童建軍，王明年，于 麗，劉大剛，徐 瑞

(1.西南交通大學(xué)土木工程系，四川峨眉山 614202;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031;3.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽合肥 230001)

近年來，由于大規(guī)模的城市擴(kuò)張和軌道交通建設(shè)，成都地區(qū)出現(xiàn)了大量的高層建筑基礎(chǔ)深基坑、地鐵車站深基坑和明挖隧道長深基坑，這些深基坑在開挖過程中涉及的地層結(jié)構(gòu)具有明顯的特點(diǎn)，即均處于較厚的卵石地層之中，由此帶來的周邊地面沉降是一個必須面對和解決的問題。

成都地區(qū)屬于岷江沖、洪積扇狀平原地貌，其地層單元較為統(tǒng)一，覆土主要為人工填土、粉質(zhì)黏土、砂土、卵石土，下伏泥巖。卵石地層為Q3+Q4的砂卵石，厚度14～30 m，粒徑大部分4 ～12 cm，并含有少量漂石，卵石含量75% ～85%，自上而下卵石含量由少到多，粒徑由小變大，結(jié)構(gòu)由稍密到密實(shí)。卵石地層中地下水水量豐富，埋深較淺，滲透系數(shù) K=10 ～20 m/d［1～3］。

國內(nèi)對于黏土、砂土等地層中的深基坑工程研究已取得了豐碩的成果，但卵石地層深基坑周圍地面沉降問題的研究很少。李國杰［4］運(yùn)用FLAC軟件對成都地鐵天府廣場車站深基坑在土釘墻和錨拉樁兩種支護(hù)類型下的周邊地表沉降進(jìn)行了研究;陳盛金［5］分析成都地鐵2號線春熙路站深基坑現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，認(rèn)為地表沉降曲線為凹槽型，并利用FLAC3D軟件模擬了基坑開挖工程中的地面沉降情況;王衛(wèi)［6］給出了成都地鐵1、2號線4個車站深基坑周邊地面沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了22個車站周邊最大地面沉降值，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)小于14 mm，個別達(dá)到33 mm;劉宇［7］給出了成都地鐵東門大橋站深基坑周邊地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，并用有限元軟件模擬分析，得出地面沉降影響深度為10 m，橫向最大影響范圍約20 m;袁坤［8］通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了成都地鐵塔子山車站基坑周邊地面沉降的ANSYS計(jì)算結(jié)果;尹群［9］分析了成灌快鐵迎賓車站監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了地面沉降在開挖工程的變化規(guī)律，并與PLAXIS有限元軟件計(jì)算結(jié)果對比;董英［10］利用有限元軟件分析了成都迎暉路建筑深基坑周邊地表沉降規(guī)律，認(rèn)為最大沉降發(fā)生在距離坑壁一定距離內(nèi)。以上相關(guān)研究主要為工程個案分析，采用的有限差分法也并不適合高離散性的卵石地層，故本文統(tǒng)計(jì)了大量成都地鐵車站深基坑實(shí)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合顆粒離散元法數(shù)值分析，研究成都地鐵車站深基坑周邊地表沉降的規(guī)律，以期對類似基坑工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 成都地鐵車站深基坑周圍地表沉降的顆粒離散元法數(shù)值模擬

顆粒離散元法把離散體看作有限個離散單元的組合，每個圓盤或圓球顆粒為一個單元，根據(jù)過程中的每一時步各顆粒間的作用和牛頓運(yùn)動定律的交替迭代預(yù)測散體群的行為。顆粒離散元法可以在顆粒體模型基礎(chǔ)上通過隨機(jī)生成算法建立具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)模型，通過單元間多種連接方式來體現(xiàn)土體等多相介質(zhì)間的不同物理關(guān)系，從而更有效地模擬土體的開裂、分離等非連續(xù)現(xiàn)象，成為分析和處理巖土工程問題的不可缺少的方法［11］。

根據(jù)文獻(xiàn)［1～10］，選擇成都地區(qū)典型的地質(zhì)剖面和常用的“圍護(hù)樁+內(nèi)支撐”的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式(圖1)，采用顆粒離散元軟件PFC2D模擬成都地鐵車站卵石地層深基坑的開挖過程。

圖1 成都地區(qū)典型地質(zhì)剖面及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖(m)Fig.1 Typical geological cross section and support structure of the foundation pit in Chengdu

由于基坑都是在抽水后進(jìn)行開挖，所以計(jì)算中未考慮地下水。根據(jù)基坑對稱性，取其一半進(jìn)行研究，模型寬度為40 m，高度為30 m，地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)均由圓盤顆粒進(jìn)行模擬，模型左、右及下邊界設(shè)定為墻體，上邊界為自由表面，基坑開挖結(jié)束后的計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 基坑開挖結(jié)束后的模型圖Fig.2 Model of foundation pit after excavation

借鑒已有研究成果［1～10，12］選取地層巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)和邊界墻體計(jì)算參數(shù)(表1、表2)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

表2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of foundation pit support structure

數(shù)值模擬首先建立原始地層模型，施加位移約束邊界條件，在重力作用下進(jìn)行迭代計(jì)算直至系統(tǒng)達(dá)到平衡，模擬地層初始應(yīng)力狀態(tài)。然后刪除挖孔樁所在位置的土體單元，建立相應(yīng)的樁單元，迭代計(jì)算至土體處于新的平衡狀態(tài)。最后分步挖去指定區(qū)域的土體單元，并在指定位置處建立鋼支撐單元，測定地表沉降量。基坑開挖步驟如表3所示。

表3 基坑開挖步驟Table 3 Excavation steps of foundation pit

對于基坑各個開挖步驟，提取數(shù)值計(jì)算結(jié)果并繪制地面沉降曲線，曲線中每點(diǎn)沉降值為其兩側(cè)2 m范圍內(nèi)顆粒的平均沉降值(圖3)。

圖3 顆粒離散元所得不同開挖步驟下地表沉降圖Fig.3 Land subsidence in all excavation steps with the granular discrete element method

由圖3可知:(1)在不同的開挖階段，基坑周圍地面沉降曲線均為凹槽型。(2)距坑壁不同距離地表沉降值和地表沉降范圍均隨著開挖進(jìn)度逐漸增大，最大沉降范圍為32 m。(3)地面沉降最大值位于坑壁后6 m處，在開挖各個階段，最大值分別為-1.6 mm、-4.3 mm、-7.5 mm、-10.0 mm和-10.7 mm，每個開挖階段的沉降值分別占總沉降值的15%、25%、30%、23%和7%，可見第二 、三、四層的開挖對地表沉降影響較大。(4)基坑各個開挖階段的地面沉降曲線在坑壁后10 m處均有1個突變點(diǎn)，每個開挖階段在該處的沉降值與其最大沉降值相比，減幅60% ～70%。

2 成都地鐵車站深基坑周圍地表沉降的工程案例統(tǒng)計(jì)

成都地鐵車站多采用“圍護(hù)樁+內(nèi)支撐”的支護(hù)體系，施工中周邊地表沉降監(jiān)測點(diǎn)布置方式通常有兩種:對小型車站而言，監(jiān)測點(diǎn)沿基坑周邊3 m范圍內(nèi)單點(diǎn)布置;對大型車站而言，監(jiān)測點(diǎn)沿基坑周邊呈斷面布置，每個斷面設(shè)2～4個測點(diǎn)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［5～9］和成都地鐵現(xiàn)場監(jiān)測報告［13～15］，收集成都地鐵9個車站深基坑共計(jì)18個監(jiān)測斷面和24個單獨(dú)監(jiān)測點(diǎn)的地面沉降實(shí)測數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，即將各測點(diǎn)的地面沉降值(δv)和距基坑壁的距離值(d)均除以基坑開挖深度(H)，在此基礎(chǔ)上繪制成都地鐵卵石地層深基坑周圍地面沉降的無量綱曲線，并根據(jù)這些實(shí)測曲線給出了地面沉降的包絡(luò)線(圖4)，縱坐標(biāo)為千分值。

圖4 成都地鐵車站深基坑周邊地表沉降無量綱圖Fig.4 Dimensionless land subsidence curves in the Chengdu subway station deep foundation pits

分析圖4可知，沉降曲線主要有凹槽型和拋物線型。最大沉降位于坑壁外大約0.25H處，其值為0.4‰H～0.7‰H;沉降曲線突變點(diǎn)位于0.5H附近，其沉降值為0.1‰H～0.45‰H。

圖4中沉降包絡(luò)線由3段組成，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

對比圖4可知，實(shí)測沉降曲線類型較數(shù)值模擬曲線復(fù)雜。實(shí)測和數(shù)值沉降曲線的最大沉降點(diǎn)和突變點(diǎn)在地表位置基本一致，即分別為0.25H和0.5H處，實(shí)測沉降包絡(luò)線完全包括了數(shù)值模擬曲線。

由此可見，實(shí)測沉降包絡(luò)線可用于成都地區(qū)卵石地層深基坑周圍地表沉降的預(yù)測。

3 成都卵石基坑與上海軟土基坑墻后地表沉降的對比

將成都地區(qū)卵石地層基坑工程與上海地區(qū)軟土地層基坑工程在墻后地面沉降方面進(jìn)行對比，分析歸納兩種性質(zhì)迥異的地層中基坑工程周邊地面沉降的差異。王衛(wèi)東［16］通過統(tǒng)計(jì)上海地區(qū)35個深基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)得到其地面沉降分布如圖5所示。

對比圖4和圖5中成都和上海工程案例沉降包絡(luò)線，可知兩包絡(luò)線均呈凹槽型，但存在以下區(qū)別:

(1)基坑開挖對周邊土層的影響范圍不同。成都地區(qū)基坑開挖影響范圍一般為1～2H，而上海地區(qū)最多可達(dá)4H。

圖5 上海地區(qū)深基坑周邊地表沉降無量綱圖［16］Fig.5 Dimensionless land subsidence curves in the deep foundation pits in Shanghai

(2)最大沉降點(diǎn)位置和量值不同。成都地區(qū)基坑周邊地表最大沉降點(diǎn)位于0.25H附近，量值為0.4‰H～0.7‰H，而上海地區(qū)最大沉降點(diǎn)位于0.5H附近，最大量值可達(dá)8‰H;兩者最大沉降點(diǎn)位置相差1倍，量值可相差1個數(shù)量級。

(3)沉降突變點(diǎn)位置不同。成都地區(qū)沉降突變點(diǎn)位于0.5H位置，即在0～0.5H范圍內(nèi)變化劇烈，地表傾斜較大，在0.5～2H范圍內(nèi)沉降變化緩慢，而上海地區(qū)基坑工程地表沉降突變點(diǎn)位于約2.0H處。

總之，成都地區(qū)卵石基坑與上海地區(qū)軟土基坑墻后地表沉降的包絡(luò)線形態(tài)相同，但包含范圍差別很大，這是由卵石土和軟土不同的工程性質(zhì)決定的。天然形成的卵石土通常在不同粒徑的充填物充分沉積填充后，在漫長的地質(zhì)年代中受到上部覆蓋層的壓力或構(gòu)造地應(yīng)力等因素的作用，可以達(dá)到很高的密實(shí)度和承載力，所以在基坑開挖后可以表現(xiàn)出較好的“自穩(wěn)能力”，其周邊地表變形也較小，而軟土的工程性質(zhì)表現(xiàn)出高孔隙率、高含水率、高壓縮性、高靈敏度和低承載力的特點(diǎn)，在基坑開挖的影響下，其側(cè)向變形和地面沉降效應(yīng)明顯。

4 結(jié)論

(1)成都地鐵卵石地層深基坑周圍地表沉降隨著基坑開挖過程逐漸增大，其中第二、三、四層開挖引起的地表沉降相對較大。

(2)成都地鐵卵石地層深基坑周圍地表沉降曲線呈凹槽型和拋物線型，其包絡(luò)線最大沉降點(diǎn)位于坑壁外0.25H處，量值為0.73‰H;突變點(diǎn)位于坑壁外0.5H處，量值為0.5‰H。

(3)與上海地區(qū)軟土地層相比，成都地區(qū)卵石地層深基坑的地表沉降包絡(luò)線在地表的范圍約為上海地區(qū)的1/2，最大沉降點(diǎn)距坑壁距離約為上海地區(qū)的1/2，其量值相差1個數(shù)量級，沉降突變點(diǎn)位置距坑壁距離也約為上海地區(qū)的1/2。

［1］ 徐則民，張倬元，劉漢超，等.成都地鐵環(huán)境工程地質(zhì)評價［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2002，13(2):65-71.［XU Z M，ZHANG Z Y，LIU H C，et al.Environment engineering geological assessment of Chengdu subway［J］. The Chinese Journalof Geological Hazard and Control，2002，13(2):65-71.(in Chinese)］

［2］ 黨紅章.成都地鐵密實(shí)砂卵石地層工程地質(zhì)特性及施工方法淺析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(5):7-11.［DANG H Z.A tentative analysis on the engineering geological features of compact sandypebble ground and construction methods in Chengdu metro［J］.Modem Tunneling Technology，2007，44(5):7-11.(in Chinese)］

［3］ 李建強(qiáng).成都地鐵巖土工程勘察［J］.隧道建設(shè)，2008，28(1):34-39.［LI J Q.Geotechnical investigations for Chengdu metro woks.［J］.Tunnel Construction，2008，28(1):34-39.(in Chinese)］

［4］ 李國杰.成都地鐵天府廣場深基坑施工力學(xué)分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2006.［LI G J.The mechanical analysis on construction of Tianfu Plaza deep foundation pit in Chengdu metro［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2006.(in Chinese)］

［5］ 陳盛金.成都地鐵春熙路站砂卵石地層深基坑工程變形規(guī)律研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2011.［CHEN S J.Research of deformation laws of sandpebble layer deep foundation pit in Chunxi Road station of Chengdu subway［D］.Chengdu:Chengdu University of Technology，2011.(in Chinese)］

［6］ 王衛(wèi).成都地鐵深基坑工程變形控制研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2011.［WANG W.Study on deformation control of Chengdu subway deep foundation pit［D］.Chengdu:Chengdu University of Technology，2011.(in Chinese)］

［7］ 劉宇.成都地鐵車站深基坑動態(tài)施工研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.［LIU Y.Research of dynamic construction of deep fundamental pit for Chengdu metro station［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2011.(in Chinese)］

［8］ 袁坤.塔子山公園站明挖法深基坑支護(hù)研究［D］.成都:西華大學(xué)，2012.［YUAN K.Research on deep foundation pit support by cut-and-cover Method in Tazi mountain park station［D］. Chengdu:Xihua University，2012.(in Chinese)］

［9］ 尹群.成灌快鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.［YIN Q.Chengdu rapid railway deep foundation pitsupporting structure deformation research［D］. Chengdu:Southwest Jiaotong University，2011.(in Chinese)］

［10］ 董英.成都迎暉路深基坑支護(hù)工程分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.［DONG Y.Analysis on the deep foundation pit supporting project of Yinghui Road building in Chengdu［D］. Chengdu:Southwest Jiaotong University，2011.(in Chinese)］

［11］ 徐泳，孫其誠，張凌，等.顆粒離散元法研究進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2003，33(2):251-260.［XUN Y，SUN Q C，ZHANG L，et al.Advances in discrete elementmethodsforparticulate materials［D］.Advances in Mechanics，2003，33(2):251-260.

［12］ 魏龍海.基于顆粒離散元法的卵石層中成都地鐵施工力學(xué)研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.［WEI L H.Study on the mechanical behaviour of subway construction in cobble stratum based on granular discrete element method［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2009.(in Chinese)］

［13］ 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司.成都地鐵BT項(xiàng)目3號線一期工程施工監(jiān)測報告［R］.2012.［China SouthwestResearch Institute of China Railway Engineering Company Limited.Monitoring report on the first-stage construction of no.3 line Chengdu subway BT project［R］.2012.(in Chinese)］

［14］ 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司.成都地鐵BT項(xiàng)目7號線土建工程施工監(jiān)測報告［R］.2014.［China SouthwestResearch Institute of China Railway Engineering Company Limited.Monitoring report on the civil engineering of no.7 line Chengdu subway BT project［R］.2014.(in Chinese)］

［15］ 中鐵物探勘察有限公司.成都地鐵7號線監(jiān)測06標(biāo)段施工監(jiān)測報告［R］.2014.［China Raiway Geophysical Prospecting Investigation Company Limited. Railway Engineering Company Limited.Monitoring report on no.6 monitoring section of no.7 line Chengdu subway［R］.2014.(in Chinese)］

［16］ 王衛(wèi)東，徐中華，王建華.上海地區(qū)深基坑周邊地表變形性狀實(shí)測統(tǒng)計(jì)分析［J］.巖土工程學(xué)報，2011，33(11):1659-1666.［WANG W D，XU Z H，WANG J H.Statistical analysis of characteristics ofground surface settlement caused by deep excavations in Shanghai soft soils［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(11):1659-1666.(in Chinese)］