地鐵車站基坑開挖變形數(shù)值模擬與監(jiān)測結(jié)果分析

薛玨

摘要：以某地鐵車站深基坑為研究對象，通過數(shù)值軟件建立三維基坑模型，對施工過程中地鐵車站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和基坑沉降進(jìn)行研究。同時(shí)，將數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，獲得了圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形規(guī)律和基坑沉降規(guī)律。研究表明，基坑圍護(hù)樁水平位移沿著樁體埋深方向先增大，并在0.55倍最大開挖深度時(shí)達(dá)到最大值，隨后迅速減小直至趨于穩(wěn)定，圍護(hù)樁水平變化總體呈“弓”形分布。此外，基坑沉降量的變化與基坑距離大小存在一定的相關(guān)性，隨基坑距離的增大大致呈現(xiàn)類拋物線分布，并基本在0.6倍基坑開挖深度時(shí)，沉降量最大。

關(guān)鍵詞：地鐵車站基坑；數(shù)值模擬；軟土地基；沉降變形

0? ?引言

軟土具有很弱的固結(jié)性和可壓縮性，其承載能力很低，因此當(dāng)?shù)罔F車站在軟土地基上進(jìn)行開挖時(shí)，會(huì)使軟土產(chǎn)生很大的變形和壓縮。這些變形和壓縮會(huì)引起地面沉降、地面裂縫、建筑物的傾斜等問題，嚴(yán)重影響地鐵車站的安全和使用[3]。因此，對軟土地基開挖變形理論的研究對于地鐵車站的設(shè)計(jì)、施工和使用具有非常重要的意義。

目前，針對軟土地基開挖變形理論研究方面，不少學(xué)者已經(jīng)做出了很多有價(jià)值的探索和研究[4]。在土體力學(xué)性質(zhì)方面，一般借助直剪儀、全自動(dòng)三軸儀等相關(guān)設(shè)備，通過強(qiáng)度試驗(yàn)研究軟土的力學(xué)性質(zhì)，為開挖變形的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持[5]。在地下結(jié)構(gòu)相互作用方面，主要通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究地下結(jié)構(gòu)與軟土地基之間的相互作用，分析地下結(jié)構(gòu)與軟土地基之間的相互作用機(jī)理，以便制定相應(yīng)的開挖方案和防治措施，減少地下結(jié)構(gòu)對軟土地基開挖變形的影響[6]。

不少研究成果已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地鐵車站的建設(shè)和使用，但目前的研究多數(shù)是針對單一因素的研究[7]，對于多因素共同作用的情況研究還不夠充分，難以滿足地鐵車站基坑開挖的安全性要求和可持續(xù)使用[8]。

基于此，本文以某地地鐵車站深基坑為背景，借助仿真模擬軟件，對深基坑的變形與沉降進(jìn)行計(jì)算，并與其在實(shí)際工程中支護(hù)和開挖過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以為軟土深基坑的安全開挖與建設(shè)提供一定的指導(dǎo)。

1? ?工程概況

本文所研究的地鐵車站基坑位于某市濱湖區(qū)域，當(dāng)?shù)氐貏菘傮w較為平坦，其中北部為丘陵地貌，南部為平原地貌，地表高程平均為4.1m左右。

根據(jù)勘察設(shè)計(jì)報(bào)告提供的地勘報(bào)告顯示，研究場地中土體類型主要以雜填土和粉質(zhì)黏土為主，且未發(fā)現(xiàn)以淤泥質(zhì)土為主的軟弱下臥層，總體土質(zhì)相對較好。

車站基坑長198m，寬15m，開挖深度在15～20m。根據(jù)現(xiàn)場勘察資料顯示，該基坑工程的地下水主要為孔隙水和裂隙水，地下水的平均水位埋深約為0.9m，其平均標(biāo)高約為2.41m。其中該場地主要巖土體的物理性質(zhì)如表1所示。

在標(biāo)準(zhǔn)段中，基坑的寬度在15～17.4m范圍內(nèi)，其深度在15.4～19.6m范圍內(nèi)。其主體的維護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用鉆孔灌注樁，并設(shè)置支撐于縱向。自上而下第一道支撐為混凝土支撐，其參數(shù)為600mm×800mm。在混凝土支撐的局部設(shè)置斜撐，斜撐大小為400mm×400mm。第二道和第三道支撐為鋼管撐，規(guī)格為Ф609，厚度為16mm，鋼支撐的水平布設(shè)間距為3m。

2? ?基坑開挖變形數(shù)值模擬

2.1? ?建立模型

采用某仿真模擬軟件，建立了基坑三維計(jì)算模型。模型土層的本構(gòu)模型采用MC模型，各支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置為彈性結(jié)構(gòu)，根據(jù)Saint Venants 原則，將模型尺寸設(shè)置為400m×75m×60m，模型共計(jì)10542個(gè)單元和9584個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2? ?基坑監(jiān)測點(diǎn)布置

為了獲取該地鐵車站基坑的實(shí)際變形及沉降結(jié)果，對基坑分別進(jìn)行圍護(hù)樁水平位移和周邊地表沉降量監(jiān)測。分別在基坑西側(cè)端頭和北側(cè)布設(shè)兩個(gè)圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測點(diǎn)CX1和CX7，并在西側(cè)和南側(cè)區(qū)域的基坑外圍，每隔5m布設(shè)一個(gè)沉降量監(jiān)測點(diǎn)。其中CJ1-CJ7布設(shè)在南側(cè)，CJ8-CJ14布設(shè)在西側(cè)，共計(jì)14個(gè)沉降量監(jiān)測點(diǎn)。

通過各監(jiān)測點(diǎn)，對施工開挖期間中的4種工況下產(chǎn)生的沉降量進(jìn)行不間斷監(jiān)測。其中工況1為地表土開挖至地下2.1m處，包含第一道混凝土支撐澆筑階段；工況2為第二層土開挖至地下7.2m處，包含第二層鋼支撐施工階段；工況3為第三層土開挖至地下12.2m處，包含第三層鋼支撐施工階段；工況4為第四層土開挖至地下18m處，包含底板澆筑階段。

2.3? ?監(jiān)測方法

本文對于所研究地鐵車站基坑變形量，主要通過水平位移和基坑底部的豎向沉降所反映。對于基坑水平位移監(jiān)測，本文采用GN-1A式固定測斜儀進(jìn)行測量。

根據(jù)GB/T 50308-2017《城市軌道交通工程測量規(guī)范》，對所布設(shè)的水平位移監(jiān)測點(diǎn)CX1和CX7，分別在地下2.1m、7.2m、12.2m和18m位置處進(jìn)行水平位移監(jiān)測。

在測斜管埋設(shè)完畢后，每隔1d對測斜儀進(jìn)行觀測記錄，觀測持續(xù)135d。對于基坑沉降的監(jiān)測，采用徠卡NA3002/3003型電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行。依照《城市軌道交通工程測量規(guī)范》，對于設(shè)置的沉降監(jiān)測點(diǎn)采取閉合回路測量的方法，依托控制點(diǎn)進(jìn)行測量。沉降量監(jiān)測主要圍繞與基坑邊緣的距離進(jìn)行，其中重點(diǎn)監(jiān)測時(shí)間段為4種工況開挖和施工結(jié)束階段，并每隔1d對所設(shè)置的沉降點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測記錄。

3? ?實(shí)際監(jiān)測結(jié)果分析

3.1? ?圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測

對基坑西側(cè)端頭和北側(cè)布設(shè)兩個(gè)圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測點(diǎn)CX1和CX7，進(jìn)行持續(xù)135d的監(jiān)測，其中每個(gè)每隔30d分析一次樁體深度與水平位移的變化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著基坑的持續(xù)開挖，沿樁身豎直向下方向上水平位移的變化均呈現(xiàn)出兩端小，中間大的特征，總體呈弓形分布，此特征與文獻(xiàn)[5]所測得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移相似。此外兩個(gè)測點(diǎn)樁體的最大水平位移基本出現(xiàn)在樁體10m埋深處，其出現(xiàn)位置約為0.55倍的最大開挖深度。CX1和CX7的最大水平位移分別為12mm和8mm，分別約為最大開挖深度的0.667‰和0.333‰。同文獻(xiàn)[5]的軟土基坑相比，本文研究的車站基坑最大水平位移均偏小，表明該基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)具備較高的穩(wěn)定性，且前期的降水措施有效降低了地下水對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)地影響。

3.2? ?不同開挖工況下的基坑周邊沉降監(jiān)測

分別對西側(cè)布設(shè)的CJ8-CJ14沉降監(jiān)測點(diǎn)和南側(cè)區(qū)域布設(shè)的CJ1-CJ7沉降監(jiān)測點(diǎn)，在不同工況下的沉降量進(jìn)行監(jiān)測，得到基坑周邊沉降如圖2所示。

從圖2可以看出，基坑西側(cè)測點(diǎn)和南側(cè)測點(diǎn)的周邊沉降變化趨勢較為相似，均表現(xiàn)為隨著基坑距離的增大，沉降量先增大之后不斷減小，由基坑開挖造成的地表沉降范圍大致在2倍的最大開挖的深度左右。

兩側(cè)測點(diǎn)在不同工況下沉降的最大值均出現(xiàn)在距基坑10m處，但其中南側(cè)測點(diǎn)的最大沉降為9.8mm，而西側(cè)測點(diǎn)的最大沉降量為10.8mm。其中最大沉降點(diǎn)距基坑位置約為0.6倍的最大開挖深度，而最大沉降量約為最大開挖深度的0.6‰，表明研究區(qū)域的沉降較小。其可能原因在于，該區(qū)域在基坑的開挖過程中，底部巖層變形量較小且變形緩慢。

3.3? ?CX1和CX7測點(diǎn)模擬值與實(shí)測值對比

為了對模型的合理性和基坑開挖變形預(yù)測的可行性進(jìn)行研究，采用建立的基坑三維計(jì)算模型，對4種工況下CX1和CX7位置的圍護(hù)樁墻不同埋深下的水平位移進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與4種工況下的實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行對比。CX1和CX7測點(diǎn)模擬值與實(shí)測值對比如圖3所示。

根據(jù)圖3所反映的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，CX1和CX7模擬計(jì)算得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，隨著樁身的埋深增加，水平位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，該變化趨勢同實(shí)際監(jiān)測得到的趨勢相同。

通過對比CX1和CX7的計(jì)算值和模擬值可以看出，模擬值和實(shí)測值的變化特征也趨近一致，同種工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的數(shù)值變化相差也不大，且最大位移均出現(xiàn)在10m埋深處，實(shí)測值與模擬值的最大水平位移均出現(xiàn)在0.55倍的最大開挖深度位置。由此表明，本文建立的數(shù)值模型對于該軟土區(qū)域基坑開挖期間水平位移的計(jì)算存在一定的可行性和合理性。

3.4? ?CJ1至CJ14沉降測點(diǎn)模擬值與實(shí)測值對比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模型在沉降計(jì)算方面的可行性，采用同樣的方法，對基坑南側(cè)和西側(cè)CJ1至CJ14測點(diǎn)位置處的基坑周邊沉降量進(jìn)行計(jì)算和對比。CJ1-CJ14沉降測點(diǎn)模擬值與實(shí)測值對比如圖4所示。

從圖4可以看出，南側(cè)沉降點(diǎn)CJ1至CJ7和西側(cè)沉降點(diǎn)CJ8至CJ14的實(shí)測值和模擬值變化特征也趨近一致，且隨著距離基坑邊緣距離的增加，各點(diǎn)沉降量的數(shù)值變化也與實(shí)測結(jié)果相差也不大。同前文實(shí)際監(jiān)測結(jié)果一致，最大沉降量量均出現(xiàn)在距離基坑邊緣10m的測點(diǎn)處，實(shí)測值與模擬值的沉降基本均出現(xiàn)在0.6倍的最大開挖深度位置。對比文獻(xiàn)[6]中得到的某濱海區(qū)域最大沉降點(diǎn)，發(fā)生于1倍的最大開挖深度位置，二者產(chǎn)生較大差異的可能原因，在于所研究區(qū)域地下水的富水程度不同。

4? ?結(jié)束語

地鐵車站基坑圍護(hù)樁的水平位移隨著樁體埋深的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的弓形變化趨勢，且最大水平位移出現(xiàn)在0.55倍的最大開挖深度位置。

地鐵車站基坑周邊的沉降量隨著距基坑位置的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且最大沉降量出現(xiàn)在0.6倍的最大開挖深度位置。

通過對比實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，本文建立的基坑計(jì)算模型具備較高的精確度?；拥撞客馏w富水程度的不同會(huì)影響最大沉降點(diǎn)的位置，富水程度越大的土體，基坑的最大沉降點(diǎn)相對越深。

參考文獻(xiàn)

[1] 莊海洋，吳祥祖，瞿英軍.深軟場地地鐵車站深基坑開挖變形實(shí)測分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)， 2011，28（5）：86-91.

[2] 楊倫.基于FLAC3D地鐵車站基坑開挖的變形規(guī)律研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2015，38（10）：1363-1368.

[3] 許樹生，侯艷娟，劉美麟.天津地鐵6號線車站深基坑開挖下圍護(hù)結(jié)構(gòu)及墻后地表變形特性分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018，42（1）：25-33.

[4] 李淑，張頂立，邵運(yùn)達(dá).復(fù)雜環(huán)境下北京地鐵車站深基坑變形時(shí)空規(guī)律研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019，43（4）：29-36.

[5] 李育樞，譚建忠，高美奔，等.成都地鐵車站深基坑開挖變形的時(shí)空效應(yīng)初步分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2012， 38（6）：118-121.

[6] 宋彥杰，岳彬.濱海軟土地區(qū)基坑變形監(jiān)測分析研究[J]. 天津建設(shè)科技，2020，30（4）：55-57.

[7] 張偉，李冬冬，姚敏.上海古河道軟土地層地鐵車站深基坑變形分析[J].安徽建筑，2023，30（6）：111-113.

[8] 王建秀，吳林高，朱雁飛，等.地鐵車站深基坑降水誘發(fā)沉降機(jī)制及計(jì)算方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009， 28（5）：1010-1019.