地鐵車(chē)站開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響研究

李彥君 聶鑫淼

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京100027）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的迅猛發(fā)展，城市人口的激增，給交通出行帶來(lái)巨大的壓力。因此對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)利用得到人們的廣泛重視，地鐵工程、高層建筑等基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展勢(shì)頭突飛猛進(jìn)，眾多形態(tài)各異的深大基坑也隨之產(chǎn)生。

截至目前，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響做了大量研究工作，取得了豐碩的成果。楊敏和盧俊義[1]提出基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式的地面沉降估算方法。王強(qiáng)[2]應(yīng)用三維有限元分析手段，對(duì)地鐵隧道在基坑施工過(guò)程中所產(chǎn)生的影響進(jìn)行彈塑性分析。木林隆等[3]（2012）采用考慮土體小應(yīng)變特性的HS-small 模型，利用反分析方法對(duì)基坑開(kāi)挖引起的土體位移進(jìn)行研究。孟丹等[4]在將Peck 方法和隨機(jī)介質(zhì)理論方法對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，得到2 種方法對(duì)于地表沉降影響范圍計(jì)算結(jié)果的差異。本文以哈爾濱地鐵會(huì)展中心站基坑開(kāi)挖為背景，對(duì)基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中土體水平及豎向位移進(jìn)行模擬分析，并對(duì)實(shí)際工程中基坑開(kāi)挖帶來(lái)的樁頂水平及豎向位移進(jìn)行分析，將基坑周邊地表沉降與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，為類(lèi)似的基坑開(kāi)挖工程提供借鑒，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

車(chē)站主體為地下雙層兩柱三跨（換乘節(jié)點(diǎn)為三層兩柱三跨）現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，采用明挖順作法進(jìn)行施工。車(chē)站基坑開(kāi)挖嚴(yán)格遵循“時(shí)空效應(yīng)”原理，分層、分段開(kāi)挖。分層厚度按照鋼支撐位置將基坑分為5 層，結(jié)合結(jié)構(gòu)施工縫和誘導(dǎo)縫將車(chē)站基坑劃分為6 段開(kāi)挖。其中區(qū)域③為換乘段采用蓋挖法施工。車(chē)站施工分段圖如圖1 所示。

圖1 車(chē)站施工分段圖

2 基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬

2.1 模型建立

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際情況及施工圖紙資料，基坑長(zhǎng)190m，寬為24m，標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度為20m，蓋挖段深度為27m，最終確定的模型尺寸為500m×120m×77m（長(zhǎng)×寬×高）。模型底面固定，側(cè)面采用水平約束，模型頂面自由，采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型。基坑附近的網(wǎng)格較密，距離基坑越遠(yuǎn)網(wǎng)格尺寸越大，共有212004 個(gè)單元網(wǎng)格，數(shù)值模型圖如圖2 所示。主要土層物理力學(xué)參數(shù)表如下表所示。

圖2 基坑數(shù)值模型圖

主要土層物理力學(xué)參數(shù)表

3 結(jié)果分析

3.1 水平位移分析

基坑土體在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生急劇變化，有效應(yīng)力的增長(zhǎng)導(dǎo)致土體產(chǎn)生不同程度的位移?；訕?biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖完成后水平位移如圖3 所示，基坑兩側(cè)土體水平位移沿基坑中心位置呈軸對(duì)稱(chēng)分布，土體水平位移的最大值出現(xiàn)在開(kāi)挖面下部靠近基坑邊緣處?；觾蓚?cè)土體由于基坑開(kāi)挖產(chǎn)生了應(yīng)力重分布，其水平位移均指向基坑內(nèi)側(cè)。在水平方向上離基坑邊緣越遠(yuǎn)，水平變形越小，直至為零。

圖3 基坑開(kāi)挖水平位移

3.2 豎向位移分析

圖4 為基坑標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖完成后的豎向位移圖。基坑主體部位的豎向位移呈對(duì)稱(chēng)分布。圍護(hù)樁外側(cè)土體發(fā)生了豎直向下的位移，圍護(hù)樁內(nèi)側(cè)土體發(fā)生了豎直向上的位移。這是因?yàn)橥练介_(kāi)挖使得基坑土體產(chǎn)生卸荷作用，使得底部土體隆起，同時(shí)土方開(kāi)挖還使得土體產(chǎn)生地層損失，圍護(hù)結(jié)構(gòu)背側(cè)土壓力迅速增大，坑邊土體隨著距離坑邊距離的不同發(fā)生不同程度的沉降。由于基坑中部存在臨時(shí)立柱，坑底附近位移呈“m”型分布，坑底隆起對(duì)稱(chēng)分布在立柱兩側(cè)。

圖4 基坑開(kāi)挖豎向位移

4 監(jiān)測(cè)分析

隨著基坑的開(kāi)挖，開(kāi)挖土體的卸載作用使得臨空面附近土體主動(dòng)土壓力增大，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的側(cè)移，與樁體鋼筋緊密綁扎的測(cè)斜管進(jìn)而發(fā)生不同程度的傾斜及偏移，實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)斜管的位移情況來(lái)反映樁體的位移情況?；颖O(jiān)測(cè)部分測(cè)點(diǎn)平面布置圖如圖5 所示。

圖5 基坑監(jiān)測(cè)部分測(cè)點(diǎn)平面布置圖

4.1 樁頂位移分析

鑒于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，開(kāi)挖施工過(guò)程中圍護(hù)樁體會(huì)發(fā)生不可避免的偏移。樁體的變形情況直接決定了基坑的穩(wěn)定性和安全性，因此，有必要對(duì)圍護(hù)樁樁頂水平及豎向位移進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。圖6 為圍護(hù)樁樁頂豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZDC-22、23 變化曲線，樁頂豎向位移整體均呈上升趨勢(shì)，累計(jì)最大沉降的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為ZDC-22，位于換乘段區(qū)域③，最大值為8.64mm。

圖6 樁頂豎向位移變化曲線圖

圖7 樁頂水平位移變化曲線圖

圖7 為基坑換乘段監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZTS-21 樁體水平位移圖。測(cè)點(diǎn)ZDS-22、ZDS-24、ZDS-26 位于基坑?xùn)|側(cè)邊緣，整體位移為正，向基坑內(nèi)偏移，最大偏移測(cè)點(diǎn)為ZDS-26，最大偏移量為3.26mm?；颖眰?cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁頂水平位移向基坑外偏移，而基坑?xùn)|側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁頂水平位移向基坑內(nèi)偏移。

4.2 模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

圖8 模擬與監(jiān)測(cè)地表沉降對(duì)比圖

為了分析模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的吻合程度，并對(duì)偏差大的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析。提取監(jiān)測(cè)斷面上沉降較大的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比，繪制曲線圖，如圖8（a）、（b）所示。從圖8 可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)一致，模擬結(jié)果均比實(shí)測(cè)結(jié)果稍大。標(biāo)準(zhǔn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)在開(kāi)挖至基底（-20m）的過(guò)程中，兩者數(shù)據(jù)相差不大，換乘段（20m 以下）開(kāi)挖時(shí)的差別較大，但仍在允許范圍內(nèi)。這是因?yàn)橥馏w開(kāi)挖造成的地表沉降是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，受開(kāi)挖時(shí)間的影響較大。標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后土體完成瞬時(shí)沉降，而后期的固結(jié)沉降只能隨時(shí)間推移逐步完成；同時(shí)與模型的本構(gòu)關(guān)系、每層土開(kāi)挖一步到位的模擬方式、圍護(hù)樁等結(jié)構(gòu)與土體的相互作用、工序與工序之間的間歇等因素有關(guān)。總體而言，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相近，趨勢(shì)一致，這證明模擬結(jié)果較為合理，能較好地反映基坑周邊沉降在開(kāi)挖降水條件下的變化情況，為實(shí)際施工安全、節(jié)約成本、提高建設(shè)質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)際情況，采用FLAC3D 軟件對(duì)地鐵深基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬分析，總結(jié)了基坑周邊地表沉降規(guī)律，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程引起的豎向位移及水平位移進(jìn)行了分析研究，隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，基坑土體水平位移在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，且逐漸增大。影響范圍不斷擴(kuò)大，土體沉降相應(yīng)增大。土體開(kāi)挖至基底時(shí)，坑底隆起量達(dá)到最大，呈拋物線對(duì)稱(chēng)分布。將不同斷面的地表沉降監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比分析，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果沉降趨勢(shì)一致，模擬結(jié)果較為合理，為類(lèi)似的基坑開(kāi)挖工程提供借鑒，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。