南昌河流階地內(nèi)地鐵車站基坑變形研究

王 凌，張聲宇，張躍明，蔣亞龍，史策輝，朱碧堂

（1. 廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510010； 2. 華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 江西 南昌 330013；3. 江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心，江西 南昌 330013）

南昌依臨贛江而建， 是典型的河流階地地貌，地層主要為上部黏性土層和下部強透水性砂性土構(gòu)成的二元結(jié)構(gòu)地層。 隨著軌道交通的快速發(fā)展，南昌地鐵車站基坑數(shù)量也隨之增多[1]，大量基坑位于市區(qū)河流階地內(nèi)、周邊環(huán)境復(fù)雜，變形控制和環(huán)境保護往往成為基坑工程成敗的關(guān)鍵[2]。隨著周邊環(huán)境和信息化施工要求的提高以及數(shù)值模擬分析技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值分析方法（如有限元法） 已成為分析結(jié)構(gòu)與土體相互作用，進行位移預(yù)測的主要方法也是最合適的方法[3]。 數(shù)值分析方法可以考慮不規(guī)則加載條件、 分層地基、 復(fù)雜的水文和降止水條件以及支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，但土體本構(gòu)模型及其參數(shù)的選擇是預(yù)測土體和支護結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵因素。

土體小應(yīng)變剛度硬化模型（HSS）為能夠考慮土體硬化特性、區(qū)分加卸載特性且剛度依賴于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑的硬化類彈塑性模型，能較好地預(yù)測基坑圍護結(jié)構(gòu)變形和墻后土體的變形[3－6]，但該模型參數(shù)多，需要高質(zhì)量的試驗或原位監(jiān)測數(shù)據(jù)進行反分析確定。 目前，有關(guān)二元結(jié)構(gòu)地層的HSS 模型研究較少，其適用性及參數(shù)選取方法不成熟，因此有必要對此開展系統(tǒng)性研究。

本文統(tǒng)計分析南昌地鐵車站地層條件及相應(yīng)的車站基坑支護結(jié)構(gòu)形式，將南昌河流階地劃分為兩類典型二元結(jié)構(gòu)地層。 并對具有典型地層特征的南昌地鐵2 號線丁公路南站、1 號線珠江路站和3號線振興大道站基坑工程，采用Plaxis 有限元軟件和HSS 模型進行系統(tǒng)的數(shù)值仿真，通過與實測數(shù)據(jù)對比分析， 驗證HSS 模型在南昌地區(qū)的適用性，并確定適用于南昌典型地層的HSS 模型參數(shù)選取方法。 在此基礎(chǔ)上，研究南昌典型二元結(jié)構(gòu)地層車站基坑變形規(guī)律，為南昌地區(qū)地鐵車站基坑支護標(biāo)準的編制奠定基礎(chǔ)。

1 南昌二元結(jié)構(gòu)地層及地鐵車站基坑支護形式統(tǒng)計

1.1 南昌河流階地地層條件

目前南昌地鐵車站大多位于贛江兩岸和昌東贛江沖積平原內(nèi)，屬典型的河流階地。 統(tǒng)計1～4 號線沿線地勘和室內(nèi)試驗資料，與車站基坑相關(guān)的主要巖土層為上部填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）、第 四 系 上 更 新 統(tǒng) 沖 積 層（Q3al）和 下 臥 基巖。Q4al和Q3al地層均由上部粉質(zhì)黏土或細砂組成的河漫灘堆積物和下部中砂、粗砂和礫砂組成的河床沉積物構(gòu)成，為典型的二元結(jié)構(gòu)地層。 其中，Ⅰ級階地主要以Q4al為主，Ⅱ級階地以Q3al為主，并且兩種地層具有相似的工程力學(xué)特性和水文地質(zhì)特征。 上覆土層厚度約20～30 m， 其中強透水性砂土層厚度約11～20 m。

1.2 南昌二元結(jié)構(gòu)地層水文條件

根據(jù)江西省勘察設(shè)計研究院 （環(huán)境監(jiān)測總站）2008 年南昌老城區(qū)松散巖類地下水監(jiān)測資料[7]，南昌老城區(qū)松散巖內(nèi)地下水位總體上呈西高東低的趨勢，在城東的南昌鋼鐵廠區(qū)由于局部抽水出現(xiàn)一個明顯的漏斗中心， 水位低于其它地段達8～10 m。臨近贛江和撫河水位較高，地下水位受地表水系補排影響，地下水位接近贛江水位14.5～17.5 m（黃海高程）[7]。 考慮季節(jié)性降水量，水位年變幅一般為1～3 m。

1.3 南昌二元結(jié)構(gòu)地層概化地質(zhì)模型

根據(jù)南昌二元結(jié)構(gòu)地層和水文條件，并對南昌地鐵1～4 號線地鐵車站勘察資料的進一步統(tǒng)計分析，南昌二元結(jié)構(gòu)地層可分為兩類典型地層，即Ⅰ類地層上覆土層厚20 余米，地下水位較高，開挖過程中坑內(nèi)需要采取降水措施，支護系統(tǒng)需設(shè)置止水措施，隔離坑內(nèi)與坑外的水力聯(lián)系；Ⅱ類地層上覆土層厚30 余米，地勢較高，地下水位埋深大，坑內(nèi)不需降水或僅需少量降水。

1.4 南昌二元地層典型土層參數(shù)

通過南昌地鐵1～4 號線沿線工程地質(zhì)資料的統(tǒng)計分析， 南昌河流Ⅰ級和Ⅱ級階地的物理力學(xué)參數(shù)變化范圍列于表1。 對于砂層，由于缺少固結(jié)試驗數(shù)據(jù)，表1 按E0=1.5 N 估算了土體變形模量。對于泥質(zhì)粉砂巖， 其變形模量采用國際上較通用的巖石分類指標(biāo)——地質(zhì)強度指數(shù)進行了估算[8]。在沒有試驗情況下，可參照該表選用南昌各土層物理力學(xué)參數(shù)。

表1 南昌地鐵車站土層室內(nèi)和現(xiàn)場測試參數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of laboratory and field-testing results for soils in Nanchang Metro Stations

地下2 層車站一般設(shè)置3 道支撐，第1 道支撐采用鋼筋混凝土支撐， 第2 道～第3 道支撐多采用鋼管支撐， 鋼管尺寸為Φ609×16 mm， 少數(shù)采用Φ800×16 mm。 鋼支撐豎向間距為4～6 m，水平間距為3～5 m。 地下3 層或換乘站設(shè)置3～4 道鋼筋混凝土支撐或第1 道采用鋼筋混凝土支撐， 其余采用Φ609×16 mm 或Φ800×16 mm 鋼管支撐，見表2。

表2 南昌地鐵典型車站基坑開挖支護形式Tab.2 The retaining structures for deep excavations of Nanchang metro stations

2 支護結(jié)構(gòu)變形分析

2.1 HSS 土體模型

Burland[9]研究指出，在極小應(yīng)變條件下，土體剛度近似為常數(shù)，然后隨著應(yīng)變的增長而降低；當(dāng)接近破壞時，土體剛度較小。Atkinson 和Sallfors[10]進一步給出了不同結(jié)構(gòu)物對應(yīng)的常規(guī)土體應(yīng)變范圍和土體剪切剛度隨剪切應(yīng)變增加而降低的“S”形曲線（如圖1）[11]。 對于鄰近基坑受開挖影響強烈的區(qū)域，土體應(yīng)變可達10-3或更大，剛度小，可采用常規(guī)土體變形模量進行分析；離基坑較遠、受開挖影響小的區(qū)域， 應(yīng)變會小于10-4， 土體剛度屬于小應(yīng)變剛度，宜采用動力學(xué)法確定。

圖1 土體剛度-應(yīng)變特性及其常用測試方法[11]Fig.1 Characteristic stiffness-strain behavior of soil with typical strain ranges for laboratory tests and structures[11]

在現(xiàn)有土體模型中，HSS 模型能較好地反映上述土體剛度隨應(yīng)變增大而衰減的特性[12]。 HSS 模型是Benz[13]在HS 模型的基礎(chǔ)上引入小應(yīng)變剛度的概念而得到的。 該模型能夠考慮壓縮硬化、卸載回彈和小應(yīng)變剛度等。

2.2 HSS 土體模型參數(shù)的確定

HSS 模型包含13 個模型參數(shù)（如表3），其中黏性土的c′，φ′和Eoedref可通過室內(nèi)常規(guī)試驗直接得到，其它參數(shù)需要通過復(fù)雜的三軸試驗或經(jīng)驗方法得到。對于砂土，《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》[14]建議采用下式估算內(nèi)摩擦角

表3 土體HSS 模型參數(shù)Tab.3 Soil parameters for HSS model

式中：N 為經(jīng)桿長修正后的標(biāo)貫擊數(shù)。

對于砂土變形模量E50ref，Callanan 和Kulhawy[15]建議如下

此外，E50ref亦可根據(jù)E50ref與Eoedref之間的經(jīng)驗關(guān)系確定，如Brinkgreve 和Broere[11]建議E50ref≈Eoedref，王衛(wèi)東等[16]針對上海土層建議的E50ref與Eoedref相關(guān)關(guān)系如表4。 對于Eurref，一般可?。?～3）E50ref，黏土取大值，砂土取小值。 其它參數(shù)的經(jīng)驗選取方法如下：

表4 E50ref 與Eoedref 的參考經(jīng)驗關(guān)系Tab.4 The correlations between E50refand Eoedref

1） 剪脹角ψ：黏性土一般取零，砂土取φ′－30°但不小于零[9，16]；

2） m 值：黏性土取0.5～1，砂土和粉土取0.5[14]；

3） γ0.7：一般可?。?～4）×10-4[11]，砂土取小值，黏性土取大值；

4） 土體初始剪切模量G0ref理論上可采用下式計算

式中：ρ 為土體密度；Vs為土體剪切波速。 在無詳勘條件下，南昌土層ρ 和Vs值可參考表1。 值得說明的是，由于原位測試得到的土體剪切波速影響因素多，采用室內(nèi)彎曲元和共振柱試驗得到的剪切波速相對較為準確，但也存在試樣擾動問題。

上述HSS 模型參數(shù)的選取方法，主要來源于各地的經(jīng)驗總結(jié)， 與地域和巖土工程的實踐水平有關(guān)，其在二元結(jié)構(gòu)地層中的適用性，需通過室內(nèi)試驗或本地的原位監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析論證。 本文在上述經(jīng)驗公式基礎(chǔ)上，通過原位監(jiān)測數(shù)據(jù)進行反分析和甄選，確定適用于南昌地區(qū)典型二元地層的HSS模型參數(shù)選取方法。

2.3 典型車站基坑反分析

2.3.1 Ⅰ類地層——丁公路南站

下面以贛江河流Ⅱ級階地內(nèi)典型車站——南昌地鐵2 號線丁公路南站為例，通過實測基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的對比分析，確定HSS 模型參數(shù)的選取方法。 丁公路南站為典型的地下兩層標(biāo)準車站，上覆土層厚度約22.7 m，為典型的Ⅰ類二元結(jié)構(gòu)地層，其平面分布如圖2 所示。 車站采用明挖順筑法施工主體結(jié)構(gòu)，基坑總長196.4 m，標(biāo)準段基坑寬度為21.7 m，基坑開挖深度為17.8 m，西側(cè)端頭井基坑開挖深度為18.88 m， 東側(cè)端頭井基坑深度為18.48 m。圖2 中DB 為基坑周邊地表沉降監(jiān)測點，ZQT 為支護墻體側(cè)向變形監(jiān)測孔。

圖2 丁公路南站基坑平面圖及監(jiān)測布置示意圖Fig.2 Plan view and monitoring points of deep excavation for South Dinggong Road Station

車站基坑標(biāo)準段橫剖面及其土層分布與支護結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3。 基坑支護結(jié)構(gòu)深度內(nèi)的土層從上向下依次為填土、粉質(zhì)黏土、細砂、粗砂、圓礫、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖以及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。 圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護系統(tǒng)，地連墻厚800 mm，混凝土等級為C35。 車站標(biāo)準段基坑豎向設(shè)3 道支撐， 第1 道采用800 mm×1 000 mm 鋼筋混凝土（C30） 支撐， 支撐間距約9 m； 第2、3 道鋼支撐Ф800（t=16 mm），水平間距約3 m。

圖3 丁公路南站標(biāo)準段基坑橫剖圖Fig.3 Standard Cross Section of Deep Excavation of South Dinggong Road Station

采用Plaxis 有限元軟件對基坑標(biāo)準段開挖支護進行數(shù)值模擬分析，有限元模型尺寸為200 m×40 m（寬×深）， 采用標(biāo)準的邊界條件 （即兩側(cè)為水平約束、底面為水平和豎向約束），計算模型如圖4。

圖4 基坑標(biāo)準段Plaxis 模型Fig.4 Plaxis model of standard section

基坑北側(cè)考慮車輛和臨時堆載， 取地面超載20 kPa；南側(cè)靠近基坑取20 kPa 超載，7.4 m外為樓房超載45 kPa。 土體模擬HSS 模型，強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖采用摩爾-庫倫模型進行模擬。 土體HSS 模型參數(shù)按照表5 所列方法選取，相應(yīng)的E50ref，Eoedref，Eurref和G0ref值如表6。 對于支護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻、鋼筋混凝土支撐和鋼支撐， 分別采用板單元和點對點錨桿單元模擬，具體參數(shù)見表7。 在開挖模擬過程中，設(shè)置坑內(nèi)水位線位于開挖面以下0.5 m，坑外為地面下3.5 m， 通過穩(wěn)態(tài)滲流形成孔隙水壓力場。

表5 土體HSS 模型參數(shù)取值方法Tab.5 Soil parameters for HSS model

表6 各層土HSS 模型參數(shù)取值Tab.6 Parameters of HSS model for soil strata MPa

表7 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.7 Parameters of supporting structure

在基坑開挖過程中，采用測斜管對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和地面沉降進行了監(jiān)測（圖2），現(xiàn)取典型沉降監(jiān)測點DB12 和DB29、 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形孔ZQT7 和ZQT20 所處斷面，分析基坑的變形規(guī)律。圖5 和圖6 為分別采用HSS 模型和M-C 模型模擬至最終開挖步計算所得墻體側(cè)向變形及地表沉降與實測數(shù)據(jù)的對比。 為了考察土體變形模量對支護結(jié)構(gòu)和土體變形的影響，HSS 模型計算時分別采用了E50ref=1.0N 和1.5N（MPa)。 由圖可見，采用HSS 模型和E50ref=1.5N 計算所得墻體變形與實測結(jié)果吻合很好，最大側(cè)向變形相差在10%以內(nèi)，而M-C 模型預(yù)測的側(cè)向變形偏小，HSS 模型和E50ref=1.0N 計算所得墻體變形稍有偏大。 并且，HSS 模型比M-C 模型計算所得最大側(cè)向變形位置與實測最大側(cè)向變形位置更吻合，接近開挖面附近。

圖5 丁公路南站計算與實測圍護結(jié)構(gòu)變形對比Fig.5 Comparison between calculated and measured deflection of retaining wall of South Dinggong Road Station

圖6 丁公路南站計算與實測地表沉降對比Fig.6 Comparison between calculated and measured surface settlement of South Dinggong Road Metro Station

對于周邊土體沉降，盡管最后存活的有效沉降點數(shù)偏少，HSS 模型和E50ref=1.5N 計算結(jié)果比M-C模型、HSS 模型和E50ref=1.0N 更接近于實測土體沉降。 因此， 對于南昌贛江河流Ⅱ級階地內(nèi)的基坑開挖，采用HSS 模型和E50ref=1.5N 能較好地預(yù)測圍護結(jié)構(gòu)變形和地面沉降，其它參數(shù)選取方法如表5。

考察不同開挖階段基坑兩側(cè)最大側(cè)向變形和最大沉降，列入表8。 除了第一個懸臂開挖步外，其余開挖階段最大側(cè)向變形與開挖深度的比值δh,max/H=0.09%～0.12%，最大沉降與開挖深度的比值δv,max/H=0.06%～0.09%；最大沉降與最大側(cè)向變形的比值δv,max/δh,max=0.56～0.76。

表8 不同開挖階段基坑最大變形Tab.8 Maximum deformation at various excavation stages

2.3.2 Ⅰ類地層——珠江路站

為了驗證丁公路南站基坑變形分析時所采用HSS 模型參數(shù)（表5）的適用性，下面對南昌地鐵1號線珠江路站基坑進行實測與預(yù)測結(jié)果對比分析。珠江路站贛江河流Ⅰ級階地內(nèi)的為典型地下兩層標(biāo)準車站，上覆土層厚度約19 m，屬于前述Ⅰ類二元結(jié)構(gòu)地層。

圖7 給出了分別采用HSS 模型和M-C 模型模擬至最終開挖步計算所得墻體側(cè)向變形及地表沉降與實測數(shù)據(jù)的對比。 由圖可見，采用HSS 模型和砂土E50ref=1.5N 計算所得墻體變形、地表沉降與實測結(jié)果吻合較好，最大側(cè)向變形和沉降誤差在20%以內(nèi)， 而M-C 模型預(yù)測的側(cè)向變形偏大、 沉降偏小。 因此，采用HSS 模型和砂土E50ref=1.5N 能較好地預(yù)測I 類土層基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形和地面沉降。

圖7 珠江路站計算與實測結(jié)果對比Fig.7 Comparison of prediction and measured data for Zhujiang Road Metro Station excavation

采用HSS 模型和砂土E50ref=1.5N， 考察不同開挖階段基坑兩側(cè)最大側(cè)向變形和最大沉降，列入表9。 除了第一個懸臂開挖步外，其余開挖階段最大側(cè)向變形與開挖深度的比值δh,max/H=0.09%～0.11%，最大沉降與開挖深度的比值δv,max/H=0.06%～0.08%；最大沉降與最大側(cè)向變形的比值δv,max/δh,max=0.58～0.8。 結(jié)果與丁公路南站非常接近。

表9 不同開挖階段基坑南側(cè)最大變形(珠江路站)Tab.9 Maximum deformation at of south side of various excavation stages

2.3.3 Ⅱ類地層——振興大道站

為了考察上述HSS 模型參數(shù)（表5）在Ⅱ類二元結(jié)構(gòu)地層的適用性，下面對南昌地鐵3 號線振興大道站進行實測與預(yù)測結(jié)果對比分析。 振興大道站為典型的地下兩層標(biāo)準車站， 上覆土層厚度達30余米，開挖期間實測穩(wěn)定水位位于19.51 m 高程，處于最終開挖面以下，屬前述Ⅱ類二元結(jié)構(gòu)地層。

圖8 給出了分別采用HSS 模型和M-C 模型模擬至最終開挖步計算所得墻體側(cè)向變形及地表沉降與實測數(shù)據(jù)的對比。 值得說明的是，圖中實測側(cè)向變形和沉降來自于不同的監(jiān)測斷面。 由圖可見，采用HSS 模型和E50ref=1.5N 計算所得墻體變形與實測結(jié)果吻合較好， 而M-C 模型預(yù)測的側(cè)向變形偏大、地表沉降偏小。 并且HSS 模型和E50ref=1.5N計算所得最大側(cè)向變形位置與實測最大側(cè)向變形位置更吻合，接近開挖面附近。

圖8 振興大道站計算與實測變形對比Fig.8 Comparison of prediction and measured data for Zhenxing Ave Metro Station

考察不同開挖階段基坑兩側(cè)最大側(cè)向變形和最大沉降，列入表10。除了第一個懸臂開挖步外，其余開挖階段最大側(cè)向變形與開挖深度的比值δh,max/H=0.05%～0.09%，最大沉降與開挖深度的比值δv,max/H=0.03%～0.05%；最大沉降與最大側(cè)向變形的比值δv,max/δh,max=0.51～0.61。

表10 不同開挖階段基坑最大變形Tab.10 Maximum deformation at various excavation stages

3 南昌基坑變形規(guī)律統(tǒng)計分析

除第一步懸臂開挖外， 將表8～表10 中圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形和地表最大沉降與開挖深度關(guān)系繪于圖9， 最大沉降與最大側(cè)向變形關(guān)系繪于圖10，圖中還包括艾溪湖明挖隧道、丁公路南站、珠江路站、雅苑路站等典型基坑的實測數(shù)據(jù)。 由圖可見：

圖9 基坑變形與開挖深度的關(guān)系Fig.9 Relationship between deformation and excavation depth

圖10 最大沉降與最大側(cè)移的關(guān)系Fig.10 Ratio between maximum settlement and maximum wall deflection

1） 最大側(cè)向變形隨開挖深度增加而增大，最大側(cè)向變形與開挖深度的比值δh,max/H=0.05%～0.12%，平均值為0.08%。 對于Ⅰ類地層，取大值；對于Ⅱ類地層，取小值。 上述結(jié)果小于上海軟土地區(qū)一級基坑圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移標(biāo)準（0.18%H）[17]；

2） 基坑周邊沉降隨開挖深度增加而增大，最大沉降與開挖深度的比值δv,max/H=0.03%～0.10%，平均值為0.07%。對于Ⅰ類地層，取大值；對于Ⅱ類地層，取小值。 上述結(jié)果小于上海軟土地區(qū)一級基坑地表最大沉降控制標(biāo)準（0.15%H）[17]；

3） 最大沉降與最大側(cè)向變形的比值δv,max/δh,max=0.45～1.4。 實測δv,max/δh,max變化范圍較大，而數(shù)值計算結(jié)果接近δv,max/δh,max=0.75。

4 結(jié)論

在統(tǒng)計分析1～4 號線南昌地鐵車站河流階地地質(zhì)和水文條件以及車站基坑支護形式基礎(chǔ)上，將典型贛江沖積平原內(nèi)的二元結(jié)構(gòu)地層概化為兩類，分別為上覆土層20 余米、 地下水位高的Ⅰ類地層和上覆土層30 余米、水位埋深大的Ⅱ類地層。 本文以Ⅰ類地層內(nèi)的丁公路南站和珠江路站基坑、Ⅱ類地層內(nèi)的振興大道站基坑為例，通過有限元數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)的對比分析，得出如下結(jié)論：

1） 基于HSS 模型的有限元數(shù)值分析以及砂土變形模量E50ref=1.5N 可以很好地預(yù)測南昌二元結(jié)構(gòu)地層（包括Ⅰ類和Ⅱ類）的基坑支護結(jié)構(gòu)和土體變形，預(yù)測與實測的變形誤差在20%以內(nèi)。

2） 對于南昌二元結(jié)構(gòu)地層內(nèi)的地鐵車站基坑，最大側(cè)向變形和最大地面沉降與開挖深度的關(guān)系分別為δh,max/H=0.05%～0.12%，δv,max/H=0.03%～0.10%，最大沉降與最大側(cè)移大致滿足δv,max/δh,max=0.45～1.4。對于Ⅰ類地層，取大值；對于Ⅱ類地層，取小值。 上述最大圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和地表沉降均小于上海軟土地區(qū)一級基坑的變形控制標(biāo)準。