徐長勝

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019）

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，地鐵工程建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，而在地鐵車站基坑結(jié)構(gòu)施工中，施工區(qū)域地質(zhì)條件比較復(fù)雜，并且周邊建筑工程比較多，須結(jié)合實際情況選擇適宜的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，低于基坑外側(cè)土體壓力。對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行有效控制，應(yīng)對施工現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析，同時應(yīng)用有限元分析軟件對不同工況進(jìn)行模擬分析，并采用參數(shù)反演計算方式，確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形因素，為制定控制策略提供可靠依據(jù)，妥善解決圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形問題。

1 地鐵車站深基坑變形機理

1.1 基坑底部土體回彈

在基坑施工中，基坑底部土體隆起的原因主要包括以下2點：第一，在基坑開挖施工中，底部結(jié)構(gòu)土體發(fā)生豎向卸載，進(jìn)而造成土體結(jié)構(gòu)原有應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，土體結(jié)構(gòu)不斷向上移動。第二，在基坑內(nèi)土體開挖施工中，基坑內(nèi)外部可形成壓力差，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)，土體結(jié)構(gòu)在自身重量的影響下逐漸移動至基坑內(nèi)，進(jìn)而造成土體結(jié)構(gòu)向上移動。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移

在基坑開挖施工中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部土體壓力逐漸卸去，此時即可逐漸形成高度差以及土壓力差，圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部外側(cè)可受到主動土壓力的影響，在壓力差作用下，土體壓力平衡受到破壞，進(jìn)而造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或者位移。在基坑開挖施工中，如果應(yīng)用內(nèi)支撐系統(tǒng)施工方案，則首先完成基坑施工，然后再進(jìn)行內(nèi)支撐施工，在支撐結(jié)構(gòu)施工前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)即可發(fā)生變形，與此同時，在土壓力以及支撐預(yù)應(yīng)力的影響下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)可發(fā)生少量變形[1]。

1.3 基坑外圍地表沉降

在地鐵車站深基坑開挖施工中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊土體會逐漸形成塑性區(qū)，并且流動比較大，另外，深基坑內(nèi)外土體結(jié)構(gòu)之間可形成壓力差，因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土體會逐漸流動至基坑內(nèi)以及基坑底部，同時，由于基坑外土體不斷減少，因此會發(fā)生地表沉降。在深基坑開挖施工前，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時，由于地層會發(fā)生位移，因此也會造成地表沉降[2]。

2 工程概況

該文選擇某地鐵車站作為研究對象，該車站位于市政道路工程交叉口位置，車站基坑周邊為商業(yè)建筑以及配套項目通過對該車站結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行分析，為地下2層島式站臺車站，全長為220m。根據(jù)現(xiàn)場勘查，施工區(qū)域覆土厚度為3.6m左右，為丘陵臺地地貌，地形平臺，標(biāo)高為43.50m~44.20m。該地鐵車站施工區(qū)域西側(cè)地勢平坦，而南側(cè)則為剝蝕殘丘。在該地鐵車站基坑施工中，選用明挖順作法，基坑開挖深度在16.98m~18.93m，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，聯(lián)合應(yīng)用800mm厚連續(xù)墻以及3道內(nèi)支撐。在連續(xù)墻施工中，嵌固深度為8.0m，根據(jù)現(xiàn)場勘查，基坑底部土體包括可塑狀砂質(zhì)黏性土、硬塑狀殘積砂質(zhì)黏性土以及礫質(zhì)黏性土。在該地鐵車站基坑開挖施工中，隨著開挖施工的不斷進(jìn)行，當(dāng)開挖至基坑底部時，對連續(xù)墻測斜以及地面沉降進(jìn)行測量和數(shù)值分析，均處于正常范圍內(nèi)，沒有超過警戒值。

隨著基坑開挖施工的不斷進(jìn)行，在開挖達(dá)到9軸時，開挖深度為9.5m，通過對墻體測斜進(jìn)行分析，已達(dá)到報警值，當(dāng)開挖深度達(dá)到11.5m時，位移量達(dá)到42.3mm。在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，在第2道鋼支撐安裝施工完成后，再進(jìn)行第4層土方開挖，與此同時，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量不斷增加，根據(jù)現(xiàn)場測量，水平位移量達(dá)到50mm。為保證現(xiàn)場施工安全性，在基坑結(jié)構(gòu)墊層頂面以上1.7m位置進(jìn)行第3道鋼支撐施工，墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著提升，在開挖深度15.5m位置，墻體位移量達(dá)52.9mm。在該地鐵車站基坑結(jié)構(gòu)后續(xù)開挖施工中，嚴(yán)格依據(jù)工程設(shè)計要求對施工現(xiàn)場進(jìn)行嚴(yán)格控制，而墻體測斜變形量依然比較大，甚至達(dá)到48mm。

3 數(shù)值模擬方法介紹

3.1 計算參數(shù)

在選擇初始計算參數(shù)時，須參考施工場地地質(zhì)勘查報告。根據(jù)現(xiàn)場勘查，施工區(qū)域各個巖土層以及材料參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)值

3.2 計算模型

在計算模型創(chuàng)建中，假設(shè)方案如下：1）計算模型沿地鐵車站縱向，選擇1m，在具體的計算分析中，可將車站作為彈性地基結(jié)構(gòu)以上的平面框架結(jié)構(gòu)。2）在該工程基坑開挖施工中，采用明挖順做施工方案，無須考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)之間的共同作用。如果應(yīng)用蓋挖逆作施工方案，則應(yīng)重點考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)之間的共同作用，在二者之間，可采用連桿連接，連桿結(jié)構(gòu)只需承受壓力作用，當(dāng)連桿處于受拉狀態(tài)時，即可自動失效。3）對于地層反力，可采用地層彈簧模擬法，彈簧剛度為基床系數(shù)和分段長度之間的乘積。對于地層彈簧，可設(shè)置為僅受力，而如果處于受拉狀態(tài)，則為失效。4）側(cè)向土壓力的計算，可應(yīng)用肯朗、庫倫計算公式，分開計算土壓力與水壓力，還需考慮地面承重或坑角等不規(guī)則形狀對土壓力的影響。在該工程施工中，應(yīng)用明挖順作法，可利用主動土壓力，而如果采用蓋挖逆作施工方案，可應(yīng)用剛度較大的頂板以及樓板替代臨時支撐結(jié)構(gòu)，因此，在基坑開挖施工中，墻體水平位移比較小，對于墻背土壓力，可作為靜止土壓力。

在該工程計算分析中，計算模型創(chuàng)建形式以及荷載分布情況如圖1所示。在該計算分析中，選用有限元分析軟件MIDAS-CIVIL[3]。

圖1 車站圍護(hù)模型及荷載

在計算模型模擬分析過程中，應(yīng)注意以下幾點：1）在墻背全高范圍以及基坑開挖側(cè)底部，均須安裝土彈簧，并應(yīng)用節(jié)點彈性支承結(jié)構(gòu)。2）在臨時鋼支撐施工中，要求應(yīng)用等效剛度，對于相應(yīng)節(jié)點位置，須通過節(jié)點彈性支承。3）在施工過程中，應(yīng)分隔開挖步以及施工步。在開挖步施工中，模型結(jié)構(gòu)單元保持不變，在開挖深度范圍內(nèi)，要求在地連墻內(nèi)側(cè)應(yīng)用壓彈簧，同時還應(yīng)施加開挖施工中所產(chǎn)生的側(cè)向水土壓力。模擬步驟如圖2。

圖2 主要模擬步驟

3.3 根據(jù)實測數(shù)據(jù)反演計算參數(shù)

在巖土工程施工中，在對施工區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘查后，勘查報告中一般均會有基床系數(shù)Kh以及Kv，為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在基坑開挖施工中，可根據(jù)開挖施工階段監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

通過對施工現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析，在地鐵車站基坑施工中，1~8軸開挖基本正常，并且施工階段天氣良好，嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計方案組織施工。通過對施工現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)以及地質(zhì)勘查報告進(jìn)行分析，對各層土基床系數(shù)進(jìn)行多次試算，結(jié)果如表2所示。

表2 巖土物理力學(xué)參數(shù)反演值

在施工現(xiàn)場測量中，最大位移量為24mm，而在計算分析中，最大位移為22.5mm，差異比較小。由此可見，基床系數(shù)取值與實際數(shù)值比較接近，計算結(jié)果可靠性比較強。正常工況下支撐軸力變化情況如表3所示，通過對表3進(jìn)行分析，對連續(xù)墻最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計算，結(jié)果為481kN·m，同時，各道支撐的軸力變化均勻性比較強，鋼支撐結(jié)構(gòu)之間的距離為3m，最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果為677×3=2031kN。

表3 正常工況下支撐軸力變化情況

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大工況計算

通過對施工現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析，在基坑開挖施工達(dá)到9軸時發(fā)生暴雨，施工單位為加快施工進(jìn)度，沒有及時架設(shè)第2道支撐，進(jìn)而造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移量增加至52.9mm。另外，通過對施工現(xiàn)場進(jìn)行質(zhì)量檢查，首道混凝土支撐結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)裂縫。對此，須重新進(jìn)行建模和模擬計算[4]，如表4所示。

表4 計算工況

綜合考慮軟化因素，土體參數(shù)發(fā)生較大變化，因此須進(jìn)行標(biāo)貫試驗，據(jù)此確定，地基土彈簧剛度，如圖3所示。

圖3 基坑軟化后地基參數(shù)

在針對該工程進(jìn)行建模分析時，對于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)，均設(shè)置壓彈簧，據(jù)此對基坑開挖施工中側(cè)向土壓力變化情況進(jìn)行模擬，在基坑開挖施工、支撐結(jié)構(gòu)假設(shè)以及基坑土體軟化因素的影響下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向支撐剛度發(fā)生變化，因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向土壓力也會發(fā)生較大變化。

報警工況支撐軸力變化情況如表5所示，通過對表5進(jìn)行分析，在建模計算中，最大位移量為47.8mm，而連續(xù)墻最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為1012kN·m。另外，各道支撐的軸力差異比較大，在第1道混凝土支撐結(jié)構(gòu)施工中，支撐結(jié)構(gòu)間距為9m，軸力增加至4860kN，而在第2道鋼支撐施工中，基坑土體軟化，因此，第1道混凝土支撐軸力有所減少。在第2、3道鋼支撐施工中，鋼支撐結(jié)構(gòu)之間的距離為3m，最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值的計算結(jié)果為1181×3=3543kN。

表5 報警工況支撐軸力變化情況

5 結(jié)果分析

5.1 數(shù)值模擬分析結(jié)果

根據(jù)建模分析，最大水平位移量為48mm。與施工現(xiàn)場測量值之間的差異比較小。另外，連續(xù)墻最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值、鋼支撐的最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值均逐漸增加。

5.2 常規(guī)方法驗算的不足

在該工程施工中，基坑底部土體軟化，并且支撐結(jié)構(gòu)剛度顯著降低，如果采用常規(guī)計算方式往往很難模擬分析，很難對特殊工況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移量和內(nèi)力進(jìn)行準(zhǔn)確計算。

6 總結(jié)

綜上所述，該文主要結(jié)合實例，對地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大的情況進(jìn)行實測和計算分析。在該工程支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，結(jié)合明挖技術(shù)、地下連續(xù)墻技術(shù)以及內(nèi)支撐支護(hù)形式，對數(shù)值進(jìn)行反演計算，同時根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況，綜合考慮不同施工階段支撐架設(shè)因素以及坑底地質(zhì)環(huán)境因素，并與實際測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，進(jìn)而準(zhǔn)確反應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形實際情況，通過計算分析，即可確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大的原因，并進(jìn)行施工模擬和安全性評價，進(jìn)而為其他項目提供可靠依據(jù)。