地鐵車站開挖過程中的變形監(jiān)測及仿真分析

林 彰 銀

(邵陽學(xué)院城市建設(shè)系 湖南 邵陽 422000)

0 引 言

地鐵已經(jīng)成為各個城市不可缺少的交通工具，截至2018年1月，已經(jīng)有34所城市開通了地鐵，還有十幾所城市正在建設(shè)地鐵。但地鐵車站基坑在開挖過程中會出現(xiàn)許多問題，其中地表沉降變形是最為重要的。

李方明等[1]研究了地鐵深基坑施工引起的周邊地表沉降規(guī)律。李文聰?shù)萚2]對中洞法施工各施工工序引起的地表沉降變形規(guī)律進(jìn)行了分析和總結(jié)。許有俊等[3]揭示了在注漿壓力作用下矩形頂管隧道周圍土體的變形模式。孫慶先等[4]研究了老采空區(qū)地表殘余變形和煤矸石高填方沉降變形預(yù)計(jì)方法，提出了2種變形聯(lián)合預(yù)計(jì)的技術(shù)思路。許樹生等[5]采用FLAC3D對基坑開挖及支護(hù)全過程進(jìn)行數(shù)值模擬。劉重慶等[6]研究在上軟下硬地層中過渡區(qū)盾構(gòu)法隧道施工對地表沉降變形規(guī)律的影響。羅躍等[7]推導(dǎo)了解耦三維地面沉降數(shù)學(xué)模型。秦亞斌等[8]研究盾構(gòu)下穿大型立交時掘進(jìn)速度對樁基的影響。范凡等[9]研究了分隔型基坑群施工過程中隔墻變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和坑后土體沉降的發(fā)展規(guī)律。任連偉等[10]提出一種適合于采空區(qū)地基的荷載影響深度HDz確定方法。閆靜雅等[11]對上海地鐵隧道近25年的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,總結(jié)了隧道縱向不均勻沉降原因及典型特征。邱明明等[12]提出了一種雙線盾構(gòu)施工引起的地表沉降計(jì)算公式，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示該方法的可靠性。段寶福等[13]圍繞國內(nèi)外地表沉降預(yù)測與控制的研究現(xiàn)狀，對淺埋暗挖地鐵隧道的變形預(yù)測、施工技術(shù)展開分析。王海濤等[14]針對砂土地層的高斯沉降模式，建立了不同埋深處砂土地層損失與地表損失間的關(guān)系。張立亞等[15]對深圳地鐵的線路隧道進(jìn)行了安全狀態(tài)問題分析，并提出了解決辦法。張書豐等[16]解釋了盾構(gòu)隧道不均勻沉降是由不均勻分布的下臥軟土與外部影響因素共同作用所造成。張學(xué)華等[17]分析研究隧道變形發(fā)展在各個時期的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域隧道變形主要受軟弱地質(zhì)條件及周邊物業(yè)開發(fā)影響。

本文以實(shí)際工程為背景，提供一種建模方法，計(jì)算地下連續(xù)墻、管線、墻頂和周邊建筑的沉降數(shù)值，為今后施工預(yù)測方案提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程背景

上海軌道交通17號線工程主要位于青浦區(qū)，由滬青平公路至虹橋樞紐，線路走向?yàn)闇嗥焦?淀山湖大道-盈港路-崧澤大道-諸陸東路，全長35.30 km，其中高架線18.28 km，地下線16.13 km，過渡段0.89 km；共設(shè)站13座，其中高架站6座，地下站7座，平均站間距2.897 km。設(shè)徐涇車輛段1座，朱家角停車場1座。設(shè)主變電站2座，分別位于某車站附近和徐涇車輛段內(nèi)。設(shè)控制中心1座，位于徐涇車輛段內(nèi)。17號線在已建的虹橋火車站站與2號線、10號線和原規(guī)劃17號線形成換乘。

上海某車站共設(shè)3個出入口及2個風(fēng)亭。電力管廊長87.24 m，凈寬2 m，凈高1.8 m，覆土0.9～4.5 m。為確保東端頭井盾構(gòu)施工，在離東端頭井約70 m處設(shè)置了一道臨時封堵墻，將基坑分成A、B兩個區(qū)域，如圖1所示。

1.2 工程難點(diǎn)及周邊建筑

某車站位于漕盈路東側(cè)，平行布置在盈港路下方。車站北側(cè)為吉富紳房產(chǎn)開發(fā)工地(目前正在樁基施工)，南側(cè)為佳邸別墅，17號線主變電站(待建)位于車站東北側(cè)(與車站通道連接)。佳邸別墅為筏型基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底標(biāo)高0.950 m，基礎(chǔ)平面尺寸20.7 m×14 m，與車站出入口基坑平面距離5.46 m。盈港路存有大量通信、上水、污水、電力管線。距離基坑最近的Ф 600污水管(砼，深2.8 m)距離基坑約5 m，以及Ф 400雨水管線距離基坑約7 m。

某車站地下連續(xù)墻穿越2層土，土層易塌方并且本場地周邊環(huán)境較為復(fù)雜，其南側(cè)皆為居民樓，距離基坑較近，地墻施工時極易對其產(chǎn)生沉降位移影響；基坑南側(cè)存在雨污水、電力等管線，距地墻外邊線最近距離為5 m，地墻施工時也極易對其產(chǎn)生沉降位移影響。因此基坑施工期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

2 仿真方法及可靠度驗(yàn)證

2.1 方法與模型建立

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS來對工程開挖期的基坑變形和開挖過程中對周邊環(huán)境的影響進(jìn)行模擬分析。結(jié)合實(shí)際工程的受力分析，繪制出基坑內(nèi)部支撐體系結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。為確保ANSYS分析方法的合理性，對模型計(jì)算過程做一些假設(shè)：不考慮降水對土體性質(zhì)的影響；不考慮土體的剪脹性，即理想彈塑性模型；地下連續(xù)墻、支護(hù)樁、支撐等采用彈性模型；不考慮土的流變；不考慮施工荷載對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

圖2 基坑結(jié)構(gòu)

上海地處長江三角洲，覆蓋層厚、土質(zhì)松軟、地下水位淺、成陸時間不長，故沉積物多為近代松軟沉積物。區(qū)域內(nèi)人類工程活動眾多，區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)研究程度高。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，上海全境除西南部少數(shù)地區(qū)外，基巖之上覆蓋著巨厚的松散沉積土層，屬第四紀(jì)河(湖)—濱海相沉積層。由于上海地區(qū)地基土層受沉積環(huán)境及海進(jìn)、海退、海陸交互作用影響，土層的變化比較復(fù)雜，粘性土、粉性土和砂土在垂直方向有規(guī)律相間分布，局部地層結(jié)構(gòu)受古河道切割而有所變化。

根據(jù)工程沿線及鄰近場地的已有勘察資料，通過鉆孔取樣得到車站附近的土層基本性能參數(shù)，如表1所示，并將得到的參數(shù)輸入有限元軟件。

表1 土層基本性能參數(shù)

2.2 可靠度驗(yàn)證

當(dāng)挖掘機(jī)作業(yè)時，通過埋入的傳感器，監(jiān)測地下施工0～29.5 m處的基坑變形情況，并與有限元軟件計(jì)算進(jìn)行對比，得到圖3。

圖3 模擬與實(shí)測對比圖

從圖3中可以看出，當(dāng)深度為0～6.5 m時，地下連續(xù)墻的位移逐漸增大，最大處位移為3.61 mm；而當(dāng)深度為6.5～29.5 m時，其位移變化逐漸降低，在監(jiān)測的最低部位移為0.55 mm?？梢姷叵逻B續(xù)墻的位移變形曲線呈一啤酒肚型。出現(xiàn)這一變化規(guī)律與它的受力方式有關(guān)，基坑結(jié)構(gòu)的頂部有一支撐，因而可認(rèn)為接觸處為剛接，剛接能夠限制地下墻的變形；另外，在施工過程中地下墻通過嵌入底部基巖來達(dá)到整體穩(wěn)定性，而嵌入基巖中也被認(rèn)為是剛接，受力分析如圖4所示。因而，從力學(xué)角度來分析可以得出基坑底部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律為中間大、兩頭小。

圖4 地下連續(xù)墻的受力分析

ANSYS模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合，而且計(jì)算結(jié)果比實(shí)測數(shù)據(jù)偏大，其最大誤差為0.27 mm。出現(xiàn)這一原因是因?yàn)樵趯?shí)際工程中會根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測得到的位移變化情況來調(diào)整施工進(jìn)度、方案和臨時制定加固措施。因而，實(shí)測數(shù)據(jù)比模擬計(jì)算結(jié)果略小且最大誤差為7.45%，小于10%。這一結(jié)論在工程中是可以接受的。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 軸力變化

由于該工程是分段開挖，利用本文模型，對第一道支撐的壓力進(jìn)行分析，得到了支撐軸力隨時間的變化曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出，在ANSYS模擬下，當(dāng)基坑開始開挖時，第一道支撐的軸力為644.8 kN；而當(dāng)開挖的4天內(nèi)，第一道支撐軸力的變化緩慢，這是因?yàn)榈谝坏乐吻豆逃谶B續(xù)墻中，可假定為固定端，致使的軸力變化緩慢。但當(dāng)基坑逐漸開挖至第二道支撐(即第4～6天)時，第一道支撐軸力增長率迅速增加，第6天時第一道支撐軸力值為2 363.3 kN。當(dāng)基坑繼續(xù)向下開挖時，第一道支撐軸力也在逐漸增大，支撐軸力增長率和0～6天開挖過程類似。當(dāng)開挖到第10天(即第三道支撐)時，第一道支撐軸力值達(dá)到最大為3 610 kN，增長460%。

忽略施工過程對混凝土支撐的擾動，可見開挖過程中會導(dǎo)致第一道支撐的受力逐漸增大，一方面可以根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡方程進(jìn)行分析，但主要原因是因?yàn)殡S著開挖深度的延長，其受力面積的增大導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)受力增大[18]。

因此，為了解決支撐軸力過大的因素，通?？梢詼p小受力面積或受力均布荷載。因而，可以利用三軸混凝土攪拌樁對地下連續(xù)墻兩側(cè)進(jìn)行槽壁加固，增加槽壁自身穩(wěn)定性，降低槽壁坍塌的可能，將工程風(fēng)險降低。

3.2 墻頂沉降

利用本文模型，對第一道支撐的沉降進(jìn)行分析，得到了墻頂沉降隨時間的變化曲線，如圖6所示。

圖6 墻頂沉降與時間的關(guān)系

從圖6中可以看出，隨著開挖時間的推移，墻頂沉降位移也逐漸增大。當(dāng)開挖時間在0～6天內(nèi)時，即開挖到第二道支撐，墻頂沉降變化呈線性增長趨勢，但斜率較小變化緩慢。而當(dāng)基坑繼續(xù)向下開挖時，墻頂沉降變化率迅速增大，在第10天時，墻頂沉降高達(dá)0.82 mm。

這是因?yàn)殚_挖過程會導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化：一方面土體本身會發(fā)生固結(jié)沉降，而擾動土體后則會加快土體自身的沉降；另一方面開挖過程中會產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，從而使得墻頂發(fā)生沉降[19]。

為了解決墻頂沉降過大問題，可以采取鉆孔灌注或打錨桿等方式，能夠加強(qiáng)土體的凝結(jié)作用，使得土體不會因松軟而發(fā)生沉降。

3.3 管線沉降

結(jié)合有限元模型，對地表管線進(jìn)行分析，得出其沉降隨時間的變化曲線，如圖7所示。

圖7 管線沉降與時間的關(guān)系

從圖7中得出，在第10天時，管線沉降為0.35 mm，管線沉降變化比墻頂沉降變化較小。這是因?yàn)楣芫€的布置較長，不會因基坑開挖而產(chǎn)生過大的沉降。因此，針對管線沉降主要是防止管線在施工過程中被破壞。通?？梢圆扇≡O(shè)立警告牌或者對開挖階段的管線外裹一層不銹鋼套筒。

3.4 周邊5 m處建筑沉降

利用本文模型，對距離開挖點(diǎn)處5 m的建筑進(jìn)行沉降模擬仿真，得到了周邊5 m處的建筑沉降隨時間的變化曲線，如圖8所示。

圖8 周邊建筑沉降與時間的關(guān)系

從圖8中可以看出，基坑開挖對周邊建筑會產(chǎn)生較大的沉降問題，在第10天時建筑沉降為0.79 mm，這一沉降值比墻頂沉降值偏小。出現(xiàn)這一問題的原因與墻頂沉降過程原因類似[19]。但本文模型在模擬建筑沉降時，考慮了地下水位的變化。根據(jù)施工方案，在開挖過程中對地下水進(jìn)行抽取，使得地下水位下降至開挖低層。而地下水位的變化，會使得基坑土體失水而形成不飽和土體，從而導(dǎo)致沉降。

為了解決這一問題，可以采用多濾頭深井，在每一道支撐下設(shè)計(jì)濾頭，以多次加真空降水，同時發(fā)現(xiàn)地墻漏水要及時封堵。結(jié)合基坑開挖時，在坑內(nèi)設(shè)置明水坑，讓坑內(nèi)明水引流到明水坑內(nèi)，及時排出坑內(nèi)。

4 結(jié) 語

通過有限元仿真模擬方法，能夠分析出施工過程對支撐軸力、墻頂沉降、管線沉降和臨近建筑沉降的影響，得到以下結(jié)果并給出技術(shù)解決方案：

(1) 地下連續(xù)墻的最大變形約在其長度的1/3處，因而可以采取增添支撐來解決變形過大的問題；有限元軟件ANSYS計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合，最大誤差為7.45%；并且計(jì)算結(jié)果比實(shí)測結(jié)果始終偏大，當(dāng)工程中采用模擬分析結(jié)果時，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的最大位移變化情況，為安全施工提供依據(jù)。

(2) 開挖過程中會導(dǎo)致第一道支撐的受力逐漸增大，軸力最大變化高達(dá)460%。因而可以利用三軸混凝土攪拌樁對地下連續(xù)墻兩側(cè)進(jìn)行槽壁加固，增加槽壁自身穩(wěn)定性，降低槽壁坍塌的可能，將工程風(fēng)險降低。

(3) 隨著開挖時間的推移，墻頂沉降位移第10天時高達(dá)0.82 mm。在工廠中可以選擇采用打錨桿并灌漿的方法減少墻頂沉降。管線不會因開挖施工而產(chǎn)生較大的沉降，但對管線本身采取保護(hù)措施不可避免。

(4) 地下水位的變化對周邊建筑沉降有著較大的影響，周邊建筑5 m處在施工后的第10天內(nèi)會產(chǎn)生0.79 mm的沉降。在實(shí)際工程中需要對地下水位進(jìn)行一定的控制，可以采取多點(diǎn)式排水方法使得周邊建筑底部的地下水位不發(fā)生變化，而僅僅改變施工部位的水位變化。