鄰近邊坡地鐵車站基坑順逆結合施工穩定性分析

劉 毅, 張 勇, 袁 青, 陳佳瑋, 李元海, 唐曉杰

(1.中交第二航務工程局有限公司技術中心，湖北 武漢 430040；2 中交(廣州)建設有限公司，廣東 廣州 511458；3.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

地鐵車站的施工往往受既有管線、地面交通狀況、鄰近建筑物以及地形地貌的限制[1].鄰近邊坡基坑作為一種偏壓施工情況，隨著城市地鐵線路的增多以及更多的城市加入到地鐵修建的行列變得愈發地難以避免[2].

偏壓環境下的基坑變形及應力分布作為一個復雜的三維空間問題[3]，當偏壓荷載達到一定值時，基坑圍護結構可能發生向非偏壓側的整體偏移[4]，嚴重影響基坑的穩定性.近年來眾學者在圍護結構變形、地表沉降以及開挖方案優化等方面已開展了相應的研究.LIU J.等針對工程實例，基于現場監測數據分析了基坑圍護結構的變形特征，指出偏壓環境下的基坑變形控制是保障施工安全的關鍵要素[5].石鈺鋒等基于監測數據分析了緊鄰鐵路偏壓基坑圍護結構的應力分布特征[6].徐燁等以南京地鐵3號線明發廣場站偏載深基坑工程為背景，采用有限元模擬分析了偏載深基坑的圍護結構內力及變形分布關系[7].劉波等針對偏壓非等深基坑進行了數值模擬分析，表明地表沉降分布具有明顯的空間效應[8].王海龍等采用有限元軟件ABAQUS對臨江下立交匝道偏壓基坑進行了模擬分析并提出了優化開挖方案[9].以上研究主要涉及明挖順作基坑，而傳統的明挖順作法因基坑暴露時間長、施工風險高、對周邊交通環境影響大，較大地限制了其在中心城區的適用性.當地鐵車站橫跨交通主干道時，不得不采用順逆相結合的施工方式.目前關于偏壓環境下順逆結合施工基坑的穩定性研究較少.

針對現有研究不足，本文依托深圳市軌道交通2號線蓮塘口岸地鐵站工程項目，首先基于現場監測數據對偏壓環境下順逆結合施工過程中地層及圍護結構的穩定性情況進行了分析.為進一步研究邊坡偏壓及順逆結合施工方式對于基坑穩定性的影響，基于有限差分程序FLAC3D采用不同模擬方案對施工的全過程進行了數值模擬，分析項目主要涉及地表沉降特性、地層剪應力分布以及基坑圍護樁的變形特征.

1 工程概況

1.1 站位布置

蓮塘口岸站設于羅沙路與延芳路交匯處.車站西南角為貓窩山，地形為東低西高，坡底高程18.6 m，坡頂高程44.1 m，高差較大，坡度陡，對基坑產生偏壓作用，站位布置如圖1所示.

圖1 蓮塘口岸地鐵車站站位布置圖

1.2 工程地質條件

車站地形起伏較大，場地標高為20.23 ～56.12 m.沿線范圍內地表分布有第四系全新統人工填堆填層(Q4 ml)及全新統沖洪積層(Q4al+pl)、中間主要為上更新統沖洪積層(Q3al+pl)、殘積層(Qel)，下伏主要由石炭系測水組上段石英砂巖(C1c2)、碎裂巖組成.揭露地層巖性從上至下主要為人工填土、粉質粘土、強風化石英砂巖、中風化石英砂巖、微風化石英砂巖，平均厚度分別為3.3 m、5.1 m、14.2 m、17.3 m、18.1 m.

1.3 蓮塘口岸站順逆結合施工工藝

蓮塘口岸站橫跨羅沙路段，車站施工過程中為保證道路不中斷，采用順逆結合的施工工藝.橫向平面內，過羅沙路段采用蓋挖逆作法施工，車站其他區域開挖采用明挖順作法.南側明挖順作區域施工完成后進行中部蓋挖區施工，隨后施工北側明挖區.順逆結合施工布置如圖2所示.

圖2 地鐵車站基坑平面布置

在進行交通疏解后，施工蓮塘口岸站圍護結構及旋噴樁止水、臨時中立柱，隨后進行明挖順作段土體開挖，圍護結構如圖3所示.明挖順作段縱向范圍內第一、三、五道支撐采用鋼筋混凝土支撐，第一道支撐與冠梁直接連接.第三、五道設置混凝土腰梁，支撐水平間距9 m，均設八字撐.第一、三道支撐斷面尺寸為800 mm×1 000 mm，第五道支撐及腰梁尺寸為1 000 mm×1 200 mm；第二、四、六道支撐采用鋼支撐φ800(t=20 mm)，水平間距為3 m并與鋼腰梁連接，鋼腰梁采用2根I50c工字鋼通過連接鋼板焊接而成.蓋挖區頂板厚度1 000 mm，中板厚度為800 mm，底板厚度1 300 mm，均使用C35混凝土澆筑.車站基坑開挖采用自基坑南端單向開挖的順序，支護一層開挖一層.蓮塘口岸站基坑北側偏壓處采用拉錨樁進行支護，錨桿參數為φ22全長粘結性錨桿，打設角度20°，間距1.5 m，偏壓側樁底打設錨桿長度為6 m，其余位置長度為3 m.

圖3 蓮塘口岸站基坑圍護結構示意圖(單位：mm)

2 基于現場監測的基坑穩定性分析

為了確保施工期間周邊建筑物、管線的安全，蓮塘口岸站施工過程中對工程區域地表、周邊建筑物及工程本身進行監控量測.監測布置根據現有設計圖紙及《城市軌道交通工程監測技術規范》GB50911-2013[10]進行.監測項目主要包括圍護體系的變形、地表垂直位移、支撐結構的軸力變化.

2.1 地表沉降分析

取基坑南側偏壓處、無偏壓處以及順逆結合交界處測點的地表沉降數據進行分析，分別繪制明挖(南、北)及蓋挖區開挖至標高時的監測結果，如圖4所示.開挖南側明挖區土體時，地表最大累計沉降值為5 mm，地表隆起值為3 mm.中部蓋挖區的施工對于基坑偏壓處的土體造成了一定的沉降增量，數值在1 mm左右，但整體的地表位移主要變現為沉降值的減小及地表隆起值的增大，這主要是由于蓋挖逆作封閉的結構控制了擾動土層應力場的擴散，且逆作區基坑結構造成土體自重應力增大，使得土層應力場向初始應力場轉變.此外，北側明挖區小范圍的基坑開挖對于土體的沉降影響較小.監測過程中，地表沉降值及隆起均小于警戒值20 mm，處于穩定狀態.

圖4 蓮塘口岸站地表沉降監測數據

2.2 水平支撐分析

為防止基坑開挖過程中樁體變形過大，通常采用鋼支撐及砼支撐組合的形式對圍護樁變形進行約束.支撐軸力的大小與樁體的水平變形具有相互制約、相互作用的關系.蓮塘口岸站南北側明挖區施工過程中的支撐軸力監測數據如圖5所示.支撐軸力的增大主要受南側明挖區開挖的影響，而中部蓋挖逆作區的施工使得支撐軸力產生了小幅的增大.北側明挖區開挖范圍較小，對于南側支撐軸力的影響較小.從數據上看，各支撐軸力均小于設計值的80%，處于穩定狀態.其中，砼支撐最大支撐力分別為6 000 kN及12 500 kN，分別為警戒值的73.2%、86.3%.鋼支撐最大支撐軸力為2 800 kN，占警戒值的50.5%.可見在類型的工程條件下，上文所述的鋼支撐的參數設計偏于保守，支撐體系的軸力設計方案仍存在一定的優化空間.

圖5 蓮塘口岸站水平支撐軸力監測數據

2.3 圍護樁及基坑邊墻土體變形

基坑外側圍護樁水平變形及基坑內墻位移曲線如圖6所示.實測值位置選取為基坑鄰近邊坡處以及羅沙路蓋挖區附近，此三處位置圍護樁及土體的變形對于邊坡穩定性控制以及交通干道安全的保障具有重要影響.其中：圖6(a)～(c)為圖示位置圍護樁變形曲線，圖6(d)～(f)為對應位置墻體變形曲線.

對比圖6(a)～(c)可以發現，在明挖順作區及蓋挖逆作區施工過程中，圍護樁水平變形低于報警值20 mm，處于穩定狀態.南側明挖區開挖至地下30 m時，鄰近邊坡處偏壓側圍護樁最大水平變形為6 mm，無偏壓處為5 mm.而蓋挖逆作區產生了最大為4 mm的水平變形.當中部蓋挖區施工完成時，三處位置均產生了水平變形增量.其中，鄰近邊坡的偏壓圍護樁CH1及蓋挖逆作區CH3在圍護樁中部產生了最大約5 mm的水平變形增量.北側明挖區由于開挖范圍較小，開挖長度方面約為0.1倍基坑總長，對于圍護樁的變形影響較小，在三處位置均產生約1 mm的水平變形增量.變形模式方面，明挖偏壓處及蓋挖逆作區圍護樁基本相同，呈現一種類“弓形變形”，最大水平變形出現在樁體中部.而無偏壓處圍護樁則呈現一種“前傾型”變形，最大水平變形出現在樁頂處.此外，水平支撐對于圍護樁的水平變形具有明顯的“抑制”，支撐位置附近的圍護樁變形明顯產生了一定的變形值縮減.

進一步對比圖6(d)～(f)可以發現，圍護樁對應位置的土體變形略大于樁體變形，這種增量變形的現象在蓋挖逆作區更為明顯，在樁體中部相對于樁變形最大產生了6 mm的增量.可見進行順逆結合施工過程中，對于蓋挖逆作區邊墻土體需進行重點防護關注.類似于圍護樁變形特性，鄰近邊坡的偏壓側土體CXT1以及蓋挖逆作區CXT3變形較大，但均小于水平變形警戒值，處于穩定狀態.

圖6 基坑圍護樁及邊墻土體水平變形監測數據

3 有限差分數值計算

基于現場監測的分析，蓮塘口岸站順逆結合施工過程中基坑及圍護結構處于穩定狀態，為進一步分析偏壓環境下采用順逆結合施工的影響，基于FLAC3D程序[11-12]對偏壓效應及施工方式進行了模擬分析.

3.1 計算模型及材料參數

蓮塘口岸站基坑開挖深度約30 m，根據以往工程經驗及有限元計算結果，基坑開挖影響寬度約為深度的3～4倍，影響深度約為開挖深度的2～4倍，在此范圍基礎上擴大計算區對模擬結果沒有顯著的影響[13].數值分析模型長、寬分別定為300 m、150 m.有邊坡部分，高程按實際相對高程取值，無邊坡部分，沿高程方向取土體范圍為70 m.由于深基坑開挖前已進行降水，故計算模型中沒有考慮地下水的作用.為分析偏壓及施工方式對于基坑穩定性的影響，分別建立有、無邊坡模型，采用順逆結合及傳統明挖順作施工方法分別進行模擬，計算模型如圖7所示.

圖7 蓮塘口岸站基坑數值計算模型

計算區內土體采用摩爾—庫倫模型，土層參數(見表1).邊坡支護采用預應力錨索加鉆孔樁組合的形式，邊坡施工時先進行土方開挖和支護，再進行鉆孔樁施工.基坑順挖標準段水平支撐按實際設計值進行賦參.數值模擬過程中支護結構采用FLAC3D結構單元pile、beam、cable進行模擬，分別對應基坑圍護樁、水平支撐以及錨桿，其參數如表2所示.

表1 巖土體模型物理力學參數

注：γ為重度；E為彈性模量；μ為泊松比；c為內聚力；φ為內摩擦角

表2 支護結構參數

注：γ為重度；E為彈性模量；μ為泊松比

3.2 監測—模擬數據對比

選取偏壓模型基坑南側明挖段第1～6層開挖過程中，基坑拐角處地層沉降模擬數據進行對比分析.如圖8所示，隨開挖進行，地表位移呈波動性變化，整體表現為小幅減小的趨勢.現場監測值與模擬數據的變化趨勢基本一致，且數據處于同一數量級內，最大誤差小于0.5 mm，可見模型參數取值合理，模擬數據可基本反映實際地表的位移特性.

圖8 地表位移數值模擬與監測對比分析

樁頂變形與周圍土體的變形有著密切聯系，基坑開挖過程中，樁頂的位移監測對于基坑穩定性分析具有重要意義.選取南側明挖段基坑開挖過程中偏壓一側圍護樁數據進行對比分析，對比曲線如圖9所示.從對比結果上看，各層開挖后監測數據與模擬數據的波動趨勢基本一致，最大誤差小于1 mm，數值模擬的樁變形數據基本能反映實際工程中的圍護樁變形情況.

圖9 圍護樁頂水平變形數值模擬與監測對比分析

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1 沉降影響區分析

Hsieh等[14]根據大量基坑的實測資料，得出基坑支護墻后地表沉降曲線通常為凹槽式分布，最大沉降點距離支護墻邊界具有一定距離，這主要與開挖卸載后土層的應力分布有關.通常地表沉降分布區域分為主要影響區和次要影響區兩部分[15]，d/H是基坑開挖后地表沉降的影響距離與基坑開挖深度的比值.圖10所示為三種工況下地表沉降影響區的劃分示意，其中測線2及測線3處于交通主干道附件，地表沉降對于地面交通環境的安全具有重要影響.偏壓環境下順逆結合施工開挖完成時，基坑周圍地表沉降主要影響區分布于0～1.25H范圍內，次要影響區分布于1.25～2.0H范圍內(H為開挖深度).各測線處最大地表沉降位置略有不同，基坑短邊處(測線#1)出現在0.30H，基坑長邊偏壓處(測線#2)出現在0.20H，而長邊無偏壓處(測線#3)則出現在0.25H.當采用全范圍明挖順作方法施工時，沉降影響范圍基本不變，影響邊界位于2.0H處，但測線范圍內的最大沉降值較順逆結合施工有所增長，這主要是由于全明挖施工更大范圍的開挖卸載所導致的.無偏壓模型模擬數據顯示，基坑開挖的沉降影響范圍較偏壓環境有所減小，影響邊界位于1.6H處.測線2及測線3的沉降分布曲線特征相似，在0.25H處出現最大沉降點.可見，偏壓環境將擴大25%的沉降影響范圍，而順逆結合的施工方式可減小一定的地表沉降值，但對沉降范圍的影響較小.以上這些數據也為信息化施工監測中合理布置地表沉降點提供了依據.

圖10 基坑周圍地表沉降影響區劃分

為進一步獲得偏壓基坑順逆結合施工過程中施工區周圍地層易于產生破壞的風險區域，選取最大剪應力指標進行分析.圖11為蓮塘口岸站基坑南北明挖區及中部蓋挖逆作區開挖完成時截面范圍的最大剪應力云圖，截面位置如圖中所示.基坑開挖的3個主要階段土體范圍內最大剪應力值約1 MPa.受偏壓作用影響，開挖完成時，近坡處的最大剪應力值明顯大于無偏壓處，此種現象在南、北側明挖區尤為顯著.此外，坑壁沿高程下部區域尤其是基坑坑底較上部產生了更大的剪應力集中，在施工監測及防護過程中需重點關注.

圖11 基坑開挖區周圍地層最大剪應力分布圖(單位：Pa)

3.3.2 圍護樁變形分析

圍護樁位移與基坑變形有著密切聯系，為分析偏壓環境及順逆結合施工方法對于圍護結構的變形影響，繪制三種施工條件下圍護樁的變形曲線.選取邊坡處偏壓側及無偏壓側圍護樁以及蓋挖逆作區圍護樁變形數據進行分析，PileA、PileB及PileC的位置如圖12位置示意.邊坡偏壓的存在對于鄰近邊坡處圍護樁具有較大的影響，近坡處最大產生了1.2 mm的水平變形增量，遠坡處產生0.8 mm的增量.但對于蓋挖逆作區圍護樁的水平變形影響較小，約產生了0.5 mm的水平變形增量.這主要在于蓋挖逆作封閉的結構可有效控制擾動土層應力場的擴散.在變形模式方面，偏壓的存在使得原有的樁變形情況變得更加顯著，具體表現為前傾變形值增大以及“弓形變形”樁中部變形值加大，原因在于鄰近邊坡造成偏壓側土體自重應力增大，非對稱的應力分布情況使得樁體在不同深度位置產生不同程度的水平變形增量.進一步觀察施工方式對于圍護樁的變形影響：采用基坑全范圍明挖順作方式在基坑不同位置產生了圍護樁水平變形增量.偏壓處圍護樁變形影響最為明顯，相對于順逆結合施工方式，PileA樁頂產生了1 mm的變形增量.基坑全范圍明挖順作造成土體開挖卸載效應增大，在圍護結構參數條件不變的情況下進而產生了圍護樁水平變形的增加.由此可見，圍護參數的設置與開挖方式的選擇具有緊密聯系.

基坑西側貓窩山坡腳處采用拉錨樁支護，為分析拉錨作用對于圍護樁的變形影響，分別模擬有、無拉錨兩種計算工況下的圍護樁變形特征.如圖13所示，受偏壓影響，無拉錨圍護樁樁頂產生了較大的偏壓傾斜現象，變形模式呈現為“前傾型”，相比于拉錨樁支護，最大水平變形從2 mm增至21 mm(約10倍)，已接近圍護結構變形警戒值.可見，拉錨作用對于偏壓環境下圍護樁結構的樁頂變形控制具有重要影響.

圖12 基坑圍護樁水平變形分析

圖13 基坑偏壓側圍護樁拉錨作用分析

4 結論

(1)地鐵車站橫跨城市交通干道時，采用順逆結合施工方案可緩解基坑工程施工進度與現有交通之間的矛盾.順逆結合施工方法在蓮塘口岸地鐵車站修建中得到了成功應用.基于監測數據，施工過程中基坑土體及圍護結構均處于穩定狀態.

(2)數值分析結果表明，蓮塘口岸站順逆結合施工完成后的地表沉降主要與次要影響區分別在0～1.25H和1.25～2.0H之間，最大沉降出現在0.25H區域附近，相對于無偏壓環境擴大了25%的沉降影響范圍.順逆結合的施工方式可減小一定的地表沉降值，但對沉降范圍的影響較小.開挖過程中坑壁沿高程下部區域尤其是基坑坑底較上部產生了更大的剪應力集中，在施工監測及防護過程中需重點關注

(3)邊坡偏壓的存在對于鄰近邊坡處圍護樁具有較大的影響，但對于蓋挖逆作區圍護樁的水平變形影響較小.順逆結合施工方式由于單次開挖范圍較小，卸載效應相對于全范圍明挖順作的施工方式較弱，所產生的圍護樁水平變形值較小.

(4)蓮塘口岸站偏壓側圍護樁拉錨作用對于基坑穩定性的控制作用較為顯著，相對于無錨索情況最大可有效縮減10倍的圍護樁水平變形.