隨著城市基礎設施建設在中國的快速發(fā)展，我國基建發(fā)展重心也經歷了從地上向地下的轉變，并且這種轉變的高速推進在未來是可持續(xù)性的。車站等在日常交通中是比較關鍵的節(jié)點，聯(lián)合其周邊的區(qū)域正在逐步形成各種大型的地下空間綜合體。廣州市巖土工程條件的一個顯著特點為復雜多變，因此更需注意其基坑工程引起的周邊環(huán)境變化。該地區(qū)的地層結構富含軟土，加上現(xiàn)在基坑工程大多在城市的核心區(qū)域進行緊鄰施工，因此對變形的控制更為嚴格。

Goh等［1］在新加坡美術館的工程實例研究基礎上，綜合評估了建筑剛度以及建筑損傷的影響。馮曉臘等［2］對武漢老鋪片商業(yè)區(qū)的深基坑工程進行研究，采用有限元的方法進行基坑全過程開挖的數值模擬，驗證了工程施工方法的合理性；黃迅等［3］以杭州某鄰近盾構隧道的軟土基坑開挖工程作為工程背景，采用PLAXIS三維有限元建模，進行鄰近開挖的影響分析。研究主要突出深大基坑開挖引起的環(huán)境影響方面，并提出了地表沉降預測曲線［4-5］。李大鵬等［6］總結了前人研究的地表沉降模式，美中不足的是缺少了對基坑周圍深層土體位移的研究；李連祥等［7］基于離心實驗，對復合地基與支護結構之間有一定距離的工程實例進行有限元數值建模，研究了土條寬度與結構內力、位移的影響規(guī)律。此前，筆者已經對關于廣州北站的基坑墻頂水平位移、地表沉降以及對既有廣鐵九號線的影響作了報道［8］。

本文以廣州北站站房工程為研究對象，研究站房工程施工的支護結構響應問題。同時在前人對廣州北站站房工程的研究基礎上，對現(xiàn)場工程實測數據展開進一步分析，利用有限元軟件研究緊鄰地下空間的基坑開挖引起的支護結構變形影響，以期對廣州地區(qū)類似的鄰近開挖基坑工程的設計以及施工，起到一定的借鑒和指導作用。

1 工程概況

廣州北站項目位于廣州市花都區(qū)新華街，既有京廣鐵路武廣鐵路西側，在建廣州地鐵九號線東北側。車站建筑設計采用“高架候車+線側站房”的布局方式，側式站房基坑設計范圍為站房地下一層基坑。基坑平面形狀總體呈多邊形，不規(guī)則，南北長約141 m，東西寬約120 m，基坑深7.5 m?；硬捎玫叵逻B續(xù)墻+內支撐，坑內疏干降水。地下連續(xù)墻厚800 mm，入巖1 m，平均樁長約16 m。豎向采用一道混凝土斜支撐，支撐水平間距為4～6 m，混凝土斜支撐兩端支撐在冠梁和基坑第二排樁基承臺上?；炷林沃鳁U截面為0.8 m×1.2 m，斜支撐長14～17 m。

基坑所處地塊為廣州市軌道交通9號線東北側，工程場地屬于花都沖積平原區(qū)，地形整體平坦開闊，地勢起伏較小，地面高程一般為5～10 m。通過現(xiàn)場調查及收集施工檢測資料，車站施工質量良好，車站結構混凝土強度滿足設計要求，已澆筑混凝土表面無裂紋，表觀質量較好。場地土物理力學參數見表1。

表1 場地土物理力學參數

本文研究重點集中于地下水位監(jiān)測、墻體側向變形監(jiān)測以及支撐軸力監(jiān)測等項目。見圖1。

圖1 站房基坑監(jiān)測點平面布置

2 基坑實測數據分析

2.1 墻體側向變形監(jiān)測

本項觀測工作預埋X1～X15共15根測斜管，最終累計位移量最大的測斜孔是X2，向基坑內側位移18.5 mm；最終累計位移量最小的測斜孔是X5，向基坑內側位移12.5 mm?？偟膩碚f，各測斜孔的位移量均較小，累計位移量均未超過設計及規(guī)范中的變形允許控制值（±30 mm）。究其原因，X2點位外恰好是農新路與站前路的交叉口，每天車流量較大，再加上在基坑開挖過程中的土方卸載以及主動土壓力的增大，在支撐前期并沒有受力的情況下，地連墻的變形相對靈敏，故此處的圍護結構變形最大?？拷鼜V州軌道九號線的點位的墻體側向變形不突出，可能是采取了袖筏管注漿操作，在一定程度上有效地控制了地鐵隧道位移。

由圖2可以看出變形比較大的點位于基坑圍護的中部；而變形相對比較小的點位于基坑圍護的角點部位。由此可得：具有圍護結構體系的基坑，往往在開挖中會呈現(xiàn)出明顯的空間效應，其中部的側向變形會遠遠大于邊角，呈現(xiàn)出中部對稱性［9］。從圖2可以看出，基坑開挖過程中地連墻墻體側向變形表現(xiàn)為一種典型的復合曲線，即曲線頂端初始隨著中心土開挖變形不斷擴大，在“平衡土開挖+斜撐支護”階段，曲線頂端基本不再變化，而開挖面附近某個高度隨著開挖進行逐漸擴大至一具體數值。這是初期頂部未設置大剛度支撐，并且后續(xù)設置斜撐的墻體側向變形模式，符合基坑的實際情況。丁智等［9］在類似基坑監(jiān)測工程項目中曾得出，各測點的土體最大側移深度均處于基坑開挖面上4.00 m至開挖面下2.00 m范圍內。而本文的墻體側向變形情況，通過力的傳導也可認為與其得出的結論相一致。此外，由于基坑的支護設置情況與丁智等［9］和張立明等［10］不同，無法完全類比的由墻體側向變形推出深層土體變形的具體形態(tài)，但根據圖2可以看出：若前期已設置大剛度斜撐，則深層土體變形可能會更接近丁智［9］的“階梯鼓肚形”。

圖2 墻體側向變形監(jiān)測結果（測孔X2）

2.2 地下水位監(jiān)測

地下水位監(jiān)測工作共設置10個地下水位監(jiān)測孔，編號為W1-W10。整個監(jiān)測過程中，地下水位測點W6（-1646 mm）、W7（-1165 mm）、W10（-1136 mm）最終累計變化量已超出控制值（±1000 mm），3個測點均位于基坑西南側；其他地下水位測點的水位變化量均較小，且累計變化量均未超過規(guī)范的變化允許控制值，見圖3。根據工程地質及水文地質資料可知：施工現(xiàn)場存在覆蓋型巖溶，其中場地北側、西側及東南側巖溶發(fā)育程度較高；場地范圍內地下水主要為第四系松散巖土類孔隙水與覆蓋型碳酸鹽巖類裂隙溶洞水兩類，勘察期間測得地下水穩(wěn)定水位埋深2.3～2.7 m，本次水位出現(xiàn)預警情況的測點主要位于基坑西南側。比較合理的解釋為該期間為枯水期，正常情況地下水位也處于低水位期。

圖3 地下水位監(jiān)測結果

2.3 支撐軸力監(jiān)測

監(jiān)測過程中，最終受力值最大的是L4，支撐受力值為2138.8 kN；最終受力值最小的是L8，支撐受力值為1851.6 kN；總的來說，L1-L12測點最終受力均穩(wěn)定在2000 kN左右，具體支撐軸力變化過程見圖4。與墻體側向變形對比來看，這樣的監(jiān)測結果顯得尤為合理。首先，在初期軸力變化最大的L1點，其在5月中旬軸力的變形突增，呈現(xiàn)出一種跳空陡增而后回落的態(tài)勢。前文墻體側向變形中我們提到過，X2點位（L1軸力測點對應的地連墻測點）外恰好是農新路與站前路的交叉口，每天車流量較大，再加上土方卸載以及主動土壓力增大等因素，在支撐前期并沒有受力的情況下，地連墻的變形會相對比較靈敏，故此處前期圍護結構變形最大。使用支撐控制圍護結構變形后，變形得到控制的同時，支撐的軸力也會相應的激增，這樣的現(xiàn)象是相對合理的。而靠近廣州軌道九號線的點位的墻體側向變形本就不算突出，因此相應支撐設置之后的軸力變化也沒有那么明顯，呈現(xiàn)出一種階梯狀的緩慢爬升態(tài)勢（L11、L12）。

圖4 支撐軸力變化曲線

3 基于Plaxis的有限元分析

3.1 主要參數取值

為研究實際工程監(jiān)測中無法完全揭示的一些變形及規(guī)律，本文擬采用有限元軟件Plaxis來進行數值模擬分析。由于在模擬中，若忽略土的小應變剛度，則極有可能會導致地面沉降及圍護結構變形的高估。因此本文考慮采用小應變土體硬化模型（HSS模型），此高級本構模型或許更符合實際工況下的變形。該模型對土體剛度的精確描述，是在土體硬化模型的基本設置上改進土體參數來實現(xiàn)的。數值模擬中土體參數數值主要依據廣州地區(qū)土體實驗室測試的物理參數來取值，其中HSS模型的具體取值見表2。

表2 HSS模型參數取值

由于工程實例的基坑與車站過于不規(guī)則，探究一般性規(guī)律存在困難，因此在本節(jié)運用Plaxis構建一個理想化模型，采用廣州北站案例的地質條件和一些相關參數，旨在探究基坑鄰近開挖支護結構響應的一般性規(guī)律。其中基坑外寬度取40 m，為開挖深度的3倍，基坑寬度12 m，初始有限土體寬度取10 m，開挖深度12 m?；炷恋剡B墻的軸向剛度取EA=1.5×107kN/m，鋼筋混凝土支撐軸向剛度取EA=8×105kN/m?；悠矫嫫拭嬉妶D5。

圖5 基坑平面剖面

3.2 支護結構水平位移分析

由圖6可以看出，在基坑的開挖過程中，隨著開挖的進行和支撐的架設，圍護結構會產生一定程度的變化?？偟膩碚f，支護結構的變形模式呈現(xiàn)為“弓形”。從有限元分析結果可以發(fā)現(xiàn)，支護結構隨著基坑開挖的不斷進行，側向位移也不斷增加，且表現(xiàn)為最大的側向位移下移，大致發(fā)生在開挖面附近。且從圖6中可以看出，在各道工況下，基坑A區(qū)的西側圍護墻墻A的側向位移值較之東側圍護墻墻B的側向位移值要大，且墻A都是向坑內位移，墻B在開挖階段則出現(xiàn)了向坑外位移的情況。當基坑開挖至底層時，在開挖面附近基坑A區(qū)東西兩側的地連墻側向位移值達到了最大值，分別為22.42、13.44 mm，可以看出墻A的地連墻最大側向位移值要大于墻B的地連墻側向最大位移值。主要原因為A基坑與B基坑間的土體為有限土體，由于其受到的土壓力為有限土壓力，會小于常規(guī)的朗肯土壓力，因此圍護結構變形也偏小。其次，在前期車站結構施工時，對于A區(qū)的土體以及圍護結構有一個向坑外的反向變形作用，因此在后期變形時，首先需要抵消這方面的變形，因此墻B側向位移值較之墻A會偏小。

圖6 不同開挖深度下的圍護結構水平位移

3.3 支護結構內力分析

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，墻B的彎矩在挖深不大時會出現(xiàn)負彎矩，而墻A則一直承受正彎矩的作用，當開挖深度為3 m時，墻B的正負彎矩拐點出現(xiàn)在地下2.5 m附近。隨著挖深增大，地連墻的最大彎矩也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢。當基坑對應的開挖深度為9、12 m時，墻A、墻B的最大彎矩值分別為407.37、833.40、360.05、746.39 kN·m?？梢?，A區(qū)基坑西側的地連墻彎矩在各開挖階段都要大于東側，由于AB坑的圍護結構間土壓力為有限土壓力，故往往小于朗肯土壓力，同時也限制了墻體彎矩的正常發(fā)展。結合挖深可以發(fā)現(xiàn)，墻體彎矩的最大值通常發(fā)生在開挖面附近，這是由于在坑底附近，地連墻的側向位移與彎矩往往在此處達到極值。且隨著挖深的不斷增大，彎矩值表現(xiàn)出由地面開始先增大后減小，最后趨于零的一般規(guī)律。因此在鄰近既有建筑的基坑開挖工程中，尤其要注意坑底位置的圍護結構安全性計算。

圖7 基坑A區(qū)圍護墻彎矩變化

3.4 有限土體寬度對基坑變形的影響

首先分析原始的有限土體寬度為B=10 m的情況，取基坑A區(qū)作為研究對象，研究基坑A區(qū)的支護結構在初始有限土體寬度情況下的變形情況。圖8為基坑A區(qū)開挖完成后的支護結構水平位移對比圖。其中，處于西向的墻A遠離有限土體，處于東向的墻B靠近有限土體。由圖8可以看出，墻A的水平位移明顯大于墻B，且將單基坑開挖加入比較可得，墻A的水平位移大于單基坑開挖引起的水平位移，而墻B的水平位移則小于單基坑開挖引起的水平位移。其中的主要原因還是前文提到的A、B坑間土體為有限土體，將其與傳統(tǒng)的半無限土體進行比較，土壓力要偏小，這直接導致了靠近有限土體一側的支護結構水平位移減小，且會使得基坑A區(qū)的支護結構軸力相較于傳統(tǒng)單基坑軸力偏小，故遠離有限土體一側的支護結構水平位移反而會大于傳統(tǒng)單基坑開挖產生的水平位移。其次，鄰近基坑開挖的墻A最大水平位移值為22.42 mm，與單基坑開挖的支護結構水平位移值18.16 mm比較增加了23.46%；墻B的最大水平位移值為13.44 mm，與單基坑開挖的支護結構水平位移值18.16 mm比較減少了25.99%。由此可以看出，基坑鄰近開挖的情況下，靠近有限土體一側的支護結構受到的影響往往會大于遠離有限土體一側的支護結構。

圖8 相鄰支護結構水平位移對比

由圖9可以看出，墻B的水平位移值會隨著有限土體寬度的增大而逐漸增大。究其原因，是隨著土體寬度的增大，有限土體的土壓力會增大，因此圍護結構的變形也相應增大。B=10 m的情況下，墻B的水平位移值為13.44 mm；而當B=20 m時，墻B的水平位移值達到了16.89 mm，水平位移值增加了25.67%。

圖9 不同土體寬度墻B變形

4 結語

1）墻體側向變形比較大的點位大多位于基坑圍護的中部；而墻體側向變形相對比較小的點位大多位于基坑圍護的角點部位，展現(xiàn)出明顯的中部對稱性。初期軸力變化較大的點位，在5月中旬附近軸力變形突增，呈現(xiàn)出一種跳空陡增而后回落的態(tài)勢，而靠近廣州軌道九號線的點位軸力變化不明顯，呈現(xiàn)出一種階梯狀的緩慢爬升態(tài)勢。

2）基于Plaxis的有限元模擬結果可得，在基坑的開挖過程中，支護結構的變形模式呈現(xiàn)為“弓形”。支護結構隨著基坑開挖的進行，最大的側向位移下移，大致發(fā)生在開挖面附近。在各道工況下，基坑A區(qū)的西側圍護墻墻A的側向位移值較之東側圍護墻墻B的側向位移值要大。

3）基于Plaxis的有限元模擬結果可得，隨著挖深的不斷增加，地連墻的最大彎矩也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢。且A區(qū)基坑西側的地連墻彎矩在各開挖階段都要大于東側地連墻彎矩，結合挖深可以發(fā)現(xiàn)，墻體彎矩的最大值通常發(fā)生在開挖面附近。墻A的水平位移大于單基坑開挖引起的水平位移，而墻B的水平位移則小于單基坑開挖引起的水平位移。靠近有限土體一側的支護結構受到的影響往往會大于遠離有限土體一側的支護結構，墻B的水平位移值會隨著有限土體寬度的增大而逐漸增大。