張鳳鳴 王曉華 賈文彪

（1.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，西安 710055；2.中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，西安 710054）

0 引言

大多數(shù)地鐵深基坑建于城市繁華地帶，緊鄰眾多密集建筑物，在狹小的場(chǎng)地、復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)挖對(duì)施工技術(shù)及支護(hù)體系有極高的要求。本文采用地連墻+內(nèi)支撐的方法來(lái)預(yù)防基坑變形，地下連續(xù)墻在基坑開(kāi)挖時(shí)作為防滲和擋土結(jié)構(gòu)，可以最大限度地降低施工過(guò)程對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者主要采用數(shù)值模擬［1-4］、理論公式［5］等來(lái)分析計(jì)算基坑開(kāi)挖引起的地面沉降。任永忠等［6］對(duì)施工過(guò)程中樁頂及樁身位移進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用HSS土體本構(gòu)模型對(duì)此工程進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證。高丙麗等［7］運(yùn)用FLAC模擬樁體變形、鋼支撐軸力、基坑周邊地表變形情況，認(rèn)為土方分層開(kāi)挖、鋼支撐預(yù)應(yīng)力施加能有效抑制圍護(hù)樁變形。周勇等［8］、DINGZ等［9］對(duì)樁頂水平位移、樁體水平位移、內(nèi)支撐軸力和地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究，為類(lèi)似深基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。由于地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)目前多用于軟土地區(qū)，在濕陷性黃土地區(qū)深度超過(guò)25 m的地鐵車(chē)站深基坑工程中涉及較少，且該支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效解決基坑附近地表沉降過(guò)大問(wèn)題，將基坑施工對(duì)周?chē)h(huán)境影響降至最低，最大程度上保護(hù)緊鄰基坑的重要文物，故本文對(duì)今后地下連續(xù)墻在濕陷性黃土地區(qū)施工應(yīng)用有著及其重要的意義。

1 開(kāi)挖引起地面沉降計(jì)算

1.1 沉降變形影響因素

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，造成地面沉降的影響因素各不相同，其中包括開(kāi)挖方式、施工技術(shù)、地質(zhì)狀況、地下水位、基坑支護(hù)形式等因素，本文從以下幾個(gè)方面對(duì)沉降影響因素進(jìn)行闡述。

1）地下水狀況。地鐵車(chē)站地下水主要為第4系紀(jì)孔隙潛水，主要賦存于黃土類(lèi)土、粉質(zhì)粘土、砂類(lèi)土層中，水量較大，故在基坑開(kāi)挖前要確保地下水降低到設(shè)計(jì)標(biāo)高后方可進(jìn)行施工。

2）地質(zhì)狀況。西安屬于濕陷性黃土地區(qū)，在浸水后土的結(jié)構(gòu)迅速發(fā)生變化，強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低，周?chē)馏w會(huì)產(chǎn)生顯著變化，沉降不斷累積會(huì)危及整個(gè)基坑安全性，應(yīng)采取素土樁擠密或浸水處理等方法改善濕陷性黃土地基。

3）支護(hù)形式。在開(kāi)挖時(shí)墻體外側(cè)由于受到主動(dòng)土壓力向坑內(nèi)側(cè)移，背后土體應(yīng)力減少，地面發(fā)生一定量沉降，該深基坑支護(hù)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐方式能有效控制基坑變形。

4）施工方式。基坑緊鄰重要文物建筑，同時(shí)處于市中心繁華區(qū)域，采用半蓋挖法進(jìn)行施工，能最大程度上保證在不影響交通的情況下完成施工任務(wù)，在嚴(yán)格控制施工程序時(shí)可以保證基坑的變形量小于滿(mǎn)足環(huán)保要求的變形量。

1.2 基本假定

在計(jì)算開(kāi)挖引起地面沉降量時(shí)，假定沉降曲線(xiàn)沉降變形及地表沉降曲線(xiàn)如圖1所示，根據(jù)地層損失相關(guān)理論，認(rèn)為地面沉降面積與地下連續(xù)墻側(cè)移面積大致相似，包絡(luò)面積計(jì)算見(jiàn)式（1）：

圖1 基坑變形機(jī)制及地表沉降曲線(xiàn)

式中，SD為地連墻側(cè)移面積，SD1、SD2分別為地表沉降的三角形區(qū)域和曲線(xiàn)面積區(qū)域，同時(shí)假定沉降影響范圍為X≈6X0。

1.3 公式推導(dǎo)

受開(kāi)挖地表影響區(qū)域計(jì)算見(jiàn)式（2）：

地表沉降變形三角形區(qū)域靠近地連墻地表沉降計(jì)算見(jiàn)式（3），三角形面積計(jì)算方法見(jiàn)式（4）：

2 工程應(yīng)用

2.1 工程簡(jiǎn)介

西安市某地鐵車(chē)站為地下3層3跨（局部4跨）箱型框架結(jié)構(gòu)，車(chē)站主體全長(zhǎng)約247.5 m，基坑深約為27.1～30.15 m，支護(hù)體系由1 000 mm厚地下連續(xù)墻+4道水平支撐組成，入土深度為15~18 m。

擬建場(chǎng)地現(xiàn)地形平坦，位于西安市主要繁華商業(yè)景點(diǎn)鬧市區(qū)，東大街道路兩側(cè)基本均為商業(yè)建筑，人流量非常大，車(chē)輛川流不息。

2.2 基坑主體監(jiān)測(cè)方案

由于該車(chē)站緊鄰重要文物建筑，在開(kāi)挖時(shí)應(yīng)該密切監(jiān)控其沉降變化值，基坑周?chē)奈锉O(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置見(jiàn)圖2。

圖2 重要文物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 基坑周邊地面沉降計(jì)算

根據(jù)本文1.3節(jié)提出的地表沉降改進(jìn)公式可知：

經(jīng)計(jì)算得出地表最大沉降發(fā)生位置及基坑開(kāi)挖影響范圍，周?chē)乇淼淖畲蟪两盗堪l(fā)生在距地連墻后15.1 m處，變形最大值為35.7 mm，開(kāi)挖的影響區(qū)域?yàn)榫嗷?0 m范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)施工必須對(duì)緊鄰既有文物建筑采取特定的保護(hù)措施，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，密切關(guān)注文物的沉降值與傾斜率?；?xùn)|側(cè)開(kāi)挖至坑底時(shí)地表沉降的監(jiān)測(cè)與理論曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 地表沉降理論計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比

地表沉降監(jiān)測(cè)值與理論計(jì)算對(duì)比曲線(xiàn)變化趨勢(shì)大致相似，在開(kāi)挖至基坑底部這一工況下，基坑邊緣處計(jì)算值略小于實(shí)測(cè)值，此時(shí)計(jì)算值為-21 mm，實(shí)測(cè)沉降值達(dá)-25 mm。在距基坑15 m處地表的沉降量達(dá)到最大，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值分別為-36 mm和-33.5 mm，二者相差2.5 mm，誤差很小，再次驗(yàn)證此理論計(jì)算的可靠性。

2.4 基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)奈镉绊?/h3>

車(chē)站主體位于東大街與北大街交叉口東側(cè)，沿東大街東西向敷設(shè)西側(cè)路口正中為國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位——鐘樓，車(chē)站的西北象限為西安十大建筑之一，省重點(diǎn)文物保護(hù)單位鐘樓郵局及省文物保護(hù)單位新華書(shū)店，基坑開(kāi)挖導(dǎo)致附近文物建筑沉降變化量見(jiàn)圖4—圖6。

圖4 鐘樓沉降曲線(xiàn)

圖6 新華書(shū)店沉降變化曲線(xiàn)

圖4為基坑西側(cè)鐘樓距離基坑最近的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，從圖中可以看出該建筑的初始沉降值為1 mm，在施工初期，各測(cè)點(diǎn)的變化量較為平穩(wěn)，隨著基坑的不斷開(kāi)挖，建筑物的沉降量不斷增加至-1~-2 mm。各沉降量變化范圍控制在4 mm之內(nèi)，低于鐘樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警值6 mm。

由圖5可以看出，在開(kāi)挖初期建筑物的初始沉降值為0.5~-1 mm，各測(cè)點(diǎn)沉降量隨施工進(jìn)程不斷增加，在開(kāi)挖至135 d時(shí)，基坑西側(cè)第3層土體進(jìn)行開(kāi)挖，各測(cè)點(diǎn)沉降量達(dá)到峰值，其中YJJGC-20測(cè)點(diǎn)距離基坑主體距離14 m，最大沉降量達(dá)-3.6 mm，及時(shí)架設(shè)混凝土支撐有效減少了建筑物沉降變形，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值在1.8~-2.1 mm，屬于安全可控范圍內(nèi)。

圖5 鐘樓郵局沉降曲線(xiàn)

因新華書(shū)店位于整個(gè)基坑中部且距離僅4.7 m，故沉降量在所有文物建筑中最大，在開(kāi)挖初期，各監(jiān)測(cè)值在0~-2 mm，由于測(cè)點(diǎn)1、2處于基坑邊緣位置，沉降量是其余測(cè)點(diǎn)的兩倍之多，達(dá)到-11 mm，此時(shí)已超過(guò)預(yù)警值9 mm，需加快支撐結(jié)構(gòu)的架設(shè)及建筑物自身加固工作。這是由于基坑不斷開(kāi)挖導(dǎo)致邊緣側(cè)壓力持續(xù)增加，土體內(nèi)部應(yīng)力釋放過(guò)快引起距離最近的建筑物沉降量驟增，在開(kāi)挖至第3層土體和基坑底部時(shí)應(yīng)對(duì)新華書(shū)店加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與安全控制，密切關(guān)注建筑物測(cè)點(diǎn)變化值，一旦超出報(bào)警值12 mm要及時(shí)上報(bào)。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 相關(guān)參數(shù)的取定

本文采用有限元軟件Abaqus對(duì)基坑施工工況進(jìn)行開(kāi)挖模擬，土體本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫模型，建立模型的參數(shù)參照地質(zhì)勘查報(bào)告，詳見(jiàn)表1—表2。

表1 土體參數(shù)

表2 其他構(gòu)建參數(shù)

3.2 模型結(jié)果與分析

3.2.1 模型建立

土體采用C3D8R單元，地下連續(xù)墻采用C3D8R單元，格構(gòu)柱、混凝土水平支撐、鋼支撐和槽鋼采用B31單元，車(chē)站主體全長(zhǎng)為225.076 m，寬度約為26.8～40.3 m。支護(hù)體系采用1 m厚地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐為混凝土和鋼支撐2種形式，建立的有限元模型見(jiàn)圖7。

圖7 地連墻水平位移云圖

隨著基坑開(kāi)挖深度增加，墻體的水平位移逐漸增大，開(kāi)挖至基底時(shí)水平位移達(dá)到27 mm。在開(kāi)挖初期，最大位移出現(xiàn)在坑口和基底區(qū)域，在施工中隨著基坑土體卸荷，應(yīng)及時(shí)按照支撐設(shè)計(jì)要求架設(shè)混凝土支撐和鋼支撐。墻體水平位移在基坑底板澆筑完成后趨于穩(wěn)定，由于在每層土體開(kāi)挖完成后和支撐拆除這段時(shí)間內(nèi)基坑容易發(fā)生較大變形，為了將基坑變形控制在安全范圍內(nèi)，應(yīng)減少無(wú)支撐暴露時(shí)間。

3.2.2 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

擬建車(chē)站深基坑施工采取分層分段開(kāi)挖方式，關(guān)鍵施工工況如表3所示，將數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值根據(jù)不同工況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示。

表3 模型關(guān)鍵施工過(guò)程工況

圖8 各工況地連墻位移模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比曲線(xiàn)

工況2開(kāi)挖至9.2 m時(shí)，曲線(xiàn)出現(xiàn)拐點(diǎn)，位移圖呈“懸臂式”，開(kāi)挖影響區(qū)域大致在開(kāi)挖面以下9.5 m處，此時(shí)模擬值較實(shí)測(cè)值偏大，這是由于在數(shù)值模擬的過(guò)程中整個(gè)工況是固定的，但在實(shí)際開(kāi)挖中，土層參數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化，這就導(dǎo)致二者有較大差異；工況3開(kāi)挖至15.7 m時(shí)，及時(shí)架設(shè)支撐使得位移變化率有小幅度下降，但位移量還在持續(xù)增大，此時(shí)影響區(qū)域在開(kāi)挖面以下18 m附近；工況5開(kāi)挖至坑底處，地連墻水平位移達(dá)到峰值27 mm，此時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)值為25.27 mm，與模擬值僅差1.73 mm，表明模擬值貼合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，此數(shù)值模擬可以用于該工程。

隨著基坑開(kāi)挖深度增加，地連墻最大水平位移所處的位置逐漸下降，直至基坑底部位移達(dá)到峰值，在墊層澆筑完成后，水平位移大小和最大值所處的位置已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 對(duì)比分析

4.1 不同工況下墻體位移分析

下文考慮2種模型4種工況，第1種模型是地連墻埋深15 m時(shí)荷載為0、20 kPa的情況，第2種模型是地連墻埋深18 m時(shí)荷載為0、90 kPa的情況，綜合考慮了建筑荷載和施工超載，在不同條件下墻體位移曲線(xiàn)變化見(jiàn)圖9。

圖9 不同荷載下地連墻水平位移曲線(xiàn)

在不同荷載條件下地連墻的水平位移變化曲線(xiàn)均近似于“凸”形，墻體水平位移隨著荷載增加而變大。在墻體嵌入土體18 m的條件下，0 kPa荷載的實(shí)測(cè)值和模擬值分別為28.07 mm和35.86 mm，最大變形位置大致在墻體的0.48~0.86H，而90 kPa荷載下墻體的位移為33.59 mm和38.43 mm，此時(shí)最大變形位置大致在墻體的0.53~0.81H。這4種工況的實(shí)測(cè)值和模擬值均表明地連墻最大水平位移位置均出現(xiàn)于基坑底部26.8 m處，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)墻體頂端變形朝向坑外，其余測(cè)點(diǎn)均向坑內(nèi)發(fā)生變形。

4.2 施加荷載的墻體變形的過(guò)程

在地連墻嵌入土體18 m且施加150 kPa荷載的條件下，隨著基坑開(kāi)挖工序?qū)又胁磕媳眱煞剡B墻水平位移進(jìn)行對(duì)比分析，墻體變形云圖情況見(jiàn)圖10，水平位移變形曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。

圖10 施加荷載后墻體水平位移云圖

由圖11可知，地連墻兩幅墻體隨著開(kāi)挖工序的進(jìn)行水平位移變化規(guī)律大致相同，在開(kāi)挖至3 m時(shí)，位移達(dá)到17 mm左右，當(dāng)開(kāi)挖到第3層土體時(shí)，地連墻變形均達(dá)到高峰，南墻變形的監(jiān)測(cè)值與模擬值分別為32.88 mm和30.52 mm，而北墻也達(dá)到了28.21 mm及26.93 mm。在超載情況下基坑中部所受應(yīng)力遠(yuǎn)超邊角，也是墻體最容易發(fā)生變形的區(qū)域，及時(shí)架設(shè)的第3道混凝土支撐能有效控制住水平方向的墻體變形，其預(yù)加軸力使得地連墻發(fā)生反方向位移，進(jìn)一步防止基坑產(chǎn)生形變。在開(kāi)挖5階段墻體水平位移達(dá)到峰值，由于此時(shí)已開(kāi)挖至底部，是整個(gè)基坑變形沉降最大時(shí)期，北墻監(jiān)測(cè)、模擬數(shù)值分別為38.68 mm和36.54 mm，南墻則是42.20 mm及39.65 mm，此時(shí)應(yīng)快速進(jìn)行墊層砼和底板砼施工，防止基坑發(fā)生變形。

圖11 墻體在不同開(kāi)挖工序時(shí)水平位移變形曲線(xiàn)

從基坑開(kāi)挖實(shí)際施工及數(shù)值模擬過(guò)程來(lái)看，地下連續(xù)墻變形最大發(fā)生在開(kāi)挖最后一層土體后，這是由于支撐的作用，使得未嵌入土體部分地下連續(xù)墻的變形得到限制，而嵌入土體的地下連續(xù)墻部分由于坑底的卸載，使得土體回彈，從而導(dǎo)致其變形量比坑底以上部分的地下連續(xù)墻變形量偏大。在實(shí)際施工中，當(dāng)基坑開(kāi)挖到最后一層土體時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)基坑變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行底板施工。

4.3 基坑開(kāi)挖地表沉降變形過(guò)程

將前文提出的地表沉降計(jì)算方法與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值、數(shù)值模擬得出的基坑開(kāi)挖后地表沉降值做對(duì)比分析，在考慮地面超載的情況下沉降曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖12。

圖12 不同距離處地表沉降與計(jì)算值對(duì)比

由對(duì)比圖可以看出，數(shù)值模擬的曲線(xiàn)圖與實(shí)際監(jiān)測(cè)和理論計(jì)算曲線(xiàn)變化趨勢(shì)大致相同，證明有限元計(jì)算是合理的。經(jīng)對(duì)比可知在距離基坑邊緣15 m左右地表沉降達(dá)到最大值，監(jiān)測(cè)與模擬值相差10 mm，這可能是由于在數(shù)值模擬過(guò)程中，考慮了附加荷載情況，故與實(shí)際監(jiān)測(cè)值存在一定誤差，其差值在允許范圍內(nèi)。此理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果可為濕陷性黃土地區(qū)基坑開(kāi)挖工程提供一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

濕陷性黃土地區(qū)采用地連墻加內(nèi)支撐的支護(hù)形式極少，以西安某深基坑工程為例，采用半幅蓋挖法施工緩解交通壓力，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范施工，地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)是保證基坑安全施工的重要因素之一，其足夠的剛度和強(qiáng)度有效減少了基坑在開(kāi)挖過(guò)程中引起的變形，將施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響降至最低，能保證周邊重要文物及其他建筑的安全性。對(duì)基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的周?chē)乇沓两?、建筑物沉降和地連墻變形的數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)論如下：

1）基坑開(kāi)挖的影響區(qū)域?yàn)榫嗷舆吘?0 m范圍內(nèi)，其中15 m以?xún)?nèi)是地表沉降變化最大區(qū)域，對(duì)此范圍內(nèi)建筑物加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，一旦超過(guò)報(bào)警值及時(shí)上報(bào)。

2）在第2層土體開(kāi)挖完成后，地連墻水平位移呈現(xiàn)“懸臂式”變形，隨著基坑開(kāi)挖深度增加，地連墻最大水平位移所處的位置逐漸下降，直至基坑底部墻體位移達(dá)到峰值27 mm，在墊層澆筑完成后，水平位移大小和最大值所處的位置已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

3）在施加不同附加荷載后基坑地連墻水平位移的實(shí)測(cè)與模擬變形曲線(xiàn)均呈現(xiàn)“凸”形，在地連墻嵌入土體15 m時(shí)最大變形位置大致在墻體的0.48~0.86 H。在地連墻嵌入土體18 m時(shí)最大變形位置大致在墻體的0.53~0.81H。在施加150 kPa荷載時(shí)，最大水平位移由42.64 mm增加至53.66 mm，說(shuō)明在墻體埋深同樣深度時(shí)，墻體水平位移隨著附加荷載的增加而顯著增大。

4）地連墻水位移量劇增發(fā)生于開(kāi)挖第3層土體和基坑底部，是由于坑底的卸載使得土體回彈，從而導(dǎo)致其變形量比坑底以上部分的地下連續(xù)墻變形量偏大。在實(shí)際施工中，當(dāng)基坑開(kāi)挖到最后一層土體時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)基坑變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行底板施工。