軟土地鐵基坑安全監(jiān)控指標(biāo)體系研究

張 君（上海三維工程建設(shè)咨詢有限公司， 上海 200060）

1 概 述

1.1 工程指標(biāo)體系的重要性

地鐵施工處于城市環(huán)境中，其地質(zhì)條件和周邊環(huán)境復(fù)雜，施工方法較難模擬，因而人們對地鐵施工的工況研究及理論分析結(jié)果很難與實(shí)際情況完全相吻合。為了確?；庸こ淌┕みM(jìn)展平順，有效實(shí)施安全監(jiān)控，避免發(fā)生安全事故，建立一個定量化的預(yù)報(bào)警指標(biāo)體系尤為重要。

基坑工程指標(biāo)體系的建立，是指在基坑施工動態(tài)下，通過監(jiān)測一些項(xiàng)目，采集不同階段的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)的變化情況，并設(shè)定相應(yīng)的定量化警示值。若量測值在其規(guī)定范圍，則表示基坑狀態(tài)是正常的、安全的，周圍環(huán)境也處于正常狀態(tài)；反之，若超出警戒值，則表示有可能會發(fā)生安全事故。

工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，既能反映施工方法對工程的適用性，也能用來判斷工程風(fēng)險(xiǎn)狀況。在監(jiān)測中，一般將設(shè)計(jì)給定值設(shè)定為監(jiān)測指標(biāo)警戒值，以此作為安全警戒值的理論依據(jù)。這種定值方法雖然明確、簡單，但多個工程實(shí)例表明，規(guī)范和規(guī)程所規(guī)定的指標(biāo)控制值較小、標(biāo)準(zhǔn)值偏高，在實(shí)際監(jiān)控量測過程中可執(zhí)行性差，量測結(jié)果超過警戒值的情況非常普遍，也就不能有效地對基坑施工進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管理。為了解決這一矛盾，有必要引入咨詢指標(biāo)值作為參照。咨詢指標(biāo)值源自對規(guī)范施工和安全性評判的綜合考慮和對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的深度挖掘，其數(shù)值在總體上要比設(shè)計(jì)給定的指標(biāo)值略大。

1.2 研究現(xiàn)狀

許多國內(nèi)外學(xué)者和研究人員運(yùn)用理論和實(shí)測等多種方法與手段，在地鐵隧道和基坑的風(fēng)險(xiǎn)分析與評估方面做出了一定的貢獻(xiàn)，取得了許多成果。例如：制定風(fēng)險(xiǎn)評估方法，通過現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行驗(yàn)證，提出安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)管控體系及采取相應(yīng)的措施；運(yùn)用理論和數(shù)值等方法與實(shí)測值進(jìn)行對比檢驗(yàn)，給出在風(fēng)險(xiǎn)的定量分析上以及控制方面的一些建議；等等。

1.3 制定原則

（1）根據(jù)基坑跨度、設(shè)計(jì)深度及地質(zhì)與環(huán)境條件等諸多因素進(jìn)行綜合考慮。

（2）基于規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

（3）考慮施工水平的影響，借鑒已完成的同類工程經(jīng)驗(yàn)。

1.4 研究內(nèi)容

（1）基坑本體支護(hù)結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)。圍護(hù)墻：墻頂?shù)呢Q向位移和水平位移。支撐：軸力日變化量和變化速率。

（2）周邊環(huán)境控制指標(biāo)。地表沉降：沉降量和沉降速率。建（構(gòu)）筑物沉降：沉降量、沉降速率和傾斜度。地下管線：位移和沉降。地下水位：變化量和變化速率。

2 指標(biāo)值的制定

2.1 具體步驟

（1）收集和比較相關(guān)規(guī)范和規(guī)程。以國家及地區(qū)的規(guī)范和規(guī)程作為研究的理論基礎(chǔ)，對基坑、周邊建筑物及周邊管線的安全控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的監(jiān)測指標(biāo)警戒值進(jìn)行比較和歸納。

（2）調(diào)研和總結(jié)類似工程經(jīng)驗(yàn)。調(diào)研類似基坑工程的相關(guān)案例，總結(jié)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的影響因素，分析監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化與安全風(fēng)險(xiǎn)狀況的關(guān)系。

（3）咨詢值的形成。運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，對基坑施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類；結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，分析數(shù)值變化特征，研究基坑變形將到達(dá)的安全邊界，并設(shè)定此時該變形指標(biāo)的警戒值，形成安全監(jiān)控指標(biāo)體系咨詢值方案。

2.2 安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值的形成

經(jīng)過以上步驟，建立本套基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值。具體如表 1～表 3 所示。

表1 基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)體系的監(jiān)測結(jié)果

表2 基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)體系的評定指標(biāo)

表3 基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)體系的咨詢值

3 指標(biāo)體系咨詢值的驗(yàn)證

指標(biāo)體系咨詢值的驗(yàn)證步驟：制定監(jiān)測項(xiàng)目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表格，收集施工過程中不同時期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)歸類、分析，研究墻體測斜、地表沉降、管線、支撐軸力等數(shù)據(jù)的變化，繪制變化曲線，分析不同指標(biāo)之間的關(guān)系；通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析，選用模擬軟件，建立基坑的受力模型，分析基坑位移及墻體內(nèi)力等變形情況，并與實(shí)測數(shù)據(jù)比對，驗(yàn)證前文建立的指標(biāo)值。

3.1 工程案例分析

3.1.1 工程概況

江蘇無錫軌道交通1號線新光路站車站主體長 200.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬 19.20 m。頂板覆土 3 m，底板厚度 1 m，埋深15.91 m～17.61 m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑埋深16.7 m，采用明挖法施工工藝。圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式為地下連續(xù)墻，墻厚 800 mm。標(biāo)準(zhǔn)段共設(shè)置4道支撐并加設(shè) 1 道換撐，第一道采用 800 mm×800 mm 混凝土撐，其余 3 道加 1 道換撐，使用 Φ609 鋼管支撐，壁厚 t＝16 mm?；幼冃慰刂票Ｗo(hù)等級為一級。

（1）地形地貌。地貌單元屬太湖流域沖湖積平原。區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度大。范圍內(nèi)地層分布較穩(wěn)定，為中軟土。在勘察深度范圍內(nèi)可劃分成 8 個工程地質(zhì)層和 17 個工程地質(zhì)亞層。

（2）地基水文情況。地表水：無錫地表水系發(fā)育旺盛，屬太湖水系，常年水位（黃海標(biāo)高）為 1.40 m～1.70 m，年變幅約 1.0 m，并受人控制，百年一遇洪水位達(dá)3.82 m。地下水：在場地深度范圍內(nèi)分淺層含水層、淺層承壓水層和深層承壓水層。

3.1.2 墻體水平位移

基坑開挖過程中墻體的最大水平位移，如圖 1 所示。累計(jì)位移值均未超過警戒值，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后可知測點(diǎn)最大水平位移值約是 1.87‰ 倍的基坑開挖深度，發(fā)生墻體最大水平位移的位置約在 0.85 H 處。

圖1 墻體最大水平位移統(tǒng)計(jì)圖

3.1.3 地表沉降

基坑開挖過程中各監(jiān)測斷面最大地表沉降，如圖 2 所示。共有 5 個測點(diǎn)累計(jì)最大位移大于警戒值，最大沉降（D03-3）達(dá)到 －67.23 mm，各監(jiān)測斷面最大沉降量約為開挖深度的 0.5‰～4‰。

圖2 各監(jiān)測斷面最大地表沉降統(tǒng)計(jì)圖

由圖 3 可知，距基坑水平距離約 17 m 處，地表易出現(xiàn)最大沉降，此距離與基坑開挖深度大致相等。

圖3 最大地表沉降與基坑相對位置關(guān)系圖

圖4 揭示了基坑墻體最大水平位移與最大地表沉降的相對關(guān)系，除了 CXD09 斷面墻體最大水平位移遠(yuǎn)超地表沉降量以外，其余各監(jiān)測斷面墻體水平位移 與墻后地表沉降大致相等，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后可得出 。

圖4 最大水平位移與最大地表沉降關(guān)系圖

為了研究工程影響區(qū)表面基坑施工對周邊巖土體及環(huán)境的影響程度及影響范圍，可以對受施工影響的區(qū)域?qū)嵤┯行ПO(jiān)測，在把控施工風(fēng)險(xiǎn)的同時做到經(jīng)濟(jì)合理。選取實(shí)測地表沉降點(diǎn) D11、D12 和 D17，對監(jiān)測斷面上各沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出此基坑的影響區(qū)范圍為 38 m，約為基坑開挖深度的 2.4 倍。

3.1.4 支撐軸力分析

警戒值為設(shè)計(jì)軸力值的 80%，由實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有 21% 的軸力實(shí)測值超過警戒值，平均支撐軸力值為警戒值的 70.1%。

3.1.5 地下管線分析

運(yùn)用監(jiān)測數(shù)據(jù)，對在工程施工階段沉降累計(jì)值最大及超過允許曲率半徑的管線監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，結(jié)果表明：管子變形曲率半徑超過允許曲率半徑，其累計(jì)沉降值小，未超過指標(biāo)值；管子沉降累計(jì)值最大，超過指標(biāo)值，但其變形曲率半徑未超過允許曲率半徑，沉降均勻。

3.2 基坑模擬計(jì)算分析

3.2.1 基坑工程數(shù)值分析中的常用土體本構(gòu)模型

通過數(shù)值分析法分析基坑工程的受力情況，是基坑工程研究的重要方法之一，常用的基坑開挖計(jì)算分析方法有規(guī)范公式計(jì)算取值、彈性抗力法和有限元法。在基坑工程數(shù)值分析中，土體本構(gòu)模型的選取及其參數(shù)的確定會對基坑工程數(shù)值分析的結(jié)果產(chǎn)生重要影響，目前雖然本構(gòu)模型的數(shù)量較多，但還沒有出現(xiàn)能夠模擬土體一切特性的萬能本構(gòu)模型，因而在基坑工程的計(jì)算分析中還需要根據(jù)土體的特性及實(shí)際的應(yīng)力路徑來確定。對于參數(shù)的確定，如果采用復(fù)雜的本構(gòu)模型，會增加參數(shù)確定的難度，因而需要進(jìn)行高精度的室內(nèi)試驗(yàn)和原位測試。

3.2.2 土體本構(gòu)模型及其參數(shù)確定

目前大多數(shù)的本構(gòu)模型以數(shù)學(xué)表達(dá)式方式體現(xiàn)。在巖土工程有限元的分析中，基于應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型及其參數(shù)多建立在三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參數(shù)的選取對數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果非常重要。因此，有必要選用合理的本構(gòu)模型，將合理的參數(shù)應(yīng)用于本地鐵車站的基坑工程數(shù)值模擬中，以獲得正確的結(jié)論，指導(dǎo)施工單位合理施工。

考慮到基坑土體的收縮回彈特性，采取土體的硬化模型進(jìn)行建模分析，各參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙取得。

3.2.3 模擬計(jì)算

運(yùn)用 Plaxis 軟件，建立平面受力模型，將實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元模擬分析結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)地堪資料取得本基坑土體參數(shù)，由軟件計(jì)算出基坑開挖后的地下連續(xù)墻橫向位移、樁頂沉降和墻體軸力等。通過建模分析，證實(shí)本基坑開挖后的變形滿足安全控制要求。

3.3 模擬計(jì)算和實(shí)測數(shù)據(jù)的分析對比

3.3.1 深層水平位移

圖5 為基坑開挖底板時墻體深層水平位移變化實(shí)測值與模擬計(jì)算值的比較結(jié)果，圖線的變化趨勢基本吻合，實(shí)測水平位移最大值為 44 mm，模擬計(jì)算墻體最大水平位移為 38.21 mm。

圖5 深層水平位移模擬計(jì)算和實(shí)測結(jié)果對比圖

3.3.2 軸力值

實(shí)測支撐最大軸力為 1 677.29 kN。按目前較為普遍的測試結(jié)果，圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐軸力的實(shí)測值往往超過設(shè)計(jì)預(yù)警值，甚至達(dá)到設(shè)計(jì)值的數(shù)倍之多，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)失去了指導(dǎo)工程施工及驗(yàn)證設(shè)計(jì)的作用。究其原因主要有以下 3個方面。

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及支撐自重產(chǎn)生彎矩。支撐存在彎矩，導(dǎo)致同一截面鋼筋受力不均，實(shí)測值結(jié)果偏大。

（2）混凝土的漸變。在長時間的外力作用下，混凝土結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)漸變過程，而鋼筋不會。因此，混凝土的漸變會使鋼筋產(chǎn)生附加應(yīng)力，使實(shí)測值偏大。

（3）溫度的附加應(yīng)力。溫度的改變直接對支撐產(chǎn)生影響，即金屬的熱脹冷縮。當(dāng)溫度上升時，鋼管受熱膨脹，而地下連續(xù)墻會約束其變形，導(dǎo)致支撐受力增加。同時鋼筋的熱膨脹系數(shù)大于混凝土，更進(jìn)一步加劇了測試結(jié)果的偏高。

在實(shí)際施工過程中，支撐軸力受諸多非荷載因素的影響，導(dǎo)致實(shí)測值大幅度超過設(shè)計(jì)值。而數(shù)值模擬往往是在未考慮上述非荷載因素的理想狀態(tài)下進(jìn)行的，因而模擬結(jié)果通常會比實(shí)測結(jié)果小得多?？梢哉J(rèn)為，模擬結(jié)果準(zhǔn)確客觀地反映了支護(hù)體系的安全狀況，未出現(xiàn)因軸力測試結(jié)果偏大而出現(xiàn)不可控風(fēng)險(xiǎn)，基坑整體仍處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論與展望

（1）由基坑施工監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示基坑位移基本在警戒值內(nèi)，地表沉降最大的位置大致在與基坑開挖深度相等的地方，各指標(biāo)實(shí)測值與咨詢值方案預(yù)設(shè)基本吻合。通過計(jì)算機(jī)軟件輔助模擬基坑受力分析，基坑實(shí)測變形值與模擬情況基本一致。

（2）從內(nèi)力和形態(tài)上看，基坑的變形過程是一個比較復(fù)雜的變化過程，變形程度受到許多因素的影響。本文引入基坑施工安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值，主要是以無錫地鐵1號線新光路站基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，所用的歸納方法及其研究成果雖經(jīng)該地區(qū)實(shí)踐檢驗(yàn)有效，但其局限性和適用性仍有待在其他地區(qū)同類工程施工實(shí)踐中做進(jìn)一步驗(yàn)證。

（3）用 Plaxis 軟件模擬，只進(jìn)行了簡單的建模受力分析，對工程實(shí)測數(shù)據(jù)和軟件模擬分析值之間的對應(yīng)關(guān)系未作進(jìn)一步探討，有待今后通過數(shù)值分析進(jìn)行深入研究。

（4）設(shè)立基坑安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值，既可為工程施工過程中安全監(jiān)控提供依據(jù)，又可對類似的基坑工程進(jìn)行指標(biāo)修正，對指導(dǎo)實(shí)際基坑工程施工具有積極意義。通過深入研究，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)的形式定量化基坑工程的安全狀態(tài)，從而為設(shè)計(jì)人員提供信息反饋，修正后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，從節(jié)能降耗上達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。