地鐵深基坑工程變形規(guī)律研究分析

于鵬濤 梅利芳

摘要：指出了隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，越來(lái)越多的城市選擇修建地鐵來(lái)滿足城市人口交通的需要，但地鐵深基坑工程開(kāi)挖深度較深，周圍環(huán)境復(fù)雜，開(kāi)挖施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致基坑失穩(wěn)直接影響基坑本身及周圍建筑的安全。介紹了地鐵深基坑工程開(kāi)挖過(guò)程中主要產(chǎn)生的變形現(xiàn)象即圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、基坑底部隆起和周圍地表沉降，研究分析了這3種變形的規(guī)律及變形機(jī)理，探討了影響其變形的主要因素，為相似的深基坑工程施工提供理論指導(dǎo)，避免安全事故的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：深基坑;監(jiān)測(cè);變形規(guī)律

中圖分類號(hào)：U231.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1674-9944（2020）14-0208-02

1?研究意義

由于地鐵深基坑工程施工大多數(shù)都在城市中心，施工環(huán)境十分的復(fù)雜，施工現(xiàn)場(chǎng)周圍建筑物多，地下管線、管道交錯(cuò)復(fù)雜，土體性質(zhì)不一，給施工帶來(lái)很大困難。而且在基坑進(jìn)行開(kāi)挖的過(guò)程中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其周圍土體會(huì)產(chǎn)生位移和變形，過(guò)大的變形和位移，會(huì)導(dǎo)致基坑失穩(wěn)，影響周圍建筑物，造成經(jīng)濟(jì)損失影響工程的正常進(jìn)行。所以通過(guò)研究深基坑工程產(chǎn)生變形的原因，分析其變形規(guī)律，通過(guò)采取有效措施，避免產(chǎn)生過(guò)大的變形位移，確?；庸こ贪踩倪M(jìn)行[1]。

2?深基坑工程變形規(guī)律

在深基坑工程開(kāi)挖的過(guò)程中，由于基坑內(nèi)的土體會(huì)被挖走，開(kāi)挖面的土壓力消失，基坑底部的土體應(yīng)力得到釋放，會(huì)產(chǎn)生向上的隆起。而基坑外部的土體保持不變，因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)壓力差的存在，基坑外側(cè)會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)的主動(dòng)土壓力，造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及周圍地表沉降。除此之外圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身的重力、地面材料堆放、施工荷載、周圍建筑物基礎(chǔ)埋深等都會(huì)影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及使周圍土體產(chǎn)生位移變形?；又饕淖冃维F(xiàn)象：圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、基坑底部隆起和周圍地表沉降，它們伴隨基坑開(kāi)挖施工的整個(gè)過(guò)程[2]。這3種變形是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，掌握基坑的變形機(jī)理，可以采取有效的防治措施，避免基坑產(chǎn)生過(guò)大的變形，危害工程的安全施工。

2.1?圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形主要包括水平變形和垂直變形[3]。在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，基坑范圍內(nèi)的土體被挖走，使得土體卸荷，基坑周圍土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在不平衡的荷載作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形位移，并進(jìn)一步引起地層位移?；娱_(kāi)挖層面以上圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體會(huì)受到主動(dòng)土壓力，開(kāi)挖面層以下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)土體受到全部或部分被動(dòng)土壓力，從而圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體產(chǎn)生壓力差，基坑外部的土體在壓力差的作用下會(huì)向著基坑內(nèi)部移動(dòng)，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)在水平方向上產(chǎn)生位移變形。因?yàn)橹谓Y(jié)構(gòu)的架設(shè)總是在基坑開(kāi)挖以后才進(jìn)行的，在未架設(shè)支撐的時(shí)間段圍護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生了變形。在基坑開(kāi)挖面以上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移導(dǎo)致外側(cè)主動(dòng)土壓力區(qū)的土體水平應(yīng)力逐漸減小、剪力則逐漸增大、出現(xiàn)塑性區(qū)。在基坑開(kāi)挖面以下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度范圍內(nèi)的被動(dòng)土壓力區(qū)土體朝基坑內(nèi)側(cè)水平移動(dòng)，導(dǎo)致這部分土體剪應(yīng)力增大、水平應(yīng)力增加，基坑底部土體受到擠壓產(chǎn)生向上的隆起位移，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垂直位移，坑底部分范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性區(qū)。

2.1.1?圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形

隨著基坑的開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向會(huì)產(chǎn)生3種不同變形模式：懸臂型、拋物線型以及前兩種的組合型[4]。在基坑開(kāi)挖的初期，只是開(kāi)挖基坑上部較少的土體，開(kāi)挖深度較小，還未設(shè)置支撐，此時(shí)不管是剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)還是柔性圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形形式都是相同的，水平位移最大處在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部，水平變形整體呈三角形分布，方向向基坑底部，為懸臂型位移。隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷增加，剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部或整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑方向的水平位移也會(huì)增大，由于剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身剛度大不容易產(chǎn)生變形，所以此刻位移形式還是懸臂型位移。當(dāng)開(kāi)挖到一定深度柔性圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐架設(shè)完成時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的位移變形逐漸趨于穩(wěn)定或者朝基坑外的方向發(fā)生位移變形，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)腹部沒(méi)有支撐約束的地方會(huì)呈現(xiàn)向基坑內(nèi)的凸起，位移類型為拋物線型。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有多道內(nèi)支撐時(shí)，隨著內(nèi)支撐數(shù)量的不斷增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變形為組合型。但是在實(shí)際基坑開(kāi)挖施工中，第一道支撐離地面的距離比較近，檢測(cè)時(shí)第一道支撐施工已經(jīng)完成，實(shí)測(cè)位移偏小，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示仍為拋物線型。

2.1.2?圍護(hù)結(jié)構(gòu)垂直變形

在基坑的開(kāi)挖過(guò)程中，由于上部土體被挖走，基坑底部土體自重應(yīng)力得到釋放，在兩側(cè)壓力差的作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)受到垂直向上的力，產(chǎn)生垂直位移。圍護(hù)結(jié)構(gòu)在豎直方向上的位移變形，往往在實(shí)際工程中得不到重視，許多人錯(cuò)誤地認(rèn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移對(duì)基坑整體穩(wěn)定性沒(méi)有影響。事實(shí)上圍護(hù)結(jié)構(gòu)不均勻的垂直變形會(huì)使得基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使得內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生偏心作用，威脅工程的安全施工。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形不僅會(huì)影響基坑外地表產(chǎn)生沉降變形，還會(huì)造成基坑外側(cè)塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，從而加劇基坑外土體向坑內(nèi)的水平移動(dòng)和坑底土體隆起變形。所以，在相同地質(zhì)條件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度一樣的情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形是影響地表沉降范圍和沉降幅度的主要因素，減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形可以很好的控制基坑周圍地表沉降的產(chǎn)生。

2.2?基坑底部隆起

所有基坑工程無(wú)一例外都會(huì)有基坑底部隆起現(xiàn)象的出現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)主要原因有以下幾點(diǎn)：①基坑的開(kāi)挖使得開(kāi)挖面豎向土體卸荷，土體的自重應(yīng)力得到了釋放，打破了基坑底部土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起基坑底部土體隆起;②在嵌固深度范圍內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到外側(cè)土壓力朝基坑內(nèi)發(fā)生橫向位移，導(dǎo)致坑底的土體受到被動(dòng)土壓力而呈現(xiàn)隆起;③當(dāng)基坑開(kāi)挖面以下有地下水存在時(shí)，基坑底部土體會(huì)吸水軟化體積膨脹在水的浮力作用下被抬高出現(xiàn)隆起變形?；拥撞柯∑鸬念愋透鶕?jù)基坑的規(guī)模大小、開(kāi)挖深度、基坑形式可以分為兩類：彈性隆起和塑性隆起[5]。

在基坑開(kāi)挖前期，基坑開(kāi)挖面較小深度較淺，坑底土體被卸荷后上部土壓力消失，呈現(xiàn)垂直向上的隆起，坑底隆起形狀像面包發(fā)酵一樣，開(kāi)挖面中間部分隆起位移最大，兩邊小，此時(shí)為彈性隆起。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部土體是壓實(shí)系數(shù)較高的原狀土或剛度較大的灌漿加固土體時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)隨土體隆起而被抬高。這種隆起不會(huì)造成基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體產(chǎn)生變形，開(kāi)挖結(jié)束，隆起變形也就停止，對(duì)于基坑的穩(wěn)定性是安全的。但隨著開(kāi)挖深度的不斷加深，開(kāi)挖面的不斷擴(kuò)大，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)所受到土壓力差也隨之增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體產(chǎn)生朝基坑內(nèi)的位移，基坑底部呈現(xiàn)中間小兩邊大的塑性隆起，基坑周圍部分影響區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生塑性區(qū)，造成地表沉降[6]。

2.3?基坑周圍地表沉降

基坑工程在進(jìn)行開(kāi)挖的過(guò)程中，不可避免地會(huì)造成基坑周圍一定范圍內(nèi)的地表發(fā)生沉降變形，地表沉降的幅度影響基坑周圍環(huán)境的安全[7]。通過(guò)大量的工程實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，基坑周圍地表沉降的形式跟基坑的開(kāi)挖方式和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的類型有著密切的關(guān)系，根據(jù)其變形形式可以分為兩類：三角形沉降和凹槽形沉降[8]。

2.3.1?三角形沉降

當(dāng)基坑的地質(zhì)條件為軟弱地層，而且圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固在土體中深度不大或者基坑開(kāi)挖為懸臂開(kāi)挖的情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部出現(xiàn)較大的水平位移，隨著基坑繼續(xù)開(kāi)挖變形會(huì)逐漸減小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍地表沉降量最大，離圍護(hù)結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)的地表沉降量越小，此時(shí)地表沉降曲線類型為三角形分布。

2.3.2?凹槽形沉降

當(dāng)基坑的地質(zhì)條件為剛度較大硬地層，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固在土中的深度較大或者圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置多道支持時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與兩端固定的梁變形類同，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部變形比其頂部和底部變形大。地表沉降在距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)某一位置，距離坑邊0.4～0.7H處沉降量最大，地表沉降曲線類型為凹槽形分布，地表沉降量表現(xiàn)為先增大隨后逐漸減小最后趨于平緩的趨勢(shì)。

3?影響深基坑變形的因素

3.1?自然地質(zhì)條件

基坑工程所在地域的地質(zhì)條件一直以來(lái)都是影響基坑變形的主要原因之一，不同的地質(zhì)條件下，基坑的變形情況也會(huì)不同?，F(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件、開(kāi)挖土層地質(zhì)條件、周圍環(huán)境因素等一系列已知條件，直接影響方案的實(shí)際設(shè)計(jì)和工程具體施工情況。在計(jì)算分析基坑的變形時(shí)，土體的粘聚力、內(nèi)摩擦角和變形模量等物理參數(shù)的選取會(huì)直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以基坑變形計(jì)算參數(shù)的選取要根據(jù)準(zhǔn)確的地質(zhì)勘察報(bào)告并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，只有這樣基坑開(kāi)挖過(guò)程的穩(wěn)定與安全才能被充分的保障[9]。

3.2?設(shè)計(jì)因素

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上需要滿足基坑強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性等方面的要求，適當(dāng)?shù)卦龃髧o(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，對(duì)支撐施加預(yù)應(yīng)力，可以減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，降低基坑周圍地表沉降。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度滿足基坑設(shè)計(jì)要求時(shí)，在一定范圍內(nèi)增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度也可以很好地限制基坑的變形和坑底土體的隆起。

3.3?施工因素

施工因素對(duì)基坑變形的影響主要來(lái)自時(shí)空效應(yīng)，基坑的開(kāi)挖面積、深度以及形狀與基坑的空間作用有著密切的關(guān)系。土體的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系曲線會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生變化，即土體的蠕變性。在基坑工程開(kāi)挖的過(guò)程中，減小無(wú)支撐暴漏時(shí)間可以使圍護(hù)結(jié)構(gòu)起到很好的擋土作用，限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。在實(shí)際施工的過(guò)程中，為了有效地限制基坑的變形和保證基坑的穩(wěn)定，要做到基坑分層、分段開(kāi)挖且隨挖隨撐。

4?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)地鐵深基坑工程開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、基坑底部隆起、基坑周圍地表沉降這3種變形規(guī)律及變形機(jī)理的研究分析，可以在施工過(guò)程中準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)基坑變形的趨勢(shì)，提前通過(guò)設(shè)計(jì)和施工兩方面有效合理地控制基坑的變形，確保工程安全順利進(jìn)行。

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