太原地區(qū)地鐵車站深基坑變形特性研究

賈 霄，張金柱，夏瑞萌，郎瑞卿

(1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384)

深基坑開挖會引起圍護結構側向變形和周邊地表沉降，進而對周邊建構筑物產生不利影響，研究分析深基坑的變形特性和規(guī)律具有一定的工程意義。許多學者采用基于實測數據的統(tǒng)計分析經驗方法對不同地區(qū)基坑開挖引起的變形開展了一系列研究，成果見表1。李淑等[1-2]和吳鋒波等[3-4]對北京地鐵車站深基坑的圍護結構和地表變形特性進行了大量實測統(tǒng)計和研究；劉美麟[5]對天津地鐵6號線25個車站的基坑變形規(guī)律進行了研究分析；徐中華等[6-7]、王衛(wèi)東等[8]以實測數據為基礎，對上海地鐵深基坑的圍護結構及地表變形規(guī)律進行了統(tǒng)計分析；李方明等[9]對南京江漫灘地區(qū)的地鐵基坑變形規(guī)律進行了研究；喬亞飛等[10]和朱瑤宏等[11]分別基于無錫軌道交通1號線和寧波軌道交通1號線工程，研究了兩個地區(qū)的深基坑變形特性。由表1結果可知，由于工程地質和水文地質的差異，不同地區(qū)的基坑變形特性有所不同。北京地區(qū)主要為硬土地層，基坑變形最??；上海、南京、寧波等地區(qū)以軟土為主，基坑變形最大。天津地區(qū)上部土層以軟土為主，下部為土質較好的硬土層，基坑變形居于前兩者之間。

表1 不同城市的基坑變形結果統(tǒng)計表

太原地區(qū)尚缺乏針對地鐵車站深基坑變形特性的系統(tǒng)研究，工程技術人員對深基坑的變形特性和規(guī)律缺乏統(tǒng)一認識[12]。由于地質成因及區(qū)域性差異，其他地區(qū)的經驗成果也不能直接用于指導本地區(qū)的工程實踐。針對太原的地層特點，本文建立了不同深度、不同插入比的有限元數值模型，以太原地鐵2號線11個車站深基坑工程的變形實測資料為基礎，從基坑圍護結構側移和周邊地表沉降兩個方面進行了研究和分析，成果可用于指導本地區(qū)類似工程的設計和施工。

1 工程概況

太原地鐵2號線工程是太原市建設的首條地鐵，線路呈南北走向，主要穿越汾河漫灘和一級階地。汾河自北向南縱貫太原全市，市區(qū)大部分區(qū)域為沖積扇平原。由于地質成因不同，太原的地層特點鮮明，上部以填土、粉質黏土為主，孔隙比大、含水率高、壓縮性高、多為高靈敏性土，受擾動后強度顯著降低；下部以砂層為主，滲透性強，水量豐富，且多為承壓含水層。由于砂層厚度較大，難以找到相對隔水層，車站基坑圍護結構設計時，普遍采用懸掛式止水帷幕。圖1為典型車站的基坑支護剖面圖。

圖1 典型車站的基坑支護剖面圖

表2為太原2號線工程11座車站深基坑的圍護結構設計參數。主體基坑的開挖深度主要集中在17 m左右，最大約24 m，附屬基坑的開挖深度為11 m左右。插入比是衡量基坑經濟性、影響基坑安全性的重要指標，太原地鐵2號線車站主體及附屬基坑圍護結構的插入比平均值為0.5。

表2 太原2號線車站圍護結構參數表

2 數值模擬

2.1 模型建立

目前國內常用的基坑圍護結構設計軟件僅能計算基坑開挖引起的基底回彈、地表沉降、圍護結構側移等變形，不能考慮降水引起的流固耦合作用，計算結果與實際偏差較大。本文采用MIDAS/GTS有限元軟件模擬應力場與滲流場共同作用的過程，更符合實際工況。考慮地鐵車站基坑均為長條型，建立二維平面模型進行模擬計算。模型分11.0 m、17.0 m和24.0 m三種不同的開挖深度，每個深度設置0.35、0.50和0.65三種不同的插入比。表3為計算模型的參數表。

表3 模型參數表

為盡可能消除邊界影響，模型的計算深度取開挖深度的3倍，寬度取基坑寬度的4倍。模型上表面自由，側面約束水平向位移，下表面約束豎向和水平向位移[13]。模型邊界不透水，坑外地下水位取勘察水位，降水后坑內水位取基底以下1.0 m，水位線處孔壓為零。

根據不同的土類選取不同的本構模型，黏性土選用修正劍橋本構模型，砂性土選用莫爾-庫侖本構模型[14]。土體物理力學參數[15-16]的選取見表4。

表4 土體物理力學參數表

土體和圍護結構采用面單元模擬，支撐采用梁單元模擬。圍護結構和支撐均為線彈性材料?；炷恋膹椥阅Ａ縀c=3×104MPa，鋼材的彈性模量Et=2×105MPa，泊松比μ=0.2。

模型首先在重力作用下進行迭代計算，直至系統(tǒng)達到平衡，模擬地層的初始應力狀態(tài)。根據基坑工程的實際施工步序設置施工階段的不同工況：(1) 施工圍護結構; (2) 進行坑內降水，水位降至基底以下1.0 m; (3) 分層開挖土方、架設支撐; (4) 開挖至設計標高后封閉基底，澆筑底板混凝土。

2.2 結果分析

為敘述方便，本文對涉及的符號做統(tǒng)一定義，見圖2。

圖2 基坑開挖變形示意圖

(1) 圍護結構側移。圖3為不同模型的圍護結構變形曲線，最終形態(tài)均呈現向坑內的“凸形”。頂部和底部的側移較小，坑底附近的側移較大。主要原因是：基坑工程的施工工序一般是先開挖土方至某一標高，再架設支撐。開挖冠梁淺基坑時，側向變形較小，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，有效約束了頂部側移。隨著逐層開挖土方，圍護結構向坑內的變形逐漸發(fā)展。所以，在汾河漫灘和一級階地區(qū)修建地鐵車站基坑時，第一道支撐應盡可能地設計為剛度、強度和穩(wěn)定性更好的鋼筋混凝土支撐。

圖3 圍護結構側移曲線圖

(2) 圍護結構的最大側移。圍護結構最大側移與開挖深度的關系如圖4所示。在圍護結構插入比相同的情況下，最大側移隨著開挖深度的增加不斷增大，近似呈線性。當基坑開挖深度一定時，插入比越大，圍護結構的最大側移越小。

圖4 圍護結構最大側移量與基坑開挖深度的關系

劉建航等[17]認為：增大圍護結構的插入比可提高坑底抗隆起穩(wěn)定性安全系數，對減小基坑變形有利。但當插入比大于0.9時，繼續(xù)增大插入比對減小基坑變形的效果不明顯，工程造價卻有較大增加。從經濟合理角度考慮，不宜盲目加大插入比。根據部分地區(qū)的工程經驗，不同區(qū)域、不同土層條件下，基坑的插入比相差較大。北京地區(qū)的地層條件相對較好，插入比也較小，主要分布在0.25～0.35范圍。上海軟土地區(qū)基坑的插入比較大，平均值約為1.1。根據計算結果，對于太原地區(qū)的地層而言，插入比為0.5時，δhm/H約0.14%，既能將圍護結構的變形控制在規(guī)范允許的范圍，又避免了過高的工程投資。

(3) 最大側移的深度。圖5為圍護結構最大側移的深度與開挖深度的關系。在插入比相同的情況下，隨著開挖深度的增加，圍護結構最大側移的深度逐漸增大。插入比為0.5時，Hm/H在0.68到0.75之間。當開挖深度一定時，插入比越大，Hm/H越小。這表明，基坑圍護結構的嵌固深度越小，坑底土層對圍護結構的約束作用越弱，最大側移的深度越接近坑底。

圖5 圍護結構最大側移的位置與基坑開挖深度的關系

(4) 周邊地表沉降。圖6為基坑周邊地表沉降曲線，均為向下的“凹形”，沉降范圍大致為坑外0～3.5H，最大沉降點位于0.3H附近。在0

圖6 地表沉降曲線圖

基坑周邊地表的最大沉降量與開挖深度的關系如圖7所示。

圖7 地表最大沉降量與開挖深度的關系

相同插入比的基坑，地表最大沉降量隨著開挖深度的增加近似呈線性增大。當開挖深度一定時，插入比越大，地表最大沉降量越小。本文的計算結果與劉建航等的研究結論一致，即適當增大圍護結構插入比，對減小基坑周邊地表沉降的作用顯著。對于太原地區(qū)的基坑工程而言，當插入比為0.35、0.50和0.65時，δvm/H分別為0.24%、0.16%和0.10%。

3 統(tǒng)計分析

3.1 圍護結構側移

(1) 圍護結構的最大側移。經過對11座車站基坑的圍護結構變形實測數據的統(tǒng)計分析，得到最大側移量與基坑開挖深度的關系曲線圖(見圖8)，可知：

① 圍護結構的最大側移隨開挖深度的增加而增大，大致呈線性趨勢。

② 圍護結構的最大側移與開挖深度之比δhm/H介于0.06%～0.18%之間，均值約為0.11%。

③ 在全部統(tǒng)計的δhm數據中，δhm/H≤0.15%的概率約為90%，建議太原地區(qū)地鐵車站基坑的圍護結構變形控制值取δhm=0.15%H。

圖8 圍護結構最大側移與開挖深度的關系

(2) 圍護結構最大側移的深度。圖9是圍護結構最大側移的深度與開挖深度之間的關系。最大側移的深度與開挖深度之比Hm/H約為0.6～1.1，均值為0.9。圍護結構最大側移的深度基本位于基底上方1.0 m～3.0 m。

圖9 圍護結構的最大側移深度與基坑開挖深度的關系

3.2 周邊地表沉降

(1) 地表最大沉降量。經過對11座車站基坑周邊地表沉降監(jiān)測數據的統(tǒng)計分析，得到地表最大沉降量與開挖深度的關系曲線如圖10所示，可知：

① 隨著開挖深度的增加，地表最大沉降量基本呈線性增大的趨勢。

② 地表最大沉降量與開挖深度之比δvm/H在0.11%～0.33%之間，均值約為0.21%。

③ 在全部統(tǒng)計的δvm數據中，δvm/H≤0.25%的概率約為90%，建議太原地區(qū)地鐵車站基坑周邊地表沉降的控制值取δvm=0.25%H。

圖10 地表最大沉降量與基坑開挖深度的關系

(2) 地表沉降影響范圍?！冻鞘熊壍澜煌üこ瘫O(jiān)測技術規(guī)范》[18](GB 50911—2013)將基坑工程的影響分區(qū)按照與基坑邊緣距離的不同劃分為主要影響區(qū)、次要影響區(qū)和可能影響區(qū)。對于土質較堅硬的北京地區(qū)，主要影響區(qū)為坑外0～0.7H范圍，次要影響區(qū)為坑外0.7H～2.0H范圍，可能影響區(qū)為距坑邊大于2.0H的范圍。對于以軟弱土為主的上海地區(qū)，主要影響區(qū)根據Htan(45°-φ/2)計算確定，次要影響區(qū)為坑外tan(45°-φ/2)H～3.0H范圍，可能影響區(qū)為距坑邊大于3.0H的范圍。

基于太原地鐵2號線11座車站基坑的實測數據，將地表沉降(δv)和沉降點距坑邊距離(d)進行無量綱的歸一化處理，結果見圖11。可知：基坑周邊地表沉降主要分布在0≤d/H≤2.5范圍內，0≤d/H≤1.0范圍為主要影響區(qū)，1.0

圖11 地表沉降的影響范圍

3.3 實測數據與計算結果對比分析

將圍護結構插入比為0.5的數值模型計算結果與工程實測值進行對比分析，可知：

(1) 對于圍護結構的最大側移量，數值計算所得δhm/H約為0.14%，實測的δhm/H均值約為0.11%。實測值略小于計算值，吻合度較好。

(2) 對于最大側移的深度位置，計算的Hm/H約為0.7，實測的Hm/H均值約為0.9。實測明顯偏大，推測可能的原因是基底暴露時間過長。根據現場施工記錄，部分基坑開挖至基底設計標高后正值太原冬季環(huán)保督查期，商品混凝土生產企業(yè)開始減產、停工，現場混凝土供應也受到一定影響，導致多個車站未能及時封底。建議施工時合理安排各工種的作業(yè)進度，及時架設支撐，開挖至基底標高后盡快封閉底板。

(3) 對于坑外地表的最大沉降量，計算的δvm/H約為0.16%，實測的δvm/H均值約為0.21%。實測值偏大，推測可能是過量抽水導致的。根據降水設計和現場抽水情況，部分基坑的降水管井深度較大，距止水帷幕底部較近，加大了坑外地下水向坑內滲流；而且施工方為加快進度、盡快降低水位，加大了抽水泵功率，平均日出水量顯著大于設計值，坑外地下水位顯著下降，進而造成地表附加沉降。建議本地區(qū)的類似工程在設計和施工時，合理布置井間距，嚴格控制抽水量。

4 結 論

(1) 由于地質條件差異，不同地區(qū)的基坑變形特性具有明顯的區(qū)域特點。北京地區(qū)主要為硬土地層，基坑變形較小；上海、南京、寧波等地以軟弱土為主，基坑變形較大。本文的計算結果及統(tǒng)計分析表明，太原地區(qū)深基坑圍護結構的側移和地表沉降與天津、無錫等地區(qū)較接近。圍護結構的最大側移δhm/H介于0.06%～0.18%之間，地表最大沉降量δvm/H在0.11%～0.33%之間。

(2) 綜合考慮太原地鐵2號線的工程經驗和數值計算結果，太原地區(qū)基坑圍護結構的插入比取0.5，可作為類似工程的參考。

(3) 結合數值計算結果和實測數據，建議太原地區(qū)深基坑的變形控制指標采用如下值：δhm/H≤0.15%，δvm/H≤0.25%。

(4) 基坑周邊地表沉降主要分布于0≤d/H≤2.5范圍內，0≤d/H≤1.0為主要影響區(qū)，1.0