类型。地形地貌主要为黄土地貌的山前冲洪积缓倾斜平原，场地较平坦，由西向东稍倾斜。由野外钻探编录资料及原位测试资料，模拟中用到的参数如表1所示，其中厚度取值是多个地质柱状图的厚度取平均值。
3.3 数值模型的建立
（1）计算区域
由于城际铁路基坑为长条形，深度为28 m，长度为300 m，围护结构深度取40 m；另外行李隧道明挖基坑开挖深度为12 m，捷运系统基坑与行李隧道明挖基坑深度相差0.5 m，模型竖向取为80 m；由于行李隧道在DK0+231.500以东基坑与捷运区间基坑底深度高差保持一致，两者高差约0.5 m，在该里程以西行李隧道基坑逐渐变浅，两者基坑间高差逐渐加大。为模拟行李隧道基坑由0.93 m至12 m变化过程和正常12 m深基坑的完整过程，取模型长度为300 m，模型取300 m可同时实现捷运系统的车站基坑和区间基坑；在横向综合考虑城际铁路基坑宽16.5 m，行李隧道明挖基坑宽15.4 m，捷运系统车站基坑宽为37 m，区间基坑宽为21.2 m，三维分析时设置所分析的长方形或者正方形基坑的边界范围时，开挖影响宽度一般为开挖深度的3~4D，影响深度为 2~4D（D 为入土深度）较合理，最终取模型横向宽度为232 m。
（2）模型介绍
计算模型由城际铁路基坑、行李隧道基坑和捷运系统基坑构成，其中主要包含了9层土。当城际铁路基坑、行李隧道基坑和捷运系统基坑都施工完成后如图1所示。采用位移约束条件：地表面为自由面；模型四周约束法向水平方向位移，底面约束（x、y、z）3 个方向位移。计算过程中，首先生成初始应力平衡，再模拟实际工况分步骤地进行地连墙施工和土体分区的开挖与加撑，土体开挖与支撑通过关闭和激活实体单元与结构单元实现。
图1施工完成后的效果图
Fig 1 After the completion of the construction model
4 数值模拟结果及其分析
根据前期的工况，将按城铁基坑施工完成，然后考虑后续行李隧道基坑和捷运系统基坑的施工先后顺序对城铁基坑的影响来研究由此引起的“群坑效应”。城铁基坑施工完成后即施工与之靠近的行李隧道基坑，行李隧道基坑分两部分，放坡段和之后的基坑段，；最后施工捷运系统基坑，即车站部分和区间部分；这个施工过程共分19步完成。
4.1 水平位移分析
图2为城铁基坑施工完成时的竖向位移图，地表竖向位移基本呈现出离基坑越远竖向位移越小，在56 m处基本为0。
图2 整体竖向位移图
Fig 2 Overall vertical displacement
由图3可知，300 m长的城铁基坑围护结构的水平位移从起始端到临近行李隧道基坑一侧是从小变大的，而且内外侧（相对于临近行李隧道基坑和捷运系统基坑而言）的水平位移也是不一样的，具体如图4和图5外、内侧城铁基坑围护结构水平位移图。
图3城际铁路基坑围护水平位移
Fig 3 Horizontal displacement of foundation pit of Intercity Railway
由图4可知，外侧城铁基坑围护结构的水平位移在自身基坑完成时顶部略大于40 mm，从7.5 m开始逐渐变大，10.5 m的位置达到最大约58 mm；10.5 m以下逐渐变小，当行李基坑完成时，外侧城铁基坑围护结构的水平位移变化规律与之前自身基坑完成时的一致，数值上只比之前增大了7 mm左右；而当捷运系统基坑完成时虽然外侧城铁基坑围护结构的水平位移变化规律与之前保持一致，但数值上却发生了较大变化，顶部水平位移达到97 mm，最大水平位移达到103 mm；分析原因主要由于行李隧道基坑整体体积小，对既有围护结构变形影响有限，导致城铁基坑围护结构水平位移仅增大17%，而捷运系统基坑整体体积较大，卸载作用明显，导致城铁基坑围护结构水平位移增大58%。
图4 外侧城铁基坑围护结构水平位移
Fig 4 Lateral displacement of the retaining structure of the outboard Subway Foundation Pit
由图5可知，内侧城铁基坑围护结构的水平位移在自身基坑完成时顶部略大于49 mm，从7.5 m开始逐渐变大，10.5 m的位置达到最大67 mm；当行李基坑完成时，内侧城铁基坑围护结构的水平位移变化规律与之前自身基坑完成时的一致，数值上只比之前减小了3～7 mm；而当捷运系统基坑完成后，内侧城铁基坑围护结构的水平位移变化规律发生了显著的变化，而且沿基坑围护结构深度不同部位的影响也不同，顶部影响最大，变化幅度达到了58 mm，变化值沿着围护结构深度逐渐变小，且在1～6 m深度范围内水平位移的方向也发生了变化，13.5 m处水平位移达到最大为23 mm，之后的影响变小，分析其原因主要是捷运系统基坑开挖深度只有12.5 m，所以对城铁基坑围护结构水平位移的影响也主要集中在浅层。而到24 m处，不同阶段的水平位移相等，产生了水平位移分叉。
图5 内侧城铁基坑围护结构水平位移
Fig 5 Lateral displacement of the retaining structure of the inner Subway Foundation Pit
4.2 坑底隆起分析
三个基坑全部施工完成后的坑底隆起变形图如图6所示。由图6可知，城铁基坑坑底隆起最大，捷运车站基坑坑底隆起次之，然后是行李隧道基坑，捷运区间最小。在局部分布上城铁基坑靠近行李隧道一侧更大，捷运车站也有类似的规律靠近内侧其他基坑时坑底隆起更明显。原因主要是基坑坑底隆起主要是由于基坑开挖土体卸载的作用，当有多个临近基坑开挖时土体卸载作用有叠加效果，导致基坑相近部位坑底隆起较大。
图6 坑底隆起图
Fig 6 Pit bottom uplift
图7为城铁基坑沿纵向的坑底隆起图。城铁基坑开挖完成时由于没有受到其他基坑的影响，在整个纵向长度方向上坑底隆起基本维持在60 cm左右；当行李隧道基坑施工完成后，城铁基坑坑底隆起整体变大，在起始位置（即远离行李隧道基坑一侧）变化较终点300 m处小，从0～300 m处变化基本维持在62～68 cm；当捷运系统基坑施工完成时，整个城铁基坑坑底隆起继续变大，且变化幅度较行李隧道基坑施工完成时大，变化范围维持在66～74 cm之间；比较行李隧道基坑和捷运系统基坑对城铁基坑的影响发现后者的影响更大些。
图7城铁基坑坑底隆起图
Fig 7 Pit bottom uplift of the Subway Foundation Pit
4.3 竖向位移分析
群坑作用下地表的土体竖向变形如图8和图9所示：由图8可知，地表竖向位移基本呈现出离基坑越远位移越小，在56 m处基本为0。当城铁基坑开挖完成后继续开挖行李隧道基坑和捷运基坑地表竖向位移会有所增加，但增大的幅度较小，分别仅有2 cm和1 cm。
图8城铁一侧地表沉降
Fig 8 The subway side of the surface settlement
由图9可知，城铁基坑和行李隧道基坑施工完成时捷运系统基坑一侧的地表几乎没有竖向变形，而当捷运系统基坑完成后地表会发生较大竖向变形，最大达到20 cm，也是在56m处基本变为0。
图9 捷运基坑一侧地表沉降
Fig 9 MRT foundation pit side of the surface settlement
5 结论
以新郑国际机场地下空间与城际铁路隧道基坑群作为本次研究的背景工程，采用MIDAS GTS NX 软件建立起基坑群施工过程的三维有限元模型，分析由各基坑开挖后引起的围护结构水平变形、坑底隆起、两侧地表竖向变形得到如下主要结论：
（1）基坑围护结构水平位移受土压力的影响，而土压力又受到土体条件和临近基坑围护约束的影响，如捷运车站和捷运区间基坑围护结构的水平位移就发生了明显相反的变化。
（2）由基坑开挖卸载引起的坑底隆起主要受卸载量的影响，当群坑近距施工时影响较为明显，如由于后续捷运系统基坑开挖导致行李隧道基坑坑底隆起明显。
（3）群坑作用下地表的土体竖向变形有叠加效应，但影响非常小。而对于远离基坑的地表竖向变形只受临近基坑开挖的影响。
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论文作者:吴庆红
论文发表刊物:《防护工程》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/24
标签：基坑论文; 捷运论文; 位移论文; 隧道论文; 行李论文; 城铁论文; 结构论文; 《防护工程》2017年第7期论文;