賈 霄，張金柱，夏瑞萌，郎瑞卿

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

深基坑開挖會引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和周邊地表沉降，進(jìn)而對周邊建構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響，研究分析深基坑的變形特性和規(guī)律具有一定的工程意義。許多學(xué)者采用基于實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析經(jīng)驗(yàn)方法對不同地區(qū)基坑開挖引起的變形開展了一系列研究，成果見表1。李淑等[1-2]和吳鋒波等[3-4]對北京地鐵車站深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地表變形特性進(jìn)行了大量實(shí)測統(tǒng)計(jì)和研究；劉美麟[5]對天津地鐵6號線25個車站的基坑變形規(guī)律進(jìn)行了研究分析；徐中華等[6-7]、王衛(wèi)東等[8]以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對上海地鐵深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地表變形規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；李方明等[9]對南京江漫灘地區(qū)的地鐵基坑變形規(guī)律進(jìn)行了研究；喬亞飛等[10]和朱瑤宏等[11]分別基于無錫軌道交通1號線和寧波軌道交通1號線工程，研究了兩個地區(qū)的深基坑變形特性。由表1結(jié)果可知，由于工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的差異，不同地區(qū)的基坑變形特性有所不同。北京地區(qū)主要為硬土地層，基坑變形最??；上海、南京、寧波等地區(qū)以軟土為主，基坑變形最大。天津地區(qū)上部土層以軟土為主，下部為土質(zhì)較好的硬土層，基坑變形居于前兩者之間。

表1 不同城市的基坑變形結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

太原地區(qū)尚缺乏針對地鐵車站深基坑變形特性的系統(tǒng)研究，工程技術(shù)人員對深基坑的變形特性和規(guī)律缺乏統(tǒng)一認(rèn)識[12]。由于地質(zhì)成因及區(qū)域性差異，其他地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)成果也不能直接用于指導(dǎo)本地區(qū)的工程實(shí)踐。針對太原的地層特點(diǎn)，本文建立了不同深度、不同插入比的有限元數(shù)值模型，以太原地鐵2號線11個車站深基坑工程的變形實(shí)測資料為基礎(chǔ)，從基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和周邊地表沉降兩個方面進(jìn)行了研究和分析，成果可用于指導(dǎo)本地區(qū)類似工程的設(shè)計(jì)和施工。

1 工程概況

太原地鐵2號線工程是太原市建設(shè)的首條地鐵，線路呈南北走向，主要穿越汾河漫灘和一級階地。汾河自北向南縱貫太原全市，市區(qū)大部分區(qū)域?yàn)闆_積扇平原。由于地質(zhì)成因不同，太原的地層特點(diǎn)鮮明，上部以填土、粉質(zhì)黏土為主，孔隙比大、含水率高、壓縮性高、多為高靈敏性土，受擾動后強(qiáng)度顯著降低；下部以砂層為主，滲透性強(qiáng)，水量豐富，且多為承壓含水層。由于砂層厚度較大，難以找到相對隔水層，車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，普遍采用懸掛式止水帷幕。圖1為典型車站的基坑支護(hù)剖面圖。

圖1 典型車站的基坑支護(hù)剖面圖

表2為太原2號線工程11座車站深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。主體基坑的開挖深度主要集中在17 m左右，最大約24 m，附屬基坑的開挖深度為11 m左右。插入比是衡量基坑經(jīng)濟(jì)性、影響基坑安全性的重要指標(biāo)，太原地鐵2號線車站主體及附屬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比平均值為0.5。

表2 太原2號線車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

目前國內(nèi)常用的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件僅能計(jì)算基坑開挖引起的基底回彈、地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移等變形，不能考慮降水引起的流固耦合作用，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際偏差較大。本文采用MIDAS/GTS有限元軟件模擬應(yīng)力場與滲流場共同作用的過程，更符合實(shí)際工況。考慮地鐵車站基坑均為長條型，建立二維平面模型進(jìn)行模擬計(jì)算。模型分11.0 m、17.0 m和24.0 m三種不同的開挖深度，每個深度設(shè)置0.35、0.50和0.65三種不同的插入比。表3為計(jì)算模型的參數(shù)表。

表3 模型參數(shù)表

為盡可能消除邊界影響，模型的計(jì)算深度取開挖深度的3倍，寬度取基坑寬度的4倍。模型上表面自由，側(cè)面約束水平向位移，下表面約束豎向和水平向位移[13]。模型邊界不透水，坑外地下水位取勘察水位，降水后坑內(nèi)水位取基底以下1.0 m，水位線處孔壓為零。

根據(jù)不同的土類選取不同的本構(gòu)模型，黏性土選用修正劍橋本構(gòu)模型，砂性土選用莫爾-庫侖本構(gòu)模型[14]。土體物理力學(xué)參數(shù)[15-16]的選取見表4。

表4 土體物理力學(xué)參數(shù)表

土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用面單元模擬，支撐采用梁單元模擬。圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐均為線彈性材料?；炷恋膹椥阅Ａ縀c=3×104MPa，鋼材的彈性模量Et=2×105MPa，泊松比μ=0.2。

模型首先在重力作用下進(jìn)行迭代計(jì)算，直至系統(tǒng)達(dá)到平衡，模擬地層的初始應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)基坑工程的實(shí)際施工步序設(shè)置施工階段的不同工況：(1) 施工圍護(hù)結(jié)構(gòu); (2) 進(jìn)行坑內(nèi)降水，水位降至基底以下1.0 m; (3) 分層開挖土方、架設(shè)支撐; (4) 開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后封閉基底，澆筑底板混凝土。

2.2 結(jié)果分析

為敘述方便，本文對涉及的符號做統(tǒng)一定義，見圖2。

圖2 基坑開挖變形示意圖

(1) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移。圖3為不同模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線，最終形態(tài)均呈現(xiàn)向坑內(nèi)的“凸形”。頂部和底部的側(cè)移較小，坑底附近的側(cè)移較大。主要原因是：基坑工程的施工工序一般是先開挖土方至某一標(biāo)高，再架設(shè)支撐。開挖冠梁淺基坑時，側(cè)向變形較小，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，有效約束了頂部側(cè)移。隨著逐層開挖土方，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)的變形逐漸發(fā)展。所以，在汾河漫灘和一級階地區(qū)修建地鐵車站基坑時，第一道支撐應(yīng)盡可能地設(shè)計(jì)為剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性更好的鋼筋混凝土支撐。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線圖

(2) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移與開挖深度的關(guān)系如圖4所示。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比相同的情況下，最大側(cè)移隨著開挖深度的增加不斷增大，近似呈線性。當(dāng)基坑開挖深度一定時，插入比越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移越小。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移量與基坑開挖深度的關(guān)系

劉建航等[17]認(rèn)為：增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比可提高坑底抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)，對減小基坑變形有利。但當(dāng)插入比大于0.9時，繼續(xù)增大插入比對減小基坑變形的效果不明顯，工程造價(jià)卻有較大增加。從經(jīng)濟(jì)合理角度考慮，不宜盲目加大插入比。根據(jù)部分地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)，不同區(qū)域、不同土層條件下，基坑的插入比相差較大。北京地區(qū)的地層條件相對較好，插入比也較小，主要分布在0.25～0.35范圍。上海軟土地區(qū)基坑的插入比較大，平均值約為1.1。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對于太原地區(qū)的地層而言，插入比為0.5時，δhm/H約0.14%，既能將圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制在規(guī)范允許的范圍，又避免了過高的工程投資。

(3) 最大側(cè)移的深度。圖5為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的深度與開挖深度的關(guān)系。在插入比相同的情況下，隨著開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的深度逐漸增大。插入比為0.5時，Hm/H在0.68到0.75之間。當(dāng)開挖深度一定時，插入比越大，Hm/H越小。這表明，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度越小，坑底土層對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的約束作用越弱，最大側(cè)移的深度越接近坑底。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的位置與基坑開挖深度的關(guān)系

(4) 周邊地表沉降。圖6為基坑周邊地表沉降曲線，均為向下的“凹形”，沉降范圍大致為坑外0～3.5H，最大沉降點(diǎn)位于0.3H附近。在0

圖6 地表沉降曲線圖

基坑周邊地表的最大沉降量與開挖深度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 地表最大沉降量與開挖深度的關(guān)系

相同插入比的基坑，地表最大沉降量隨著開挖深度的增加近似呈線性增大。當(dāng)開挖深度一定時，插入比越大，地表最大沉降量越小。本文的計(jì)算結(jié)果與劉建航等的研究結(jié)論一致，即適當(dāng)增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比，對減小基坑周邊地表沉降的作用顯著。對于太原地區(qū)的基坑工程而言，當(dāng)插入比為0.35、0.50和0.65時，δvm/H分別為0.24%、0.16%和0.10%。

3 統(tǒng)計(jì)分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移

(1) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移。經(jīng)過對11座車站基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到最大側(cè)移量與基坑開挖深度的關(guān)系曲線圖(見圖8)，可知：

① 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移隨開挖深度的增加而增大，大致呈線性趨勢。

② 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移與開挖深度之比δhm/H介于0.06%～0.18%之間，均值約為0.11%。

③ 在全部統(tǒng)計(jì)的δhm數(shù)據(jù)中，δhm/H≤0.15%的概率約為90%，建議太原地區(qū)地鐵車站基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制值取δhm=0.15%H。

圖8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移與開挖深度的關(guān)系

(2) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的深度。圖9是圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的深度與開挖深度之間的關(guān)系。最大側(cè)移的深度與開挖深度之比Hm/H約為0.6～1.1，均值為0.9。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的深度基本位于基底上方1.0 m～3.0 m。

圖9 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移深度與基坑開挖深度的關(guān)系

3.2 周邊地表沉降

(1) 地表最大沉降量。經(jīng)過對11座車站基坑周邊地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到地表最大沉降量與開挖深度的關(guān)系曲線如圖10所示，可知：

① 隨著開挖深度的增加，地表最大沉降量基本呈線性增大的趨勢。

② 地表最大沉降量與開挖深度之比δvm/H在0.11%～0.33%之間，均值約為0.21%。

③ 在全部統(tǒng)計(jì)的δvm數(shù)據(jù)中，δvm/H≤0.25%的概率約為90%，建議太原地區(qū)地鐵車站基坑周邊地表沉降的控制值取δvm=0.25%H。

圖10 地表最大沉降量與基坑開挖深度的關(guān)系

(2) 地表沉降影響范圍。《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[18](GB 50911—2013)將基坑工程的影響分區(qū)按照與基坑邊緣距離的不同劃分為主要影響區(qū)、次要影響區(qū)和可能影響區(qū)。對于土質(zhì)較堅(jiān)硬的北京地區(qū)，主要影響區(qū)為坑外0～0.7H范圍，次要影響區(qū)為坑外0.7H～2.0H范圍，可能影響區(qū)為距坑邊大于2.0H的范圍。對于以軟弱土為主的上海地區(qū)，主要影響區(qū)根據(jù)Htan(45°-φ/2)計(jì)算確定，次要影響區(qū)為坑外tan(45°-φ/2)H～3.0H范圍，可能影響區(qū)為距坑邊大于3.0H的范圍。

基于太原地鐵2號線11座車站基坑的實(shí)測數(shù)據(jù)，將地表沉降(δv)和沉降點(diǎn)距坑邊距離(d)進(jìn)行無量綱的歸一化處理，結(jié)果見圖11?？芍夯又苓叺乇沓两抵饕植荚?≤d/H≤2.5范圍內(nèi)，0≤d/H≤1.0范圍為主要影響區(qū)，1.0

圖11 地表沉降的影響范圍

3.3 實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對比分析

將圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比為0.5的數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測值進(jìn)行對比分析，可知：

(1) 對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移量，數(shù)值計(jì)算所得δhm/H約為0.14%，實(shí)測的δhm/H均值約為0.11%。實(shí)測值略小于計(jì)算值，吻合度較好。

(2) 對于最大側(cè)移的深度位置，計(jì)算的Hm/H約為0.7，實(shí)測的Hm/H均值約為0.9。實(shí)測明顯偏大，推測可能的原因是基底暴露時間過長。根據(jù)現(xiàn)場施工記錄，部分基坑開挖至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高后正值太原冬季環(huán)保督查期，商品混凝土生產(chǎn)企業(yè)開始減產(chǎn)、停工，現(xiàn)場混凝土供應(yīng)也受到一定影響，導(dǎo)致多個車站未能及時封底。建議施工時合理安排各工種的作業(yè)進(jìn)度，及時架設(shè)支撐，開挖至基底標(biāo)高后盡快封閉底板。

(3) 對于坑外地表的最大沉降量，計(jì)算的δvm/H約為0.16%，實(shí)測的δvm/H均值約為0.21%。實(shí)測值偏大，推測可能是過量抽水導(dǎo)致的。根據(jù)降水設(shè)計(jì)和現(xiàn)場抽水情況，部分基坑的降水管井深度較大，距止水帷幕底部較近，加大了坑外地下水向坑內(nèi)滲流；而且施工方為加快進(jìn)度、盡快降低水位，加大了抽水泵功率，平均日出水量顯著大于設(shè)計(jì)值，坑外地下水位顯著下降，進(jìn)而造成地表附加沉降。建議本地區(qū)的類似工程在設(shè)計(jì)和施工時，合理布置井間距，嚴(yán)格控制抽水量。

4 結(jié) 論

(1) 由于地質(zhì)條件差異，不同地區(qū)的基坑變形特性具有明顯的區(qū)域特點(diǎn)。北京地區(qū)主要為硬土地層，基坑變形較??；上海、南京、寧波等地以軟弱土為主，基坑變形較大。本文的計(jì)算結(jié)果及統(tǒng)計(jì)分析表明，太原地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移和地表沉降與天津、無錫等地區(qū)較接近。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移δhm/H介于0.06%～0.18%之間，地表最大沉降量δvm/H在0.11%～0.33%之間。

(2) 綜合考慮太原地鐵2號線的工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，太原地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比取0.5，可作為類似工程的參考。

(3) 結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)，建議太原地區(qū)深基坑的變形控制指標(biāo)采用如下值：δhm/H≤0.15%，δvm/H≤0.25%。

(4) 基坑周邊地表沉降主要分布于0≤d/H≤2.5范圍內(nèi)，0≤d/H≤1.0為主要影響區(qū)，1.0