地鐵深基坑施工全過程變形規律研究

蕭以蘇

(南京鐵道職業技術學院，江蘇 南京 210000)

0 引言

我國城市軌道交通進入高速發展時期，處于建筑密集的市中心區段的土地資源變得更為寶貴，地下空間的開發成為必然，地鐵建設的高速發展可有效緩解城市交通擁堵問題。近年來，我國深基坑工程的建設水平不斷提升，建設規模越來越大，開挖深度不斷加深，周邊建設環境愈加復雜敏感[1-4]。

如今，監控量測技術在深基坑工程中得到廣泛應用，通過監測指導施工，并反饋設計，為深基坑的理論研究提供數據支持，使深基坑工程的施工更加網絡化、信息化、專業化[5-6]。Tong Z W等[7]研究了一種新的位移實時監測方法，位移的實時監測可以及時捕獲大量的基坑變形信息。該方法不僅可以評估原始數據和施工方案的合理性，還可預測基坑開挖后期可能出現的新動態，從而為施工人員提出合理的開挖建議，預判危險。計算機技術的迅猛發展也為基坑工程的有限元分析提供了許多方法和工具載體，應用愈加廣泛。Ma C等[8]基于FLAC 3D軟件模擬深基坑施工，對開挖過程中隔震樁-鋼噴射混凝土支護效應進行分析，結果表明數值分析在深基坑工程設計及施工方案優化中具有經濟、便利等優點。

考慮到在施工過程中會有部分監測儀器的損壞，導致監測數據不完整，故僅依靠監測數據達到指導施工并反饋設計的目的是不充分的。因此，需要通過監測數據與數值模擬對比分析來避免上述情況帶來的不利影響，更好地指導施工并反饋設計。本文以南京市某地鐵車站深基坑工程為背景，利用監測數據與數值模擬數據對比分析基坑的變形，為今后類似工程的施工提供相對可靠的借鑒參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

以南京某島式地鐵車站為例，站臺寬度12m，結構形式為雙層單柱明挖結構，車站主體長度181.6m，標準段寬23.7m，總高約28.59m，結構底板埋深約30m，頂板覆土層厚度約1.5m。

1.2 工程地質條件

1.3 水文地質條件

該場地含水層主要為第四系砂卵石層中的孔隙潛水，埋深約為18.8～19.2m，標高約為1517.67～1517.78m，卵石層厚度大于200m，地下水位起伏變化一般在±1～1.5m。

1.4 基坑支護方案

本工程采用鉆孔灌注樁聯合鋼支撐圍護結構體系。車站采用A609鋼管撐和鋼筋混凝土撐，基坑豎向共5道撐，第1、3道撐為鋼筋混凝土撐，間距7m；第2、4、5道撐為鋼管支撐，間距5m。基坑3道鋼支撐預加軸力分別為400、800、800kN。車站及附屬圍護結構樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，其截面尺寸為1100mm×1000mm和1000mm×1000mm。圍護樁開挖面樁間設100mm厚C20掛網噴射混凝土。基坑標準段支護結構剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑支護結構剖面圖

1.5 基坑監測方案

監測項目包括：樁頂水平位移和豎向位移、地下水位、地表沉降隆起、基坑底部隆起、支撐軸力、支撐立柱沉降及傾斜、地下管線沉降及水平位移。測點平面布置圖如圖2所示。

圖2 監測點平面布置圖

2 監測結果分析

2.1 樁頂水平位移

樁頂水平位移變化曲線如圖3所示，由圖知，在開挖過程中圍護樁頂受到外側主動土壓力的作用向坑內發生偏移，隨著開挖深度的增加，位移逐漸加大；各開挖階段水平位移和深度的變化與支撐預應力的施加有關。由圖3可知，開挖前期位移有減小的趨勢，開挖中、后期位移呈階梯型逐漸增加，這是由于施加預應力后，坑后土體被逐漸回壓，預應力對水平位移的控制作用逐漸減弱，但正是預應力的施加起到超前支護的作用，使整個基坑開挖過程中樁頂水平位移控制在40mm以內。

圖3 樁頂水平位移變化曲線圖

2.2 樁頂豎向位移

隨開挖深度的增加，各測點豎向位移變化如圖4所示。測點ZQC05、ZQC06位于基坑中部的坑外北側，水平支撐力大，導致這兩個測點處的累計豎向位移相對最大，樁頂抬升也最明顯；測點ZQC08、ZQC09位于基坑端部的坑外東側，且測點ZQC08位于基坑東北部陰角處，內支撐皆為斜撐，施工過程中預應力有一定損失，使這兩個測點處的累計豎向位移值相對較小。測點ZQC07位于基坑端部的坑外北側，此處基坑跨度小，內支撐皆為斜撐，施工過程中預應力損失最為嚴重，因此這一測點樁頂的累計豎向位移值相對最小。由圖可知，距基坑中心越近，樁頂隆起量越大，最大隆起發生在測點ZQC05處，最大隆起量為3.6mm。

圖4 樁頂豎向位移變化曲線圖

2.3 地表沉降

地表沉降會威脅坑周建(構)筑物的安全，所以必須在開挖全過程進行地表沉降監測[9]。本文取基坑周圍的5個監測點進行沉降分析，其中監測點DB10-02、DB11-02、DB12-02位于基坑北側，DB13-02、DB14-01位于基坑東側。地表豎向位移變化曲線如圖5所示，地表豎向位移隨基坑的開挖而增加，距離基坑最遠的測點DB14-01受基坑開挖影響相對最小，其沉降變化趨勢較平緩，沉降值也相對最小。離基坑越近的測點，越易受開挖影響。測點DB11-02所在位置在坑內形成陰角，在這里由于堆載，沉降量相比測點DB10-02處更大，且曲線的波動性也相對最大，沉降最大值為2.9mm。在基坑開挖初期，基坑外側土體沉降量較小，沒有出現基坑隆起現象。隨著開挖深度的增加，最大地表沉降開始向遠離基坑邊緣方向移動，布設鋼支撐并施加預應力后，樁體內側損失的被動土壓力得到一定補償，基坑沉降量有所回升。

圖5 地表豎向位移變化曲線圖

2.4 鋼支撐軸力

內支撐軸力是重要監測內容[10]。鋼支撐軸力與時間的關系曲線如圖6所示。由于第2、3道鋼支撐軸力傳感器被破壞，因此本文僅選取了第1道鋼支撐上的兩個軸力監測點，分別為水平支撐上的測點ZL08和斜撐上的測點ZL09。從圖6可以看出，斜撐處的軸力變化幅度明顯小于水平支撐處軸力的變化幅度。在施工第89天和第115天時，由于施工現場進出車輛的原因，使測點ZL08處的軸力陡然增加，并且影響到周圍測點的軸力，斜撐處ZL09測點的變化趨勢也產生了輕微跳動。

圖6 鋼支撐軸力變化曲線圖

3 有限元分析

3.1 模型建立及參數選取

采用PLAXIS 3D建立基坑開挖模型，側向邊界范圍約為基坑開挖深度的3.5倍，可使邊界對基坑開挖支護的影響減到最小[11]。基坑沿x和y方向基本對稱，因此選取模型的右半部分進行開挖過程模擬，確定模型尺寸x×y×z=140m×100m×40m。有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型圖

鉆孔灌注樁采用板單元模擬，按等效慣性矩換算得到等效厚度的板樁墻，公式為

πD4/64/1.5=d3/12

(1)

式中，D—鉆孔灌注樁直徑，m；d—板樁墻等效厚度，m。

土體材料采用Mohr-Coulomb本構模型，根據地勘資料確定土層基本物理參數值見表1。混凝土內撐、立柱采用Beam單元，鋼支撐采用Node To Node Anchor單元；板樁墻厚度取值為0.872m。分布施工階段見表2。

表1 土層的基本物理參數

表2 關鍵施工階段

3.2 樁頂水平位移計算結果分析

樁頂水平位移取測點ZQS06的模擬值與監測值進行對比分析，如圖8所示。

圖8 樁頂水平位移實測值與模擬值對比圖

由圖8知，樁頂水平位移的實測值高于模擬值，初期差距較小，后期差距逐漸加大。究其原因主要是在基坑開挖初期，基坑側邊受主動土壓力的影響，水平位移增長迅速，在逐步布設內支撐后，水平位移變化幅度逐漸減小。PLAXIS 3D有限元軟件不能真實地模擬實際工況，使得模擬值與監測值存在一定差值，但二者的變化趨勢基本一致。

3.3 地表豎向位移計算結果分析

地表豎向位移取測點DB11-02的模擬值與監測值進行對比分析，得到的結果如圖9所示。

圖9 地表豎向位移實測值與模擬值對比圖

由圖9可以看出，在開挖初始階段，使用PLAXIS 3D模擬所得地表沉降值的絕對值大于實測值，這是因為使用有限元軟件模擬的過程中，開挖是分步進行的，在第1次開挖后還未布置鋼支撐，坑側受主動土壓力的作用，使樁頂發生水平位移從而引起地表豎向位移。開挖初期，地表沉降明顯，位移曲線變化幅度大，隨著開挖的進行，逐步布設內支撐，由內支撐幫助圍護結構分擔大部分的坑側土壓力，地表沉降位移減小，曲線逐漸趨于平緩，并體現了地表沉降的時空分布特征。模擬值中地表沉降量最大值為1.9mm，監測值中地表沉降量最大值為2.07mm，模擬值變化趨勢與實測值變化趨勢基本一致。

3.4 鋼支撐軸力計算結果分析

本文選取了第1道鋼支撐上的監測點ZL08、ZL09處的軸力模擬結果，并與實測值進行對比分析，得到的結果如圖10所示。

圖10 鋼支撐軸力實測值與模擬值對比圖

由圖10中4條曲線的變化趨勢可知，模擬值變化趨勢較實測值平穩，變化幅度較小。這是由于使用有限元軟件無法模擬現場施工中出現的各種情況，如車載、機械荷載等不穩定荷載的變化，以及在實際工況中出現的超開挖等不確定因素，皆為導致模擬值與監測值之間存在偏差的原因。模擬值反映的是鋼支撐從布設開始時的受力變化情況，因此軸力從零開始逐漸變大，隨挖深的增大軸力也在不斷增加，整體變化規律與實測值較為吻合。

3.5 立柱沉降計算結果分析

深基坑的平面支撐體系是由鉆孔灌注樁聯合水平支撐以及立柱3部分組成，立柱設置在支撐中點處。在基坑工程中，立柱主要承受施工荷載及支撐結構的自重，在基坑開挖過程中由于所受荷載不均勻立柱會產生沉降差，所以研究立柱對基坑底土體及支護結構變形具有一定意義[12-13]。但由于實際施工過程中立柱監測點遭到破壞，未能得到相應的監測值，故僅進行數值分析。立柱沉降曲線如圖11所示，LZC05、LZC06位于水平支撐中點處，LZC07位于斜撐中點處。

從圖11知，立柱變形隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，最大沉降量為18.7mm。當基坑開挖小部分土體時，坑底土體應力得到釋放，樁身上部承受向上的正摩阻力作用使得立柱被抬升，抬升趨勢引起位于基坑深層的土體產生向下的摩阻力來阻止立柱的隆起，同時促進了樁端土體應力的釋放，樁端土體也產生隆起使立柱被抬升，布設內支撐后，立柱隆起趨勢逐漸減弱。隨著開挖的進行，坑內大部分土體缺失，立柱向上隆起的趨勢應該更為明顯。但因為底部土層為卵石層，而卵石的抗壓強度高，使得隆起趨勢并不明顯。此外，由于本基坑工程布設了5道內支撐，開挖末期立柱的豎向位移反而在減小。

4 結論

本文通過對南京某地鐵車站深基坑進行數值模擬和監測分析，得到以下幾點結論。

(1)鉆孔灌注樁聯合內支撐及立柱基坑支護形式得到的圍護樁頂水平位移及豎向位移、周邊地表沉降、內支撐軸力和臨時立柱沉降的變化均在預警值范圍以內。

(2)內支撐的布設可以有效地控制圍護樁的傾覆和變形，開挖得越深，位于底部的支撐軸力會逐漸增大，但均未超出預警值，說明支護體系的選取具有一定合理性，其計算參數的選取也是相對合理的。

(3)影響立柱豎向位移的因素主要是基坑坑底的隆起與豎向荷載工作效應，而立柱的上抬或下沉引起圍護結構的差異變形較大，容易導致支撐體系的失穩破壞。

(4)采用PLAXIS 3D軟件對基坑開挖進行模擬，所得模擬數據可以與監測數據進行對比分析，達到指導施工、反饋設計、避免出現工程事故的目的，為基坑工程的理論研究提供更全面、有效的數據支持。