地鐵車站基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響研究

摘要：地鐵車站大多數(shù)均位于地下，埋深一般較深，深基坑開挖過程中，不可避免地會(huì)對(duì)周邊構(gòu)造物造成不同程度的影響。以合肥市某地鐵車站為研究對(duì)象，建立了MADAS/GTS有限元模型，比較分析地鐵車站深基坑周邊環(huán)境穩(wěn)定性的影響因素，并分別分析基坑開挖過程中對(duì)周邊構(gòu)造物位移的影響。研究結(jié)果表明，選定合適的鋼支撐位置，及在較為經(jīng)濟(jì)條件下確定支撐樁插入深度，對(duì)于保持深基坑及周邊土體穩(wěn)定性影響重大。在開挖過程中，隨著開挖深度的加深，地下連續(xù)墻同一點(diǎn)的水平位移逐漸增大。地下連續(xù)墻樁體水平位移隨著埋深增大，呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。隨著開挖深度的加深，地表同一點(diǎn)的沉降值逐漸增大。地表沉降值隨著距離基坑邊緣的增大，呈現(xiàn)先上升后降低的變化趨勢(shì)。隨著開挖深度的加深，建筑物的沉降值逐漸增大，但均保持在安全范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：地鐵車站;深基坑;數(shù)值模擬;水平位移;沉降

0" "引言

隨著城市化不斷加快，人口的不斷增多，城市的交通擁堵程度不斷加劇。為了緩解城市的交通壓力，國(guó)內(nèi)大中城市地鐵陸續(xù)修建了多條地鐵。地鐵車站的建設(shè)是地鐵建設(shè)過程中的難題之一。地鐵車站大多數(shù)均位于地下，埋深一般較深，深基坑開挖過程中，不可避免地會(huì)對(duì)周邊構(gòu)造物造成不同程度的影響。

開展地鐵車站深基坑的對(duì)周邊構(gòu)造物研究相當(dāng)重要。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量的學(xué)者做了相關(guān)研究。張亞奎等[1]通過構(gòu)建FLAC3D模型對(duì)深基坑開挖過程進(jìn)行模擬研究，分別闡述了深基坑開挖過程中基坑周圍地面位移、周邊建筑物的沉降變化規(guī)律。胡安峰等[2]以深圳地鐵一號(hào)線為研究對(duì)象，分析研究了基坑開挖過程中周邊地面沉降和建筑物傾斜的原因，并針對(duì)該問題提出了相應(yīng)的解決辦法。朱瑞鈞等[3]通過構(gòu)建深基坑周邊建筑物計(jì)算模型，分析總結(jié)計(jì)算值與實(shí)際值偏差的原因，進(jìn)而提出了影響沉降的主要因素。馬威等[4]通過構(gòu)建ABAQUS深基坑模型，對(duì)比分析影響基坑開挖的因素，研究得出深基坑周圍不同位置建筑物沉降的變化規(guī)律。艾鴻濤等[5]以上海地鐵七號(hào)線為研究對(duì)象，構(gòu)建深基坑開挖模型，分析總結(jié)了周圍地面位移、周邊建筑物的沉降以及鄰近鐵路軌道的沉降規(guī)律。王遠(yuǎn)征等[6]以武漢地鐵二號(hào)線為研究對(duì)象，通過對(duì)地鐵車站深基坑施工階段的劃分，提出了控制周邊建筑物沉降的施工措施。

基于以上學(xué)者的研究可知，深基坑的開挖對(duì)周邊構(gòu)造物造成不同程度的影響，本文將在以上研究的基礎(chǔ)上，以合肥市某地鐵車站為研究載體，建立了MADAS/GTS有限元模型，比較分析地鐵車站深基坑周邊環(huán)境穩(wěn)定性的影響因素，并分別分析基坑開挖過程中對(duì)周邊構(gòu)造物位移的影響。

1" "工程概況

本研究以合肥市某地鐵車站為研究載體。該車站處于道路交叉口地面以下，為雙層島式車站。基坑尺寸為長(zhǎng)202.45m，寬21.3m，最深埋深19.6m，最淺埋深17.3m。基坑支護(hù)采用內(nèi)支撐，基坑頂部采用一道鋼筋混凝土支撐，基坑下部全部為鋼支撐，基地布置長(zhǎng)為23.5m等間距的鉆孔灌注樁。

基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜，臨近基坑西部包括：一棟地面17層、地下1層的建筑物，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土端承型樁基。一棟地面4層、地下1層的精密儀器實(shí)驗(yàn)室，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。4棟6層商業(yè)住宅小區(qū)，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。臨近基坑西南側(cè)有1棟4層的醫(yī)院，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)。

2" "有限元模型的建立

根據(jù)原始工程概況，本研究擬采用MADAS/GTS建立基坑開挖有限元模型分析研究地鐵車站基坑開挖過程。構(gòu)建的模型尺寸為長(zhǎng)330m，寬240m，深58m，其中基坑部分長(zhǎng)為210m，寬為21.3m，深度為18.1m。模型圖和基坑開挖圖如圖1所示。各土層的物理性質(zhì)參數(shù)表1所示。構(gòu)建的基坑模型土層分布從上向下依次為表1中的Ⅰ～Ⅵ。

基坑開挖模擬采用分步開挖，通過設(shè)置使各支撐單元參與工作，布置開挖過程中的各工況如表2所示。

3" "數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

深基坑的開挖易引起土壓力變化，導(dǎo)致附近土體的土壓力驟增，從而引起坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)位移，進(jìn)而導(dǎo)致周圍土體出現(xiàn)下沉或隆起。周圍土體出現(xiàn)下沉或隆起，會(huì)造成周邊建筑物地基產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致周圍建筑物出現(xiàn)開裂、變形等嚴(yán)重質(zhì)量災(zāi)害，對(duì)周邊人的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生很大威脅。本文以坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)、周邊土體和周邊建筑物的沉降和水平位移，來分析深基坑開挖過程對(duì)周邊建筑物的危害。

3.1" "基坑穩(wěn)定性影響分析

3.1.1" "鋼支撐對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響

通過改變第一、二道鋼支撐的位置，分析基坑位移的變化。設(shè)計(jì)了以下3種實(shí)際工況進(jìn)行研究，工況設(shè)計(jì)內(nèi)容如表3所示，向上移動(dòng)為+，向下移動(dòng)為-。

對(duì)3種工況與設(shè)計(jì)工況進(jìn)行模擬分析研究，結(jié)果如圖2所示。對(duì)于工況一，由于兩道支撐同時(shí)上移2m，從而引起上部支撐加強(qiáng)，下部支撐減弱。由模擬結(jié)果可知：上部樁體位移減小趨勢(shì)明顯，下部樁體位移明顯增大，與實(shí)際工況對(duì)比，樁體位移的最大值有所增大，最大值所處的位置有所下移。

對(duì)于工況二，由于兩道支撐同時(shí)下移2m，從而引起上部支撐減弱，下部支撐加強(qiáng)。由模擬結(jié)果可知：上部樁體位移增大趨勢(shì)明顯，下部樁體位移明顯減小，與實(shí)際工況對(duì)比，樁體位移的最大值略有增大，最大值所處的位置有所上移。

對(duì)于工況三，由于第一道鋼支撐上移2m，第二道鋼支撐下降2m，從而引起上下部支撐加強(qiáng)，中間部分缺少支撐。由模擬結(jié)果可知：上下部分樁體位移均增大，與實(shí)際工況對(duì)比，樁體位移的最大值增大明顯，最大值所處的位置有所上移。該種工況對(duì)深基坑穩(wěn)定性最為不利。

由以上3種工況的對(duì)比分析研究可知，鋼支撐處于基坑中不同位置時(shí)，基坑穩(wěn)定性呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，設(shè)計(jì)工況的鋼支撐布置相較于其他3種工況對(duì)基坑穩(wěn)定性是最為有利的。

3.1.2" "支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響

支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑穩(wěn)定性影響的一個(gè)主要因素，就是支護(hù)樁的入土深度。本文通過改變地下連續(xù)墻的入土深度建立模型，來研究支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。構(gòu)建以下3種工況進(jìn)行分析，如表4所示。

對(duì)3種工況與設(shè)計(jì)工況進(jìn)行模擬分析研究，結(jié)果如圖3所示。對(duì)于不同的入土深度，樁體的水平位移隨著樁體入土深度的增大而減小。對(duì)比工況一和設(shè)計(jì)工況，入土深度由22m增加到24m，樁體的水平位移呈現(xiàn)較大幅度的減小，對(duì)土體穩(wěn)定性的效果明顯增強(qiáng)。分析對(duì)比設(shè)計(jì)工況和工況二，入土深度由24m增加到26m，樁體的水平位移呈現(xiàn)較緩的減小，對(duì)增強(qiáng)土體穩(wěn)定性的效果減弱。

分析對(duì)比工況二和工況三，入土深度由26m增加到28m，對(duì)增強(qiáng)土體穩(wěn)定性的效果更低，說明了入土深度在24m以下，入土深度的增加對(duì)周圍土體穩(wěn)定性的作用明顯，經(jīng)濟(jì)性較好。入土深度由24m繼續(xù)增加，對(duì)改變周圍土體穩(wěn)定性的作用不是特別明顯，經(jīng)濟(jì)效益較低。綜合考慮提高土體穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益，將合理的連續(xù)墻入土深度定為24m，即設(shè)計(jì)工況的入土深度。

3.2" "開挖過程計(jì)算結(jié)果分析

由以上對(duì)比分析研究的結(jié)果，鋼支撐的位置和支護(hù)樁均采用設(shè)計(jì)工況，對(duì)增加基坑穩(wěn)定性具有較好的效果。分別在開挖過程中，對(duì)地下連續(xù)墻位移、周邊地表沉降、基地隆起以及周邊建筑物的沉降進(jìn)行分析。開挖1、開挖2、開挖3分別為基坑開挖至7m、12.5m、18m。

3.2.1" "地下連續(xù)墻位移分析

模擬基坑開挖過程，在開挖過程中選取ZQT7觀測(cè)點(diǎn)的水平位移值進(jìn)行分析，得到樁體不同深度水平位移如圖4所示。

對(duì)于開挖1，圍護(hù)樁的水平位移，隨著樁體深度的加深呈現(xiàn)拋物線的變化形態(tài)，在樁體深度為5.5m左右出現(xiàn)最大值，水平位移為5.2mm。由該深度向兩端水平位移值逐漸減小，深度0點(diǎn)的水平位移值最小，位移值為1.2mm。

對(duì)于開挖2，曲線形狀與開挖1相似，但樁體位移值有較大幅度增大，圍護(hù)樁的水平位移最大值出現(xiàn)在深度為11.5m位置處，最大值為16.2mm，由該深度向兩端水平位移值減小的趨勢(shì)較為明顯。這表明鋼支撐起到的作用較大，對(duì)圍護(hù)樁的水平位移起到了較好的抑制作用。在樁頂位置，圍護(hù)樁的水平位移較開挖1更小。在樁底位置處，圍護(hù)樁的水平位移圍為5.1mm，比開挖1大3.7mm。

對(duì)于開挖3，曲線形狀與開挖2相似，但樁體位移值有較大幅度增大，圍護(hù)樁的水平位移最大值出現(xiàn)在深度為14.9m位置處，最大值為25.3mm。在樁頂位置，圍護(hù)樁的水平位移較開挖1變化不大。在樁底位置處，圍護(hù)樁的水平位移為10.8mm，比開挖1大5.7mm。開挖過程中，樁體的水平位移值均保持安全狀態(tài)。

3.2.2" "周邊地表沉降位移分析

模擬基坑開挖過程，在開挖過程中選取ZQT7觀測(cè)點(diǎn)的豎向位移值進(jìn)行分析，得到該點(diǎn)的沉降位移變化如圖5所示。

對(duì)于開挖1，地表沉降值隨著與基坑觀測(cè)邊距離的增大呈現(xiàn)先增大在減小的變化趨勢(shì)，在距離基坑觀測(cè)邊為11.6m處出現(xiàn)最大值，沉降位移為9.6mm。由該深度向兩端沉降位移值逐漸減小，在基坑邊緣位置處最小，沉降位移值為0.5mm。

對(duì)于開挖2，曲線形狀與開挖1相似，但地表沉降位移值有較大幅度增大，地表沉降最大值出現(xiàn)在距離基坑觀測(cè)邊為12.1m處，最大值為14.6mm。由該深度向兩端水平位移值減小的趨勢(shì)較為明顯。在基坑邊緣位置處，地表沉降值與開挖1相同。

對(duì)于開挖3，曲線形狀與開挖2相似，但地表沉降位移值仍有較大幅度增大，地表沉降最大值出現(xiàn)在距離基坑觀測(cè)邊為12.9m處，最大值為20.8mm。開挖過程的地表的沉降位移均處于安全狀態(tài)。

分析認(rèn)為，地表沉降值出現(xiàn)先增大在減小的變化趨勢(shì)，原因在于，基坑開挖引起周圍土體應(yīng)力場(chǎng)大小，由近到遠(yuǎn)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。但靠近連續(xù)墻樁體位置的土體與樁體有一定摩擦，從而限制了土體沉降，進(jìn)而引起地表沉降值呈現(xiàn)先增大在減小的變化趨勢(shì)。

3.2.3" "周邊建筑物沉降位移分析

通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)12、13、20、21在開挖1、2、3階段的沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到如圖6所示的位移變形曲線。由圖6可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的沉降位移值，均隨著開挖深度的增大而增大，均在開挖階段3達(dá)到最大值。監(jiān)測(cè)點(diǎn)12的沉降值始終保持最大，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值極值為10.4mm。監(jiān)測(cè)點(diǎn)13次之，監(jiān)測(cè)點(diǎn)21、20均保持較低的水平。相關(guān)規(guī)范規(guī)定，基坑開挖對(duì)建筑物沉降影響的預(yù)警值為20mm，該基坑開挖均保持在預(yù)警值之下，因而該基坑開挖對(duì)建筑物沉降的影響保持在安全范圍之內(nèi)。

4" "結(jié)論

地鐵車站大多數(shù)均位于地下，埋深一般較深，深基坑開挖過程中，不可避免地會(huì)對(duì)周邊構(gòu)造物造成不同程度的影響。本文以合肥市某地鐵車站為研究對(duì)象，建立了MADAS/GTS有限元模型，比較分析地鐵車站深基坑周邊環(huán)境穩(wěn)定性的影響因素，并分別分析基坑開挖過程中對(duì)周邊構(gòu)造物位移的影響。從文中可得到以下結(jié)論：

鋼支撐的支撐位置和地下連續(xù)墻插入土體深度，是基坑及基坑周圍土體保持穩(wěn)定的重要因素。選定合適的鋼支撐位置以及較為經(jīng)濟(jì)的條件下確定支撐樁插入深度，對(duì)于保持深基坑及周邊土體穩(wěn)定性影響重大。

開挖過程中，隨著開挖深度的加深，地下連續(xù)墻同一點(diǎn)的水平位移逐漸增大，地下連續(xù)墻樁體水平位移隨著埋深的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。隨著開挖深度的加深，地表同一點(diǎn)的沉降值逐漸增大，地表沉降值隨著距離基坑邊緣的增大呈現(xiàn)先上升后降低的變化趨勢(shì)。隨著開挖深度的加深，建筑物的沉降隨值逐漸增大，但均保持在安全范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

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