成都地鐵車站深基坑周圍地表沉降規(guī)律研究

童建軍，王明年，于 麗，劉大剛，徐 瑞

(1.西南交通大學土木工程系，四川峨眉山 614202;2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031;3.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽合肥 230001)

近年來，由于大規(guī)模的城市擴張和軌道交通建設，成都地區(qū)出現(xiàn)了大量的高層建筑基礎深基坑、地鐵車站深基坑和明挖隧道長深基坑，這些深基坑在開挖過程中涉及的地層結(jié)構(gòu)具有明顯的特點，即均處于較厚的卵石地層之中，由此帶來的周邊地面沉降是一個必須面對和解決的問題。

成都地區(qū)屬于岷江沖、洪積扇狀平原地貌，其地層單元較為統(tǒng)一，覆土主要為人工填土、粉質(zhì)黏土、砂土、卵石土，下伏泥巖。卵石地層為Q3+Q4的砂卵石，厚度14～30 m，粒徑大部分4 ～12 cm，并含有少量漂石，卵石含量75% ～85%，自上而下卵石含量由少到多，粒徑由小變大，結(jié)構(gòu)由稍密到密實。卵石地層中地下水水量豐富，埋深較淺，滲透系數(shù) K=10 ～20 m/d［1～3］。

國內(nèi)對于黏土、砂土等地層中的深基坑工程研究已取得了豐碩的成果，但卵石地層深基坑周圍地面沉降問題的研究很少。李國杰［4］運用FLAC軟件對成都地鐵天府廣場車站深基坑在土釘墻和錨拉樁兩種支護類型下的周邊地表沉降進行了研究;陳盛金［5］分析成都地鐵2號線春熙路站深基坑現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，認為地表沉降曲線為凹槽型，并利用FLAC3D軟件模擬了基坑開挖工程中的地面沉降情況;王衛(wèi)［6］給出了成都地鐵1、2號線4個車站深基坑周邊地面沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了22個車站周邊最大地面沉降值，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)小于14 mm，個別達到33 mm;劉宇［7］給出了成都地鐵東門大橋站深基坑周邊地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，并用有限元軟件模擬分析，得出地面沉降影響深度為10 m，橫向最大影響范圍約20 m;袁坤［8］通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了成都地鐵塔子山車站基坑周邊地面沉降的ANSYS計算結(jié)果;尹群［9］分析了成灌快鐵迎賓車站監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了地面沉降在開挖工程的變化規(guī)律，并與PLAXIS有限元軟件計算結(jié)果對比;董英［10］利用有限元軟件分析了成都迎暉路建筑深基坑周邊地表沉降規(guī)律，認為最大沉降發(fā)生在距離坑壁一定距離內(nèi)。以上相關研究主要為工程個案分析，采用的有限差分法也并不適合高離散性的卵石地層，故本文統(tǒng)計了大量成都地鐵車站深基坑實測數(shù)據(jù)，并結(jié)合顆粒離散元法數(shù)值分析，研究成都地鐵車站深基坑周邊地表沉降的規(guī)律，以期對類似基坑工程設計和施工提供參考。

1 成都地鐵車站深基坑周圍地表沉降的顆粒離散元法數(shù)值模擬

顆粒離散元法把離散體看作有限個離散單元的組合，每個圓盤或圓球顆粒為一個單元，根據(jù)過程中的每一時步各顆粒間的作用和牛頓運動定律的交替迭代預測散體群的行為。顆粒離散元法可以在顆粒體模型基礎上通過隨機生成算法建立具有復雜幾何結(jié)構(gòu)模型，通過單元間多種連接方式來體現(xiàn)土體等多相介質(zhì)間的不同物理關系，從而更有效地模擬土體的開裂、分離等非連續(xù)現(xiàn)象，成為分析和處理巖土工程問題的不可缺少的方法［11］。

根據(jù)文獻［1～10］，選擇成都地區(qū)典型的地質(zhì)剖面和常用的“圍護樁+內(nèi)支撐”的支護結(jié)構(gòu)型式(圖1)，采用顆粒離散元軟件PFC2D模擬成都地鐵車站卵石地層深基坑的開挖過程。

圖1 成都地區(qū)典型地質(zhì)剖面及基坑支護結(jié)構(gòu)示意圖(m)Fig.1 Typical geological cross section and support structure of the foundation pit in Chengdu

由于基坑都是在抽水后進行開挖，所以計算中未考慮地下水。根據(jù)基坑對稱性，取其一半進行研究，模型寬度為40 m，高度為30 m，地層及支護結(jié)構(gòu)均由圓盤顆粒進行模擬，模型左、右及下邊界設定為墻體，上邊界為自由表面，基坑開挖結(jié)束后的計算模型如圖2所示。

圖2 基坑開挖結(jié)束后的模型圖Fig.2 Model of foundation pit after excavation

借鑒已有研究成果［1～10，12］選取地層巖土體及支護結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)和邊界墻體計算參數(shù)(表1、表2)。

表1 巖土體物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

表2 基坑支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of foundation pit support structure

數(shù)值模擬首先建立原始地層模型，施加位移約束邊界條件，在重力作用下進行迭代計算直至系統(tǒng)達到平衡，模擬地層初始應力狀態(tài)。然后刪除挖孔樁所在位置的土體單元，建立相應的樁單元，迭代計算至土體處于新的平衡狀態(tài)。最后分步挖去指定區(qū)域的土體單元，并在指定位置處建立鋼支撐單元，測定地表沉降量?；娱_挖步驟如表3所示。

表3 基坑開挖步驟Table 3 Excavation steps of foundation pit

對于基坑各個開挖步驟，提取數(shù)值計算結(jié)果并繪制地面沉降曲線，曲線中每點沉降值為其兩側(cè)2 m范圍內(nèi)顆粒的平均沉降值(圖3)。

圖3 顆粒離散元所得不同開挖步驟下地表沉降圖Fig.3 Land subsidence in all excavation steps with the granular discrete element method

由圖3可知:(1)在不同的開挖階段，基坑周圍地面沉降曲線均為凹槽型。(2)距坑壁不同距離地表沉降值和地表沉降范圍均隨著開挖進度逐漸增大，最大沉降范圍為32 m。(3)地面沉降最大值位于坑壁后6 m處，在開挖各個階段，最大值分別為-1.6 mm、-4.3 mm、-7.5 mm、-10.0 mm和-10.7 mm，每個開挖階段的沉降值分別占總沉降值的15%、25%、30%、23%和7%，可見第二 、三、四層的開挖對地表沉降影響較大。(4)基坑各個開挖階段的地面沉降曲線在坑壁后10 m處均有1個突變點，每個開挖階段在該處的沉降值與其最大沉降值相比，減幅60% ～70%。

2 成都地鐵車站深基坑周圍地表沉降的工程案例統(tǒng)計

成都地鐵車站多采用“圍護樁+內(nèi)支撐”的支護體系，施工中周邊地表沉降監(jiān)測點布置方式通常有兩種:對小型車站而言，監(jiān)測點沿基坑周邊3 m范圍內(nèi)單點布置;對大型車站而言，監(jiān)測點沿基坑周邊呈斷面布置，每個斷面設2～4個測點。

根據(jù)相關文獻［5～9］和成都地鐵現(xiàn)場監(jiān)測報告［13～15］，收集成都地鐵9個車站深基坑共計18個監(jiān)測斷面和24個單獨監(jiān)測點的地面沉降實測數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，即將各測點的地面沉降值(δv)和距基坑壁的距離值(d)均除以基坑開挖深度(H)，在此基礎上繪制成都地鐵卵石地層深基坑周圍地面沉降的無量綱曲線，并根據(jù)這些實測曲線給出了地面沉降的包絡線(圖4)，縱坐標為千分值。

圖4 成都地鐵車站深基坑周邊地表沉降無量綱圖Fig.4 Dimensionless land subsidence curves in the Chengdu subway station deep foundation pits

分析圖4可知，沉降曲線主要有凹槽型和拋物線型。最大沉降位于坑壁外大約0.25H處，其值為0.4‰H～0.7‰H;沉降曲線突變點位于0.5H附近，其沉降值為0.1‰H～0.45‰H。

圖4中沉降包絡線由3段組成，其數(shù)學表達式為:

對比圖4可知，實測沉降曲線類型較數(shù)值模擬曲線復雜。實測和數(shù)值沉降曲線的最大沉降點和突變點在地表位置基本一致，即分別為0.25H和0.5H處，實測沉降包絡線完全包括了數(shù)值模擬曲線。

由此可見，實測沉降包絡線可用于成都地區(qū)卵石地層深基坑周圍地表沉降的預測。

3 成都卵石基坑與上海軟土基坑墻后地表沉降的對比

將成都地區(qū)卵石地層基坑工程與上海地區(qū)軟土地層基坑工程在墻后地面沉降方面進行對比，分析歸納兩種性質(zhì)迥異的地層中基坑工程周邊地面沉降的差異。王衛(wèi)東［16］通過統(tǒng)計上海地區(qū)35個深基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)得到其地面沉降分布如圖5所示。

對比圖4和圖5中成都和上海工程案例沉降包絡線，可知兩包絡線均呈凹槽型，但存在以下區(qū)別:

(1)基坑開挖對周邊土層的影響范圍不同。成都地區(qū)基坑開挖影響范圍一般為1～2H，而上海地區(qū)最多可達4H。

圖5 上海地區(qū)深基坑周邊地表沉降無量綱圖［16］Fig.5 Dimensionless land subsidence curves in the deep foundation pits in Shanghai

(2)最大沉降點位置和量值不同。成都地區(qū)基坑周邊地表最大沉降點位于0.25H附近，量值為0.4‰H～0.7‰H，而上海地區(qū)最大沉降點位于0.5H附近，最大量值可達8‰H;兩者最大沉降點位置相差1倍，量值可相差1個數(shù)量級。

(3)沉降突變點位置不同。成都地區(qū)沉降突變點位于0.5H位置，即在0～0.5H范圍內(nèi)變化劇烈，地表傾斜較大，在0.5～2H范圍內(nèi)沉降變化緩慢，而上海地區(qū)基坑工程地表沉降突變點位于約2.0H處。

總之，成都地區(qū)卵石基坑與上海地區(qū)軟土基坑墻后地表沉降的包絡線形態(tài)相同，但包含范圍差別很大，這是由卵石土和軟土不同的工程性質(zhì)決定的。天然形成的卵石土通常在不同粒徑的充填物充分沉積填充后，在漫長的地質(zhì)年代中受到上部覆蓋層的壓力或構(gòu)造地應力等因素的作用，可以達到很高的密實度和承載力，所以在基坑開挖后可以表現(xiàn)出較好的“自穩(wěn)能力”，其周邊地表變形也較小，而軟土的工程性質(zhì)表現(xiàn)出高孔隙率、高含水率、高壓縮性、高靈敏度和低承載力的特點，在基坑開挖的影響下，其側(cè)向變形和地面沉降效應明顯。

4 結(jié)論

(1)成都地鐵卵石地層深基坑周圍地表沉降隨著基坑開挖過程逐漸增大，其中第二、三、四層開挖引起的地表沉降相對較大。

(2)成都地鐵卵石地層深基坑周圍地表沉降曲線呈凹槽型和拋物線型，其包絡線最大沉降點位于坑壁外0.25H處，量值為0.73‰H;突變點位于坑壁外0.5H處，量值為0.5‰H。

(3)與上海地區(qū)軟土地層相比，成都地區(qū)卵石地層深基坑的地表沉降包絡線在地表的范圍約為上海地區(qū)的1/2，最大沉降點距坑壁距離約為上海地區(qū)的1/2，其量值相差1個數(shù)量級，沉降突變點位置距坑壁距離也約為上海地區(qū)的1/2。

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