膨脹土深基坑開挖對鄰近地鐵設施變形的影響*

李朝陽謝強陳云趙夢怡賀建軍郭永春

膨脹土深基坑開挖對鄰近地鐵設施變形的影響*

李朝陽1謝強1陳云2趙夢怡1賀建軍1郭永春1

（1.西南交通大學地球科學與環境工程學院，610031，成都；2.中建西南勘察設計研究院有限公司，610000，成都//第一作者，博士研究生）

隨著全國各大城市地鐵以及城市輕軌交通項目的快速興建，在膨脹土分布區域，一系列的膨脹土深基坑工程位于地鐵線路周邊，對地鐵隧道及車站的安全產生影響。膨脹土作為對工程危害嚴重的特殊土，膨脹土深基坑的開挖對鄰近地鐵設施的影響分析顯得尤為重要。為此，以鄰近成都地鐵2號線洪河站某膨脹土深基坑工程為背景，運用FLAC3D數值軟件建立計算模型，采用膨脹土抗剪強度折減的方法，對膨脹土深基坑分層開挖對鄰近地鐵設施的變形影響進行分析計算。計算結果表明：地鐵隧道及車站的最大位移符合控制要求，數值計算結果與現場測試結果相近，表明考慮膨脹土抗剪強度衰減的方法可以用于膨脹土基坑分析計算，成果可為類似工程的設計和施工提供參考。

地鐵；膨脹土基坑；抗剪強度；數值計算；現場測試

Author′s addressFaculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

地鐵結構設施對變形要求較為嚴格，如《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》要求地鐵結構設施絕對沉降量不能超過20 mm［1］。但隨著我國各大城市地鐵建設和城市建設的快速發展，在既有地鐵線路周邊開挖深基坑不可避免，由此引起地鐵隧道結構的沉降變形等問題。

近年來，不少學者對一般性深基坑開挖時對既有地鐵設施的影響已有深入研究。2005年，曾遠等分析了不同因素對在運營車站變形的影響［2］；2009年，王小兵等對軟土地區深基坑開挖對緊鄰地鐵隧道的影響進行了預估分析，并探討減少基坑開挖對地鐵隧道影響的控制措施［3］；2011年，沈輝等通過數值仿真技術，探索了深基坑施工影響下地鐵車站的變形與受力情況［4］；2014年，胡海英等結合數值模擬和現場測試，綜合分析了基坑開挖對地鐵隧道的影響［5］。

目前，通過數值計算以及現場測試等研究方法，對一般深基坑開挖時對鄰近地鐵設施的影響研究取得了較為豐碩的成果。然而，膨脹土作為對基坑工程危害嚴重的特殊土，常常對周邊結構設施造成變形過大、坡腳軟化等惡劣影響，因此，膨脹土深基坑的問題已越來越引起人們的重視［6］，但現階段針對膨脹土深基坑開挖對地鐵設施的影響研究較少。由于成都、合肥等地膨脹土分布地區地鐵工程的大量興建，膨脹土深基坑的開挖對鄰近地鐵設施的影響分析顯得尤為重要。

本文以鄰近成都地鐵2號線洪河站某膨脹土深基坑工程為實例，在施工期間對基坑及周邊地鐵設施進行動態監測，運用FLAC3D數值軟件建立計算模型，采用膨脹土抗剪強度折減的方法，對膨脹土深基坑分層開挖對鄰近地鐵設施的變形影響進行分析計算，并將數值計算結果與現場測試結果進行對比分析。研究成果可為類似工程的設計和施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

本文研究的膨脹土深基坑工程位于成都市驛都大道地鐵2號線洪河站A1和A2出口南側，椿樹街東側，項目建筑用地面積24 530 m2。該地塊屬于典型的膨脹土區域。項目由編號分別為T1、T2、T3的3棟超高層塔樓和局部地上3層的裙房及4層地下室組成。規劃主體建筑高度達到468 m，基坑工程開挖深度約在23.5 m，基坑邊坡距地鐵2號線洪河站A1出口相距僅2 m，與A2出口相距15.5 m，與通風口相距10.52 m，與地鐵隧道相距約34 m。基坑與地鐵的相互關系見圖1。

鄰近地鐵設施側基坑長度約120 m，基坑北側有地鐵2號線出口、通風口、冷卻塔等地鐵設施。基坑支護方案采用排樁+三層內支撐的復雜支護體系。基坑支護體系與地鐵及既有設施的相互關系見圖2。

1.2 工程地質條件

圖1 基坑與地鐵的相互關系平面圖

成都平原主體為岷江水系和沱江水系沖積而成，在構造上屬第四紀坳陷盆地。成都市區位于該平原的中部東側，處于近代河流沖積、洪積而成的砂卵石層和粘性土所組成的Ⅰ級、Ⅱ級河流堆積階地之上。基坑工程地處于下伏基巖為白堊系成都平原岷江水系Ⅲ級階地。根據鉆探資料以及基坑開挖深度，確定與基坑邊坡變形相關的土層依次為：①0～1.5 m填土層；②1.5～6 m黏土層；③6～7 m粉質黏土層；④7～11 m含卵石粉質黏土層；⑤11～12 m卵石層；⑥12～50 m泥巖。主要物理力學參數如表1所示。其中，具有弱-中等膨脹性的成都粘土廣泛分布于基坑0～12 m范圍，試驗測定現場成都粘土天然含水率20.6%，膨脹特性參數為：膨脹力57.8 kPa，膨脹率32.5%，自由膨脹率50%。成都粘土不僅具有脹縮特性，還存在著大量的導水裂隙，沿裂隙分布有灰白色親水性礦物蒙脫石條帶，導致在降雨以及地下水補給等情況下，成都粘土吸水膨脹、強度降低，基坑工程出現過變形過大甚至整體破壞等現象［7］。

圖2 基坑與地鐵設施的相互關系剖面圖

表1 基坑區域土層物理力學參數

2 現場測試

膨脹土基坑開挖對既有地鐵設施變形控制研究現場測試平面布置圖如圖3所示。根據地鐵設施的分布，分為3個監測斷面：A-A地鐵A1出口斷面；Q-Q地鐵A2出口斷面；P-P地鐵通風斷面。

（1）在鄰近地鐵側基坑邊坡的鉆孔灌注樁中選取合適的樁位加入樁身以及樁后測斜管以監測樁身位移。

（2）在地表尤其是地鐵設施的地表位置設置觀測點，主要監測開挖過程中地表沉降變形。

（3）在地鐵軌道設置變形觀測點，監測開挖過程中地鐵軌道變形。

圖3 基坑現場測試平面布置圖

3 基坑開挖對地鐵設施影響數值分析

3.1 模型建立

采用FLAC3D數值計算軟件對膨脹土深基坑開挖對地鐵設施的影響進行分析。選取臨近地鐵一側的基坑作為研究對象，建立的三維模型如圖4所示。模型長×寬×高分別為225 m×187.4 m×50 m。簡化模型后地層分為3層：0～12 m為黏土層，12～34 m為強風化泥巖層，34～50 m為中風化泥巖層。模型支護結構主要有鉆孔灌注支護樁結構與內支撐結構，其中鉆孔灌注支護樁共200根，北側兩條邊樁長為30 m，其他邊樁長均為34 m，樁徑均為1.2 m，樁間距1.5 m。內支撐、鋼立柱等結構采用結構單元建立。為簡化模型，將地鐵隧道視作整體，建立方形隧道洞室，隧道寬度16.32 m，高度16 m，隧道頂部離地表2 m，隧道邊緣離基坑邊緣34 m，隧道洞室擋墻、支護樁等采用結構單元建立。

3.2 巖土體參數

現階段并沒有針對膨脹土地區基坑邊坡支護設計的相關規范。張穎均、王年香等人采用現場測試以及模型試驗研究了膨脹土工程設計設計中的膨脹荷載分布［8-10］，但其工程適用性尚未得到檢驗，不能直接應用于工程。賈磊柱等通過試驗數據定量分析，提出了考慮膨脹土抗剪強度衰減特性的深基坑支護工程設計計算方法［11］。對于膨脹土地區的基坑支護，一般采用強度折減等經驗方法進行支護設計。

圖4 基坑三維模型示意圖

根據表1中巖土工程特性指標，采用強度折減經驗方法，將土層簡化為3層，確定各材料的參數（如表2所示）。黏土層與強風化泥巖層單元本構關系采用摩爾庫倫模型，中風化層泥巖采用彈性模型，鉆孔灌注樁和冠梁等結構單元本構關系采用彈性模型。

表2 基坑巖土體參數

3.3 計算工況

膨脹土基坑工程開挖深度達到23.5 m，屬超深基坑工程，基坑支護形式為排樁+3層內支撐。現場實際開挖施工過程如下：①大面積開挖至第一道混凝土支撐底部0.7 m，其后澆筑壓頂梁及第一道混凝土支撐；②待第一道支撐達到設計強度的80%后，開挖至第二道支撐底部8 m，澆筑第二道混凝土圍檁和支撐；③待第二道支撐達到設計強度的80%后，開挖至第三道支撐底部15.5 m，澆筑第三道混凝土圍檁和支撐；④待第三道支撐達到設計強度的80%后，開挖至基坑底部23.5 m。

數值計算工況：①采用天然狀態巖土體參數生成天然應力；②采用強度折減巖土體參數，建立排樁、第一道內支撐后開挖至第二道支撐底部8.0 m計算工況；③采用強度折減巖土體參數，建立第二道內支撐后開挖至第三道支撐底部15.5 m計算工況；④采用強度折減巖土體參數，建立第三道內支撐后開挖至基坑底部23.5 m計算工況。

4 數值計算與現場測試對比分析

綜合分析數值計算以及現場測試結果，從樁身位移、地表位移以及地鐵軌道位移等3個方面評價膨脹土深基坑分析計算方法以及膨脹土深基坑分層開挖對地鐵設施的影響。

4.1 樁身位移

A-A、Q-Q以及P-P斷面數值計算樁身位移最大值以及現場測試所得樁身位移值對比分析見表3。由表可知，3個計算斷面在3層開挖工況下數值計算結果與現場測試結果相近。其中，樁身位移最大值隨開挖深度的增加而變大。A-A剖面（地鐵A1出口）以及P-P剖面（地鐵通風斷面）位于基坑轉角位置（將排樁+冠梁近似成擋土墻），由于轉角位置撓度較小，同時基坑轉角位置內支撐分布較密，因此，開挖第三層后，A-A剖面以及P-P剖面樁身位移最大值在20～25 mm左右，均小于Q-Q剖面（地鐵A2出口）樁身位移最大值39 mm。

表3 樁身位移最大值對比mm

4.2 地表位移

現場測試地表位移與數值計算地表監測點位移對比見表4。由表可知，第三層開挖結束后，位移監測點中計算值與現場測試值方向相同且差距較小，差值小于2 mm。將坑外土體、地鐵A1出口以及地鐵A2出口等既有設施看作整體，由于地鐵設施的結構強度較高，在一定程度上加強了坑外土體的變形能力，因此，地鐵A1出口距基坑邊坡僅2 m，位移監測點DTJC7至DTJC9的沉降值最小，在0.6～2.41 mm之間；地鐵通風斷面距基坑邊坡10.52 m，且占地體積最小，位移監測點DTJC19至DTJC22的沉降值最大，為1.21～8.40 mm。

4.3 軌道位移

現場測試軌道位移與數值計算軌道監測點位移對比見表5。由表5可知，第三層開挖結束后，軌道位移監測點計算值與現場測試值方向相同且差距較小，差值小于0.5 mm。地鐵軌道的沉降變形隨著基坑開挖深度的加大而增大，為0.28～1.42 mm。基坑第三層開挖完后，地鐵軌道最大沉降位移為1.42 mm，小于地鐵結構變形的控制標準20 mm，可見基坑開挖變形對地鐵結構的影響較小，基坑開挖并未引起地鐵軌道結構發生較大位移，基坑支護結構對地鐵軌道的變形控制作用明顯。

表4 基坑地表位移mm

表5 地鐵軌道位移mm

5 結論

（1）膨脹土深基坑工程分層開挖數值模擬計算得到的樁身位移、地表位移及地鐵軌道位移與現場測試結果相近，證明數值計算采用的巖土體參數比較符合實際工程條件，膨脹土強度折減法可用于膨脹土基坑工程的分析計算。

（2）從支護體系整體性考慮，地鐵A2出口斷面處于基坑邊坡的中部區域，變形撓度較大，且支護結構較弱，數值計算以及現場測試結果表明，基坑變形最大處位于地鐵A2出口斷面，最大值達到39 mm。

（3）由于高強度地鐵結構的存在，在一定程度上加強了坑外土體的變形能力。由于距基坑間距較遠，且占地體積較小，坑外土體沉降最大處位于地鐵通風斷面，最大值達到8.4 mm。

（4）地鐵軌道的沉降變形隨著基坑開挖深度的加大而增大，在0.28～1.42 mm之間，遠小于地鐵結構變形的控制標準（20 mm）。基坑支護結構對地鐵軌道的變形控制作用十分明顯。

（5）采用數值計算以及現場測試的方法實時分析研究膨脹土深基坑開挖對鄰近地鐵設施的變形影響，有助于基坑工程的動態設計以及安全施工。本文成果可為類似工程的設計和施工提供參考。

［1］上海市市政工程管理局.上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定：滬市政法（94）第854號［S］.上海：上海市市政工程管理局，1994.

［2］曾遠，李志高，王毅斌.基坑開挖對鄰近地鐵車站影響因素研究［J］.地下空間與工程學報，2005，1（4）：642-645.

［3］汪小兵，賈堅.深基坑開挖對既有地鐵隧道的影響分析及控制措施［J］.城市軌道交通研究，2009，12（5）：52-57.

［4］沈輝，羅先啟，李野，等.深基坑施工對地鐵車站影響的數值仿真分析［J］.地下空間與工程學報，2011，7（5）：1018-1023.

［5］胡海英，張玉成，楊光華，等.基坑開挖對既有地鐵隧道影響的實測及數值分析［J］.巖土工程學報，2014，36（增刊2）：431-439.

［6］李朝陽，謝強，康景文，等.成都某膨脹土基坑邊坡失穩機理分析［J］.建筑科學，2015，31（9）：8-12.

［7］羅筱青.成都粘土的工程地質特性及其評價［J］.地質災害與環境保護，1999，10（2）：60-62.

［8］張穎鈞.擋墻后裂土膨脹壓力分布與設計計算方法［J］.鐵道學報，1995，17（1）：93-102.

［9］王秉勇.裂土地區擋土墻上承受的膨脹力分析［J］.路基工程，1993（4）：5-11.

［10］王年香，章為民，顧行文，等.膨脹土擋墻側向膨脹壓力研究［J］.水利學報，2008，39（5）：580-587.

［11］賈磊柱，胡春林，楊新.考慮膨脹土抗剪強度衰減特性的深基坑支護工程設計研究［J］.巖土工程學報，2014，36（增刊1）：66-71.

Influence of Expansive Soil Foundation Deep Excavation on Adjacent Subway Facility Deformation

LI Zhaoyang，XIE Qiang，CHEN Yun，ZHAO Mengyi，HE Jianjun，GUO Yongchun

Due to the rapid development of metro and light rail transit in Chinese cities，in the expansive soil distribution area，a lot of expansive soil foundations are located along metro lines which have great impact on the safety of subway tunnels and stations.As a kind of special soil that causes serious damages to engineering，the deep excavation of expansive soil foundation adjacent to subway facilities is a particularly important issue to be studied.Based on the case of Honghe Station on Chengdu metro Line 2，the deformation influence of expansive soil deep foundation adjacent to subway facilities is numerical simulated by using FLAC3D software and expansive soil shear strength reduction method.The results of numerical calculation are similar to that of the field tests:the maximal displacement of metro tunnel and Honghe Station can satisfy the engineering control demands.That is to say，the expansive soil shear strength reduction method could be used for the calculation and analysis of expansive soil foundation.This research can provide a reference for similar engineering design and construction.

metro；expansive soil foundation；shear strength；numerical calculation；field test

TU433

10.16037/j.1007-869x.2017.08.025

2016-05-20）

*中建股份科技研發項目（CSCEC-2014-Z-48）