崔紅利， 焦 義， 鐘鳴洋， 左 強(qiáng)， 林 銳，朱運明

(1.中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司，廣西南寧 530000；；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031))

地鐵車站多建于鬧市區(qū)，在城市中心密集區(qū)開挖越來越多的深基坑工程，地鐵車站深基坑的開挖容易引起周圍地表的沉降，而且周圍建筑物、市政管線密集，一些建于20世紀(jì)80年代或20世紀(jì)90年代早期的建筑物往往樁基埋深較淺。地鐵車站深基坑的設(shè)計或施工即使出現(xiàn)一些小的差錯，都有可能引起周圍建筑物或市政管線的沉降、開裂或局部損傷，嚴(yán)重的可能引起倒塌事故，因此在基坑開挖過程中需進(jìn)行實時監(jiān)測[1]，對位移進(jìn)行實時把控，實現(xiàn)施工的信息化，從而更好地為施工服務(wù)。江杰等[2]對復(fù)雜環(huán)境下多種支護(hù)結(jié)構(gòu)并存的深基坑進(jìn)行研究，得出了該地區(qū)深基坑施工過程中多種支護(hù)結(jié)構(gòu)變形位移規(guī)律。丁智等[3]、楊有海等[4]、張雪嬋等[5]對杭州軟土地區(qū)基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，討論了不同工況下樁體深層水平位移和土體深層水平位移、地表沉降程度的關(guān)系。

由于復(fù)雜環(huán)境下明暗挖結(jié)合的深基坑與緊鄰建筑的相互影響較復(fù)雜，解析解很難準(zhǔn)確地反映多部位的位移變形情況。因此本文以南寧市青秀山站地鐵車站為背景，對基坑施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，深入研究基坑開挖對鄰近建筑的變形影響范圍及變形規(guī)律，并將實時監(jiān)測結(jié)果和相關(guān)部位解析解進(jìn)行比對，探討深基坑開挖對建筑物影響的變形規(guī)律并提出具體措施為類似工程提供參考。

1 工程介紹

1.1 工程概況

南寧市地鐵車站位于鳳嶺南路與青山路交叉口東側(cè)約180m，車站斜跨鳳嶺南路，呈南北走向布置，鳳嶺南路道路寬30m，為雙向6車道。兩條人行道路、車流量大，交通繁忙。起點里程YDK20+45.200，終點里程為YDK20+229.900，總長184.7m，其中明挖站廳起點里程YDK20+136.500，終點里程為YDK20+218.900，明挖結(jié)構(gòu)總長為82.4m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬41.8m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑底部埋深約24.35m。

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

車站范圍內(nèi)巖土從上至下依次為：表層為可塑～硬塑狀素填土；中部為硬塑土、堅硬土、半巖半土的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖；下部為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖以及粉細(xì)砂巖。截面各土層參數(shù)如表1所示。

1.3 基坑及周邊建筑支護(hù)方案

圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)及地表近接建筑物參數(shù)如下所示：

(1)明挖站廳采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)+混凝土支撐的圍護(hù)體系，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1200@1500mm和φ1500@1900mm的混凝土灌注樁共計176根，共設(shè)5道混凝土支撐，混凝土支撐采用尺寸為800mm×900mm和1000mm×1200mm。其圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)地表沉降觀測點(圖1)。

圖1 明挖站廳基坑立面

(2)如意坊修建于2006年7月，距車站北端風(fēng)井最小距離為6.4m，對北側(cè)風(fēng)井的土方及圍護(hù)樁施工有較大影響。本工程使用旋噴樁法來防止其基礎(chǔ)變形及對土層進(jìn)行加固與止水，旋噴樁施工總長117.1m，間距0.9m，樁直徑1.2m，共一排。

(3)管委會為1～3層框架結(jié)構(gòu)，采用獨立基礎(chǔ)，距基坑最近距離為9m，對南端明挖站廳的土方開挖及圍護(hù)樁的施工影響較大。南側(cè)明挖站廳距管委會20m，工程中使用旋噴樁對土層進(jìn)行止水加固，直徑1.2m，間距0.9m，共一排。

表1 車站截面土層物理力學(xué)參數(shù)

2 地鐵深基坑開挖對周圍建筑影響分析

根據(jù)基坑開挖方案、支護(hù)方案、地質(zhì)條件、周邊建筑物情況等資料，采用有限元軟件模擬基坑開挖、支護(hù)過程中的位移和對周邊建筑物、管線的影響。就基坑變形而言,研究證明二維計算結(jié)果一般在基坑轉(zhuǎn)角處比三維計算大15 %左右[6]，在基坑其他部位相差不大。因此，將基坑按二維問題處理是合理的。故本文采用了PLAXIS2D對基坑進(jìn)行分析，既充分考慮了基坑與鄰近建筑物變形的相互耦合關(guān)系，又利用硬化土模型(HS)，實現(xiàn)了對基坑變形的精細(xì)化分析，從而使得針對建筑物的變形計算結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

2.1 本構(gòu)模型與施工工況

模型計算中土體采用硬化土(HardeningSoil)本構(gòu)模型，HS模型是一個可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型土體行為的先進(jìn)模型。它的彈性部分采用了合理的雙剛度，即加卸載模量分別定義，且考慮了土體的壓硬性。塑性部分采用非相關(guān)聯(lián)流動法則和各向同性的硬化準(zhǔn)則，可以較好地描述雙曲線形式的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和土體的剪脹性。圍護(hù)樁采用plate單元模擬，內(nèi)支撐采用nodetonodeanchor單元模擬。整個模型的模擬過程包括地面建筑、管線、基坑開挖、基坑支護(hù)幾個步驟，主要包括各層分層開挖，已經(jīng)分層支撐，其中地面建筑通過對地面加載的方式進(jìn)行模擬，基坑開挖采用分步開挖的方式進(jìn)行。

2.2 基坑開挖引起的變形

圖2為明挖站廳基坑開挖完成后的整體變形圖，基坑的變形主要在下列幾個方面：

圖2 站廳基坑整體位移

圖3 站廳基坑不同距離地表沉降

(1)由圖3可知，坑后土體不同距離地表沉降趨勢為漏斗形，影響范圍在1～1.5倍圍護(hù)樁長度，由于受到土體與樁體之間的相互作用和支撐的影響最大沉降沒有出現(xiàn)在樁體附近。

(2)圍護(hù)樁向基坑內(nèi)有水平位移，由圖4可知，最大位移一般在開挖深度的2/3附近。

(3)基坑周圍土體水平位移與維護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移緊密相關(guān)，最大變形同樣在開挖深度的2/3附近。

(4)基坑周圍土體垂直位移的最大值發(fā)生在基坑底部，即坑底土體出現(xiàn)隆起。

圖4中樁體最大水平位移為7.41mm，基坑周圍最大土體水平位移為7.37mm；圖4中坑后土體不同距離最大地表沉降為6.4mm，位置在距離坑邊16m處，該變化趨勢與沉降大小與劉小麗[7]偏態(tài)改進(jìn)公式計算的結(jié)果比較吻合，對比結(jié)果如圖5所示。

圖4 站廳基坑樁體水平位移

圖5 數(shù)值模擬與偏態(tài)改進(jìn)計算結(jié)果對比

2.3 基坑監(jiān)測結(jié)果分析

為確?；娱_挖過程的安全，對深基坑及其周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測分析，指導(dǎo)基坑開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，確保鄰近建筑物的安全。

圖6為明挖站廳監(jiān)測點位布置圖，圖7為明挖站廳點ZQT04、ZQT05、ZQT07、TS2的水平位移監(jiān)測曲線圖，TS2為坑后土體位移監(jiān)測點，其余為樁體位移監(jiān)測點。實際監(jiān)測結(jié)果中ZQT04最大水平位為6.78mm，ZQT05最大水平位移為9.32mm，ZQT07最大水平位移為8.96mm，TS2最大水平位移為7.89mm，數(shù)值模擬結(jié)果最大水平位移為7.80mm。測點ZQT04水平位移相對較小，與測點處于基坑轉(zhuǎn)角附近且附近進(jìn)行旋噴樁加固有關(guān)。測點ZQT05、ZQT07位移略大于TS2的位移，且變形趨勢一致。

圖6 站廳基坑監(jiān)測點位

圖7 站廳基坑圍護(hù)樁水平位移

圖8為管委會不同監(jiān)測點位歷時沉降圖，因監(jiān)測點位置不同，各點位數(shù)值略有差異，但總體趨勢一致。管委會監(jiān)測點最大沉降在6mm左右，與站廳周邊最大地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果基本相同，因此，地表沉降數(shù)值一定程度上可以反映建筑物沉降情況。

圖9為如意坊不同監(jiān)測點歷時沉降圖。最大沉降為7.1mm，與數(shù)字模擬結(jié)果7.3mm比較接近，說明模擬結(jié)果相對準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

本文利用南寧市青秀山地鐵車站項目并結(jié)合數(shù)值模擬和監(jiān)測結(jié)果，分析了深基坑開挖對臨近建筑物變形影響，得出以下結(jié)論：

(1)樁體水平位移最大值所在深度位置與基坑尺寸及基坑開挖深度有關(guān)；基坑長邊變形一般大于基坑短邊變形，要利用結(jié)構(gòu)或加固措施對基坑長邊變形進(jìn)行控制。

圖8 管委會不同測點歷時沉降

圖9 如意坊不同測點歷時沉降

(2)坑后土體水平位移數(shù)值與樁體水平位移有關(guān)，受樁體水平位移的影響，一般情況下坑后土體位移變化趨勢與樁體位移變化趨勢相同，但在位移數(shù)值上小于樁體位移。

(3)加固措施等對基坑變形的影響較大，在建筑物與基坑圍護(hù)樁之間增加旋噴樁，可以有效的增加土層的強(qiáng)度，并減小樁體位移，從而達(dá)到保護(hù)建筑物的作用。