基于空間效應的土巖二元地層深基坑變形規(guī)律研究

(1.中國建設基礎設施有限公司，北京 100029；2.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；3.中建華東投資有限公司，江蘇 徐州 221005； 4.中建市政工程有限公司，北京 100071)

隨著基礎設施建設和城市地下空間發(fā)展的需要，越來越多的城市開始建設地鐵公共交通。截至2020年上半年，我國內(nèi)地累計有41個城市投運地鐵線路，總里程達6 917 km。新建地鐵車站多處于城市中心地帶，受原有建筑、地下管廊等條件的限制，地鐵車站往往存在狹長、異形等特點。由于基坑場地的復雜性，基坑工程施工往往會對周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響，如2008年杭州地鐵湘湖站基坑地連墻發(fā)生失穩(wěn)導致周邊地表塌陷，造成17人死亡[1]。為防止類似事故發(fā)生，開展地鐵車站深基坑變形規(guī)律的研究十分必要。

基坑穩(wěn)定性與開挖順序、分區(qū)方式、時間等因素存在一定的聯(lián)系[2]，為基坑工程基于時空效應的理論研究提供了重要的啟示?；拥臅r空效應在軟土基坑[3]、紅黏土基坑[4]等土質(zhì)基坑中得以驗證，但針對土巖二元地層基坑時空效應的研究相對較少。杜磊等[5]基于施工空間效應，采用數(shù)值分析方法研究土巖二元地層基坑和下臥隧道的相互影響。商大勇[6]建立了基坑坑角局部模型，分析土巖二元地層基坑的坑角效應以及支護結(jié)構(gòu)對陽角變形的影響。

然而上述研究中的監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬的相互驗證并不完善，并且未考慮基坑工程具有較強的區(qū)域性特點。因此，本研究以徐州地鐵3號線南三環(huán)車站深基坑工程為研究對象，基于空間效應，針對該地區(qū)特殊的土巖二元地層進行監(jiān)測和模擬研究，以探究：基坑在車輛靜載、地下水壓力等多種荷載作用下的變形規(guī)律及土巖二元地層基坑的空間效應特性；土層和巖層的剛度差異以及施工順序?qū)ν翈r二元地層基坑空間效應的影響。

1 工程概況

1.1 車站概況和場地條件

徐州地鐵3號線南三環(huán)車站位于三環(huán)南路和北京路交叉口，沿南北方向布置，為地鐵1號線和4號線的換乘車站(4號線尚未開工)。車站標準段為地下3層島式車站，局部區(qū)域可達地下4層，以作為4號線的換乘節(jié)點。地鐵車站東西兩側(cè)基坑總長均為219.5 m，北側(cè)寬度為27.9 m，南側(cè)寬度為26.8 m，標準段開挖深度為20.52～26.92 m，局部四層區(qū)域最大開挖深度可達32 m。

基坑場地與水平面呈1.72°的夾角。場地共分為5層：第1層是厚度為1.70 m的雜填土，第2層是厚度為2.82 m的黏土，第3層是厚度為0.3～23.3 m的中風化泥灰?guī)r，第4層是厚度為41.3 m的中風化灰?guī)r，之下均為中風化閃長斑巖。場地以中風化灰?guī)r為主，其承載力較好，壓縮性低，但沿東西向斜層產(chǎn)狀角度達70°，呈自西向東滑動的趨勢，西側(cè)自穩(wěn)性較差。巖石裂隙水較發(fā)育，地面以下20 m為地下水層，通過設置排水溝和集水坑降低水位。

1.2 圍護結(jié)構(gòu)布置方案和施工工況劃分

圍護結(jié)構(gòu)采用圍護樁+內(nèi)支撐+錨索的方式布置?；庸灿袃傻阑炷林?，豎向間距為8.5 m，見圖1。基坑中部布置有12根立柱樁兼做抗拔樁，立柱樁用連系梁連接以加強整體性。第2道支撐之下8.5 m，在基坑西側(cè)設1道預應力錨索，并以此為基礎向下5 m，在局部4層區(qū)域再設1道預應力錨索。錨索采用采用一樁一錨的方式布置，預應力為900 kN?；硬捎妹魍诜ǎ瑸楸ＷC路面交通暢通，第1道支撐上安裝預制蓋板和軍用行道梁。

工程采用分區(qū)分層施工方法，根據(jù)實際施工進度安排，基坑可分為A、B、C3個施工區(qū)域，施工過程可分為6個施工工況，見表1和圖2。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析基坑的空間效應

2.1 監(jiān)測方案和測點布置

本項目地處鬧市區(qū)，為了監(jiān)測基坑開挖對基坑和其周邊環(huán)境的影響，用外徑為70 mm的測斜管測量圍護樁的水平位移，用精密水準儀測量基坑周邊地表的沉降，用GXR振弦式鋼筋計監(jiān)測內(nèi)支撐實際軸力和監(jiān)測軸力的差異。測點位置見圖3。圍護樁水平位移監(jiān)測點共25個，每個間隔10～15 m，命名為ZQT-X。地表沉降監(jiān)測點共26組，命名為DBC-X。每組分為3個測點，組內(nèi)測點距基坑邊界的距離分別為2、10和18 m，根據(jù)測點到基坑邊界的距離，由近及遠依次命名為DBC-X-1、DBC-X-2、DBC-X-3。內(nèi)支撐軸力測點共12個，命名為ZCL-X。X均代表測點序號。以上所有測點數(shù)據(jù)記錄頻率為7天1次，其中不包含工況6。

圖1 基坑內(nèi)支撐布置方案

表1 施工工況劃分

圖3 監(jiān)測測點布置圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的空間效應

為實現(xiàn)開挖全過程分析，選取基坑東側(cè)長邊測點ZQT-10和基坑南側(cè)短邊測點ZQT-13，將二者水平位移隨時間的變化規(guī)律整理于圖4。由圖4可知，隨著時間推移，圍護樁的水平位移呈增大的趨勢。開挖前，圍護樁呈現(xiàn)出類似懸臂構(gòu)件的變形特點；開挖后，隨著基坑內(nèi)側(cè)土壓力減小，圍護樁呈現(xiàn)出“凸脹”式的變形特點，樁頂產(chǎn)生較小的水平位移，且最大側(cè)移出現(xiàn)位置隨著開挖深度的增加而下移。

一般而言，受空間效應的影響，基坑長邊的水平位移大于短邊，故將基坑長邊跨中區(qū)域作為設計驗算的危險截面。本項目中，雖施工完成后的結(jié)果表明ZQT-10的水平位移大于ZQT-13，但在施工進行到工況2和工況4時，基坑短邊的水平位移與長邊相近，甚至超過長邊，這可能是因為ZQT-10受附近預制蓋板偏心作用的影響，但也說明外荷載的作用會對基坑空間效應產(chǎn)生影響。穿過土層后，單位深度內(nèi)圍護樁的水平位移量減小，說明巖層限制了圍護樁的變形。

圖4 開挖過程圍護樁測點水平位移對比

為進一步探究土巖二元地層圍護結(jié)構(gòu)的水平位移和開挖深度之間的關(guān)系，將測點ZQT-1～ZQT-25開挖全過程的最大水平位移繪制于圖5。由圖5可知，位于基坑北側(cè)短邊的測點ZQT-1、ZQT-2、ZQT-25在沒有外荷載干擾下的最大水平位移均小于其余長邊測點，基坑體現(xiàn)出明顯的空間效應。處于陰角的測點ZQT-11和與其相鄰的測點ZQT-12、ZQT-13相比，最大水平位移較小，坑角效應顯著。

圖6展示了圖5中樁體最大水平位移和各測點的開挖深度的關(guān)系，該基坑最大水平位移所在范圍為0.007 9%H～0.040 4%H，平均值為0.0211%H。該值遠小于以黏性土為主體的場地土的最大水平位移平均值0.339%H[7]，但更接近于文獻[8]所述同為土巖二元地層的0.1%H，說明土巖二元地層對圍護樁有較好的嵌固作用。圖7展示了圍護樁最大水平位移出現(xiàn)的位置和開挖深度之間的關(guān)系，該基坑出現(xiàn)最大水平位移的位置在0.120 61H～0.865 27H，平均值為0.439 45H，約在中風化泥灰?guī)r層內(nèi)，遠小于一般基坑工程的0.9H～H[9]。這是因為本項目場地土上軟下硬，且土層厚度較小，場地主體為巖層，故最大水平位移出現(xiàn)的位置約在開挖深度的一半。

2.2.2 深基坑周邊環(huán)境變形的空間效應

為了探究深基坑施工全過程中周邊地表沉降，選取基坑南側(cè)短邊測點DBC-14-2和基坑西側(cè)長邊測點DBC-18-2，圖8為兩個測點的沉降數(shù)據(jù)對比圖。由圖8可知，隨著時間的推移基坑周邊地表沉降逐漸增加。在開挖前期，由于大面積的土體開挖，場地土卸荷速率較快，穩(wěn)定性不良，造成地表沉降增幅較大，開挖后期的地表沉降增幅減緩并趨于穩(wěn)定，在開挖過程中基坑長邊的地表沉降要大于基坑短邊，說明土巖二元地層基坑具有明顯的空間效應。

圖5 圍護樁測點最大水平位移

圖6 圍護樁最大水平位移和開挖深度關(guān)系Fig. 6 Relationship between maximum horizontal displacement of enclosure pile and excavation depth

圖7 圍護樁發(fā)生最大水平位移位置和開挖深度關(guān)系Fig. 7 Relationship between the position happening maximum horizontal displacement of enclosure piles and excavation depth

圖8 開挖過程測點地表沉降對比

圖9建立了測點DBC-1～DBC-26的地表沉降最大值和開挖深度的關(guān)系。由圖9可知，該基坑地表沉降的范圍為0.008 9%H～0.062 4%H，平均值為0.031 9%H，而Clough[10]得到的砂土地層中基坑周邊的最大沉降量高達0.15%H。這表明，雖然場地表面仍為雜填土、黏土之類的較弱土層，但巖層增強了場地表面土抗變形能力，說明場地土的組成是影響地表沉降的主要因素之一。

3 數(shù)值模型建立和驗證

基于MIDAS/GTS建立三維數(shù)值模型?；訋缀螀?shù)取自本工程設計資料，同時將不均勻土體簡化為均厚土體分布。考慮到基坑開挖影響范圍，在水平面上沿著基坑邊界向外擴展3倍的開挖深度作為模型水平邊界，即為100 m。在豎直面上沿著基坑坑底向z軸負方向擴展2倍的開挖深度作為模型豎直邊界，即為70 m。采用混合網(wǎng)格劃分實體模型，共形成62 235個節(jié)點和81 654個單元，如圖10。為保證交通通暢，在三環(huán)南路方向第一道支撐上設置軍用行道梁，并建立三環(huán)南路道路模型。北京路方向的預制蓋板未建立實體模型，而是將路面荷載等效為線荷載布置在支撐上。

圖9 最大地表沉降和開挖深度關(guān)系Fig. 9 Relationship between maximum surface settlement and excavation depth

圖10 基坑模型

3.1 本構(gòu)模型和材料參數(shù)的選取

MIDAS/GTS材料庫所包含的巖土體本構(gòu)模型包括莫爾-庫倫模型、修正莫爾-庫倫模型、德魯克-普拉格模型、小應變硬化土模型等。莫爾-庫倫模型在線彈性模型基礎上引入了莫爾-庫倫破壞準則，考慮土體的塑性變形行為，該模型所需參數(shù)獲取方便，但不能考慮土體的非線性特性和加載卸載時的模量差異，故只能用于初步分析[11]。德魯克-普拉格模型修改了莫爾-庫倫模型的屈服面函數(shù)，使其有更強的可程序化特性，但沒有解決莫爾-庫倫模型本身的缺陷[12]。修正莫爾-庫倫模型在莫爾-庫倫模型的基礎上發(fā)展而來，模型中包含了兩類屈服面，以考慮體積塑性應變和剪切塑性應變[13]，該模型需通過三軸固結(jié)排水剪切試驗和三軸試驗確定割線剛度E50、切線剛度Eoedref和卸載彈性模量Eurref。小應變硬化土模型繼承了修正莫爾-庫倫模型的優(yōu)點，并能考慮剪切模量在微小應變范圍內(nèi)隨應變衰減的行為[14]，但該模型需要引入?yún)⒖汲跏寄Ａ縂0ref。考慮到模擬的準確性，采用小應變硬化土模型作為巖土體的本構(gòu)模型。表2為根據(jù)設計資料和《工程地質(zhì)手冊(第五版)》[15]相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲取的場地土的材料參數(shù)。其中，v為泊松比，φ為摩擦角，c為黏聚力，K為滲透系數(shù)，P為重度。E50、Eoedref、Eurref、G0ref和土體壓縮模量Es之間存在一定的經(jīng)驗關(guān)系，本研究采用文獻[16]所提供的關(guān)系式，即G0ref=1.5Eurref=6Eoedref=6Eurref=6Es。

表2 場地土的材料參數(shù)

圍護結(jié)構(gòu)采用彈性模型，具體參數(shù)見表3。圍護樁根據(jù)式(1)等效為地連墻，其中，間距為2 m的圍護樁等效為660 mm厚地連墻，間距為1.5 m的圍護樁等效為690 mm厚地連墻。道路不是本研究的研究對象，故僅建立路面的結(jié)構(gòu)層模型，其彈性模量E=3.1×104MPa、泊松比v=0.15、重度P=24 kN/m3，有

(1)

式中：D為圍護樁間距，d為圍護樁直徑，h為等效地連墻厚度。

表3 圍護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.2 荷載和邊界條件

除自重外，參考設計資料，將施工中可能出現(xiàn)的施工荷載等效為20 kN/m2的地面超載均勻施加在場地土表面。地下水位根據(jù)勘察資料設為地表下20 m。文獻[17]指出臨近基坑的道路車輛對基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形有一定影響，故在道路模型和行道梁模型上施加均布面荷載作為車輛荷載，荷載值依據(jù)文獻[18]取28 kN/m2。場地模型頂面為自由邊界，側(cè)面約束其法向位移，底面限制位移發(fā)生。

3.3 模型驗證

選取工況5條件下基坑北側(cè)測點ZQT-1，南側(cè)測點ZQT-13，西側(cè)測點ZQT-16和東側(cè)測點ZQT-9，對比模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)以驗證數(shù)值模擬的準確性，見圖11。由圖11可知：①模擬結(jié)果在10～15 m范圍內(nèi)出現(xiàn)1次明顯的位移突變，這是由于該位置存在第2道支撐，限制了圍護樁變形的發(fā)展。同時，因為模擬施加的地面超載可能大于實際超載，導致圍護樁頂部水平位移的模擬值大于監(jiān)測值。但模擬所得圍護樁變形形態(tài)相近；②模擬值和監(jiān)測值均顯示圍護樁在穿過土層后，單位深度的水平位移減小，模擬結(jié)果與實際情況有相似的規(guī)律性。由于數(shù)值模擬無法與施工進度保持完全一致，且施工中可能出現(xiàn)偶然荷載如擾動、機具碰撞等，致使模擬結(jié)果與實際情況存在部分差距。但模擬所得的圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和數(shù)值與監(jiān)測結(jié)果的誤差均控制在一定范圍之內(nèi)，說明數(shù)值模型是合理的。

圖11 圍護樁水平位移數(shù)值結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

表4為不同工況下基坑內(nèi)支撐軸力變化模擬值和監(jiān)測值。選取的測點為ZCL-1和ZCL-8，前者從工況3開始工作，后者從工況2開始工作，測點所在支撐的設計軸力分別為600和400 kN，通過監(jiān)測所得的支撐軸力變化量可計算實際軸力。由表4可知，在開挖全過程中，支撐軸力的模擬值和監(jiān)測值相近，進一步證明了模擬結(jié)果的有效性。

表4 基坑內(nèi)支撐軸力模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 基于數(shù)值模型的深基坑空間效應研究

4.1 不同土層剛度對基坑空間效應的影響

土巖二元地層中土層和巖層的剛度差異較大，為探究場地土環(huán)境對基坑空間效應的影響，設R為巖層剛度放大系數(shù)，將巖層的E50放大R倍，當R分別取0.5、1和2時，對比3種情況下基坑長邊中點圍護樁ZQT-6和短邊中點圍護樁ZQT-1在工況6條件下的水平位移，見圖12(a)。

由圖12(a)可知，剛度放大系數(shù)的增加沒有改變圍護樁組合式變形的變形形態(tài)，但隨著剛度放大系數(shù)的增大，圍護樁的土層和巖層交界面處的位移變化速率增加，圍護樁的水平位移發(fā)生突變。隨著剛度放大系數(shù)按倍數(shù)增長，ZQT-6的最大水平位移依次為-0.45、-1.03和-2.05 mm，圍護樁的最大水平位移之間存在相近的倍數(shù)關(guān)系。同時，隨著剛度放大系數(shù)的減小，基坑長邊圍護樁和短邊圍護樁的水平位移的差異性逐漸增大，基坑的空間效應更加顯著。

圖12(b)為同剛度放大系數(shù)下基坑周邊地表沉降，所選用的測點為距行道梁南北兩側(cè)最近的4個陽角和基坑邊界4個陰角。對比結(jié)果表明，隨著剛度放大系數(shù)的增加，基坑周邊地表沉降更加明顯，但是剛度放大系數(shù)的增加并沒有明顯改變基坑陽角和陰角的沉降位移之差，空間效應并沒有顯著增加。

圖12 不同剛度放大系數(shù)下基坑空間效應的差異

圖13為工況6條件下不同剛度放大系數(shù)下圍護樁的內(nèi)力變化。由圖13可見，隨著剛度放大系數(shù)的減小，圍護樁的彎矩逐漸增大，基坑短邊圍護樁的正彎矩作用更加明顯。圍護樁彎矩共出現(xiàn)4個極值。當圍護樁處于土巖交界面時，彎矩出現(xiàn)第1個極值。當圍護樁從中風化泥灰?guī)r層進入中風化灰?guī)r層時，彎矩出現(xiàn)第2個極值，該值與第1個極值在數(shù)值上相近。彎矩的第3和第4極值因巖層嵌固作用而出現(xiàn)。圖13表明不同場地土的交界面處、圍護樁嵌固端附近區(qū)域以及圍護樁在各層場地土中的中間區(qū)域為圍護樁受力的薄弱區(qū)域。同時，土層和巖層的交界處剛度變化大，但在內(nèi)力變化上與剛度變化較小的中風化泥灰?guī)r和中風化灰?guī)r交界處相差不大。

圖13 不同剛度放大系數(shù)下基坑圍護樁彎矩的差異

4.2 不同施工順序?qū)涌臻g效應的影響

在相同參數(shù)和基坑模型的條件下，采用分層不分區(qū)的開挖施工順序，依次開展1～4層的開挖，每開挖一層即做好相應的支護工作。將該施工順序所得的基坑長邊圍護樁ZQT-6和短邊圍護樁ZQT-1的水平位移與本項目所采用的分層分區(qū)開挖方式相對比，所采用的地表沉降測點與2.1節(jié)相同。二者均對比最后一個施工工況下的基坑變形。

圖14為不同施工順序下基坑空間效應的差異。由圖14可知：施工順序的改變不會影響圍護樁的變形規(guī)律，即在土層和巖層交界面處發(fā)生位移突變；本項目所采取的分區(qū)分層的開挖方式具有更好的穩(wěn)定性，施工順序?qū)拥目臻g效應有一定的影響，分層開挖的施工順序放大了基坑長邊和短邊、陰角與陽角的空間效應，故在設計過程中應考慮土巖二元地層基坑的施工順序。

圖14 不同施工順序下基坑空間效應的差異

5 結(jié)論

1) 本研究中土巖二元地層深基坑有明顯的空間效應，其圍護樁最大水平位移平均值和最大水平位移出現(xiàn)位置平均值分別為開挖深度H的0.021 1%倍和0.439 45倍，要明顯小于一般土質(zhì)基坑的0.9H～H。且受巖層的影響，場地表面土體的沉降量平均值為0.031 9%H，也遠小于土質(zhì)基坑，說明土巖二元地層深基坑的變形特性不同于土質(zhì)基坑，有更好的穩(wěn)定性。

2) 隨著剛度放大系數(shù)的減小，圍護樁側(cè)移在基坑長邊和短邊的空間效應更加明顯，圍護樁的最大水平位移和彎矩有線性增大的趨勢，但圍護樁的變形特性不受土層和巖層剛度差異的影響。同時，基坑周邊地表沉降隨著剛度放大系數(shù)的減小逐漸增大，但基坑坑角處的空間效應變化并不顯著。

3) 通過對圍護樁的內(nèi)力分析發(fā)現(xiàn)，在場地土層的交界面處、圍護樁嵌固端附近區(qū)域以及圍護樁在各層場地土中的中間區(qū)域為圍護樁的薄弱區(qū)域。

4) 分層開挖的施工順序放大了基坑長邊和短邊、陰角和陽角的空間效應，說明施工順序?qū)涌臻g效應有重要影響，在設計時應將其納入設計范圍之中。