楊 慶，程 樺，曹廣勇

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽合肥230022）

合肥地鐵青陽路站基坑開挖對地表沉降的影響

楊 慶，程 樺，曹廣勇

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽合肥230022）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市出現(xiàn)了大量的基坑工程，開挖基坑時會引起地表沉降和變形。當(dāng)?shù)乇沓两颠_(dá)到一定程度會影響地面建筑物和地下管線的安全，所以必須嚴(yán)格控制因基坑開挖引起的地表沉降。本文基于合肥地鐵2號線青陽站基坑的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用ORIGIN軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合了數(shù)值模擬的結(jié)果，給出了基坑開挖對地表沉降影響的相關(guān)規(guī)律，為今后的類似工程提供借鑒。

基坑；地表沉降；監(jiān)測；數(shù)值模擬

0 引 言

基坑工程是現(xiàn)代土木工程施工技術(shù)中相當(dāng)重要的組成部分，它的具體施工過程中安全問題決定了整個工程的成敗[1]。近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展以及建設(shè)用地的局限性，高層建筑和地下空間的開發(fā)利用越來越廣泛，基坑工程迅速向大深度、大面積方向發(fā)展[2]。但是城市深基坑工程一般都處于比較復(fù)雜的建筑環(huán)境中，在這種條件下進(jìn)行基坑工程的施工，必然會對周邊土體的應(yīng)力場和位移場產(chǎn)生影響，引起基坑周邊地表及建筑沉降變形，如果處理不當(dāng)，就會引起工程事故[3]。地表沉降變形檢測結(jié)果能反映施工過程中巖土變形的全過程，能反映巖土的穩(wěn)定性[4]。城市的軌道交通，下穿各種重要建筑物和道路。因此控制由于地鐵的施工對土體的擾動而引起的地表沉降，就顯得尤為重要，研究土體因為開挖而引起的沉降規(guī)律，分析引起土體沉降變形的各種影響因素，為施工和設(shè)計提供相應(yīng)的參考，保證施工的安全順利進(jìn)行有著重要的意義[5]。本文基于合肥地鐵2號線青陽站基坑的地表沉降數(shù)據(jù)，試給出基坑開挖對地表沉降的相關(guān)規(guī)律。

1 工程概況

合肥市軌道交通2號線土建TJ02標(biāo)段青陽路站全長167.8 m。標(biāo)準(zhǔn)段凈寬19.7 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度約為16.92~19.38 m；端頭井凈寬均為23.8 m，小里程西端頭井開挖深度約為20.25 m，覆土厚度約3.88 m，大里程東端頭井開挖深度約17.67 m，覆土厚度約3.2,車站的平面圖如圖1所示，車站的標(biāo)準(zhǔn)段及端頭井剖面圖如圖2所示。車站采用明挖順筑法施工。為了使計算簡化，把物理性質(zhì)相似的土體單獨區(qū)分出來。主要土層物理性質(zhì)如表1所示，主要工況如表2所示。

圖1 青陽路站平面圖

青陽路站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ800@1000鉆（沖）孔灌注樁結(jié)合內(nèi)支撐，靠近金楓苑及省計委基坑一側(cè)采用Φ800@1000的高壓旋噴樁加固土體，土方開挖及結(jié)構(gòu)施工過程中樁間土通過網(wǎng)噴混凝土約束。車站沿基坑深度方向設(shè)置四道支撐，其中第一道為混凝土支撐，其余均為Φ609（t=16 mm）的鋼支撐。東西端頭井另設(shè)一道換撐，逆作頂板段下設(shè)兩道鋼支撐、一道換撐。支撐施工關(guān)鍵點：施工前先進(jìn)行預(yù)拼，確保鋼支撐加工質(zhì)量?；娱_挖過程中，做到隨挖隨撐，及時施加軸向預(yù)應(yīng)力，保證鋼圍檁與圍護(hù)樁接觸面為面接觸，防止局部壓應(yīng)力過大而失穩(wěn)。

圖2 青陽路站標(biāo)準(zhǔn)段及端頭井剖面圖

表1 土層土質(zhì)情況

表2 主要工況

2 基坑周圍地表沉降分析

2.1 基坑監(jiān)測方案

基坑形狀是工字型，如圖3所示，監(jiān)測布置點較為對稱，基坑周圍均有監(jiān)測點，在標(biāo)準(zhǔn)段兩側(cè)監(jiān)測布置點較多，在東端頭井和西端頭井監(jiān)測布置點較少，基坑周邊地表監(jiān)測點間距為15 m，分別設(shè)7個主斷面，每個主斷面為8個監(jiān)測點，距基坑邊緣距離依次為2 m、6 m、12 m、20 m，東端頭井和西端頭井只有1個主斷面，主要集中在基坑中部，平面監(jiān)測布置點如圖3所示。這里監(jiān)測點較多，不逐一研究，本文僅對D83-1、D83-2、D83-3、D83-4、D342-1、D342-2、D342-3、D342-4這一主斷面進(jìn)行分析，得出基坑開挖工況和地表沉降之間的關(guān)系。地表沉降變形控制指標(biāo)如表3所示。

圖3 青陽站基坑地表沉降監(jiān)測點平面布置圖

表3 地表沉降變形控制指標(biāo)

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

本基坑地面沉降監(jiān)測點較多，本文僅對D83-1、D83-2、D83-3、D83-4、D342-1、D342-2、D342-3、D342-4這一主斷面研究。圖4為各個開挖順序下監(jiān)測點的沉降曲線圖，其中坐標(biāo)0為基坑的縱向中心線，在中心線兩側(cè)各有四個監(jiān)測點。

（1）在第1步開挖階段，土體開挖較淺，地表沉降不大，最大沉降點出現(xiàn)在距離基坑-6 m、6 m的位置，最大沉降值在6.5 mm左右，而遠(yuǎn)離基坑的沉降相對較小，大約在1 mm左右。

（2）在第2步開挖-第5步開挖階段時，距離基坑4-6 m范圍內(nèi)沉降最大，沉降值約為9 mm左右；最大沉降值發(fā)生在-6 m、6 m的位置，最大沉降值為9.6 mm；遠(yuǎn)離基坑位置監(jiān)測點沉降較小，幾乎沒有發(fā)生較大的變化，在-20 m、20 m的位置沉降只有2 mm左右。

（3）在第6步開挖-第8步開挖階段，此時基坑的開挖已經(jīng)基本完成，把支撐拆除以后，沉降量有一定的增長，但是最大沉降點具體位置沒有發(fā)生較大的變化，最大沉降值為10.5 mm，未超過警戒值。隨著基坑的距離最大，地表沉降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

（4）最大沉降值不是出現(xiàn)在距離圍護(hù)樁較近的地方，也不是出現(xiàn)在距離圍護(hù)樁較遠(yuǎn)的地方，而是出現(xiàn)在距離圍護(hù)樁稍遠(yuǎn)的地方。其原因如下：基坑內(nèi)的支撐具有足夠的剛度和強(qiáng)度，它們與土體產(chǎn)生了較大的摩擦力，阻礙了距離圍護(hù)樁較近土體的沉降，而遠(yuǎn)離基坑的位置，周圍土體沒有與圍護(hù)樁產(chǎn)生較大的摩擦力，土體的沉降量就會變大，所以最大沉降值出現(xiàn)在距離圍護(hù)樁稍遠(yuǎn)的地方。

圖4 不施工階段下各個沉降點的沉降曲線

圖 5 D342監(jiān)測點時程變化曲線

圖5為D342-1、D342-2、D342-3、D342-4監(jiān)測點的時程變化曲線（其中D83監(jiān)測點與D342監(jiān)測點對稱，變化趨勢差不多，因此沒有對D83監(jiān)測點進(jìn)行分析）

（1）當(dāng)基坑開挖后，基坑周圍的地表都呈現(xiàn)沉降趨勢，從圖5可知，前75d左右，地表沉降較大，這是因為前75d未架設(shè)第二道鋼支撐以及施工進(jìn)度的調(diào)整，沉降速率在整個時程曲線變化中最大，最大沉降值為9.5 mm。

（2）從圖5可知在75d-325d沉降趨勢較為平緩，這是因為在這段時間內(nèi)架設(shè)了鋼支撐，阻止了地表的沉降，除了D342-4監(jiān)測點有較大的波動，其他監(jiān)測點沒有發(fā)生較大的變化，D342-4監(jiān)測點沉降約為8 mm。

（3）325d之后沉降有所增加。這是因為鋼支撐的拆除導(dǎo)致圍護(hù)樁與土體的摩擦力減小，地表沉降量有所增加，但變化趨勢不大。

（4）從圖5可知，D342-4監(jiān)測點沉降較小，這是因為D342-4監(jiān)測點離基坑較遠(yuǎn)。所以得出結(jié)論：距離基坑越遠(yuǎn)，地表沉降越小。

2.3 數(shù)值模擬分析

本文采用MIDAS GTS有限元軟件建立三維計算模型，對基坑開挖及施工過程中地表沉降變形進(jìn)行數(shù)值模擬[6]。地鐵車站場地地勢平坦，土體為理想各向同性彈塑性材料，土體采用Mohr-Coulomb(摩爾-庫倫)本構(gòu)模型[7]。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)，然后刪除基坑所在位置的土體單元，建立相應(yīng)的樁單元，迭代計算至土體處于新的平衡狀態(tài)[8]。土體從上到下分別為人工填筑土、可塑狀粘土、硬塑狀粘土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其具體土層參數(shù)見表1 。車站基坑開挖在施工過程中始終遵循“分段、分層，分塊開挖，先中間后兩邊，隨撐，隨時完成的原則”的原則。本文所建模型的深度為20 m，其影響范圍較大，為此基坑所建模型周邊土體范圍取基坑深度3-5倍，而基坑下面范圍取基坑深度h的2-4倍。故該模型長×寬×高為325 m×160 m×60 m，模型圖如圖6所示。

本文中該地鐵車站基坑采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐，地下連續(xù)墻采用實體單元彈性模型模擬，內(nèi)支撐和系梁均采用彈性梁單元模擬，第一道支撐采用混凝土支撐，其余的支撐均為鋼支撐，模型中的結(jié)構(gòu)單元材料屬性及特性參數(shù)見下表4所示。

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

本文取D342-1、D342-2、D342-3、D342-4四個監(jiān)測點的實測情況和模擬情況進(jìn)行對比，如圖7所示，從實測和模擬時程曲線可以得出以下結(jié)論：

（1）基坑周圍地表沉降模擬數(shù)據(jù)與實測的沉降規(guī)律基本相同，但是部分監(jiān)測點的模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)有所差別，后期模擬情況趨于穩(wěn)定。

（2）有模擬與實測數(shù)據(jù)對比，得出地表沉降的實測曲線變化，不像模擬值那樣平滑，這是因為模擬中的荷載是均值，不能反映施工中的實際荷載。

（3）從模擬曲線和實測曲線對比來看，數(shù)值模擬曲線基本上可以真實的反應(yīng)基坑土體開挖情況。

模擬曲線中最大地表沉降點出現(xiàn)在D342-2，距離基坑6 m處，與實測值大致相同。第1步開挖時，雖然設(shè)置了混凝土支撐結(jié)構(gòu)體系，但此時支撐結(jié)構(gòu)體系還沒有發(fā)揮支撐的效果，模擬與實測差別較大。第2步開挖時，鋼支撐架起，沉降曲線逐漸變的平緩。第5步開挖時，第3道鋼剛支撐被架設(shè)，地表沉降會進(jìn)一步增大，此時數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)果大致相同?？梢钥闯瞿M的結(jié)果與實測結(jié)果是比較接近的，能夠反映實際施工時地表沉降的大致趨勢。

圖 6基坑模擬圖

3 結(jié)論與建議

以合肥地鐵2號線青陽站標(biāo)段深基坑工程為例，運用ORIGIN軟件和MIDAS GTS有限元軟件建立數(shù)值模型，主要結(jié)論和建議如下：

（1）數(shù)值模擬的結(jié)果能基本上反映出基坑開挖過程，得出地表最大沉降點出現(xiàn)在距離基坑一定的距離處，和監(jiān)測的地表沉降大致相同。

（2）把數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果做比較分析，基坑開挖完成后，地表最大沉降計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果相差不大，實測曲線與模擬曲線走勢大致相同，說明數(shù)值模擬結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)是可行的。

（3）基坑開挖后，由于基坑中間的土不存在，在基坑周圍土體的自重作用下，基坑底部稍有隆起；另外，土體有臨空性，基坑四周的土有向基坑內(nèi)部移動的趨勢，土體中的力重新調(diào)整并達(dá)到新的平衡，從而導(dǎo)致地表沉降。

（4）基坑開挖變形具有時空性：隨著時間和開挖深度的不同，地表監(jiān)測點的沉降也不一樣，隨著基坑土體逐步開挖完成，變形的速率逐漸變小，最后趨于平緩。在開挖過程要時刻做好監(jiān)測工作和支護(hù)工作，保證基坑的穩(wěn)定性。

（5）監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對比可以得出結(jié)論：蓋挖逆作法能有效地控制基坑周圍地表和基坑周圍重要建筑物的沉降值。

[1]賈文.深基坑開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及有限元模擬研究[D] .天津:天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，2013.

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Influence of Foundation Pit Excavation on Ground Surface Settlement in Qingyang Station of Hefei Subway

YANG Qing, CHENG Hua，CAO Guangyong

(Civil Engineering School, Anhui Jianzhu University,Hefei,230022,China)

With the development of economy, a large number of excavation works have appeared in city,and surface subsidence and deformation are caused by the excavation of foundation pit. When the surface subsidence reaches to a certain extent, it will affect the safety of the ground buildings and underground pipelines, therefore it is necessary to strictly control the surface subsidence caused by foundation. The paper has been based on the data of the surface subsidence monitoring which are from foundation pit of Qingyang station of Hefei Metro Line2, using ORIGIN software for data analysis, and combined with the results of numerical simulation, lis oaoer rovides the law of the foundation pit excavation on the ground surface settlement which provides reference for similar projects in the further.

foundation; surface settlement; monitor; numerical simulation

TU473.2

A

2095-8382(2016)06-035-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160608

2016-01-13

楊慶(1991-)，男，碩士生，主要研究方向為城市地下空間結(jié)構(gòu)。