［摘 要］ 以某地鐵車站深基坑工程為研究背景，介紹了該工程周邊環(huán)境、結(jié)構(gòu)型式及擬建場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)條件; 根據(jù)該工程特點(diǎn)將該工程分為四個(gè)典型工況，并根據(jù)各個(gè)工況結(jié)束時(shí)測(cè)得的基坑周圍土體沉降結(jié)果，分析了該基坑在開(kāi)挖過(guò)程中土體沉降規(guī)律; 通過(guò)建立三維模型對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中周圍土體沉降情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終得到基坑開(kāi)挖過(guò)程中周圍土體沉降規(guī)律及影響范圍。本文的研究成果可作為深基坑設(shè)計(jì)與制定施工方案的科學(xué)依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］ 地鐵車站; 深基坑; 地表沉降; 數(shù)值分析; 監(jiān)測(cè)

 

      某地鐵換乘站位于十字路口處，基坑兩側(cè)規(guī)劃道路寬均為 50m，車站共三層，車站全長(zhǎng) 194. 8m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為 22. 7m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖 1所示。車站結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，車站頂板埋深 3m，底板埋深 16m，主體結(jié)構(gòu)采用 C40的 S10 防水混凝土，外包全封閉防水墻形式，車站基坑變形控制為特級(jí)。本站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)三道水平支撐，節(jié)點(diǎn)段設(shè)四道支撐，主體結(jié)構(gòu)采用明挖順做法施工，標(biāo)準(zhǔn)段基坑開(kāi)挖深度為 16. 11m，節(jié)點(diǎn)段開(kāi)挖深度為 22. 61m。

      根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察結(jié)果，在基坑開(kāi)挖深度及影響范圍內(nèi)，主要地基土的組成自上而下為: 全新統(tǒng)人工填土、上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土及殘積古土壤、再下為沖積粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂及粗砂等，擬建場(chǎng)地各主要土層分布及力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表 1。

      基坑的開(kāi)挖導(dǎo)致地表沉降主要是由于以下兩方面的原因: 一是圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的變形引起土體向坑內(nèi)移動(dòng)，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻后地表和土層的沉降和位移; 二是由于基坑降水導(dǎo)致周圍土體空隙水壓力的消失，從而土體有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致土體被壓縮沉降�；�坑開(kāi)挖引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)后相當(dāng)范圍內(nèi)地表沉降是基坑工程對(duì)周圍環(huán)境的主要危害之一。為確保該基坑工程的施工安全，應(yīng)進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)工作，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖速度及位置，防止因地表沉降過(guò)大導(dǎo)致建筑物破壞，因此，需在典型位置設(shè)置地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以研究該基坑施工過(guò)程中地表沉降規(guī)律，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖 2 所示。

      本文將基坑開(kāi)挖分為四個(gè)主要工況，即: 工況1: 挖第 1 層土并撐第 1 道支撐; 工況 2: 挖第 2 層土并撐第 2 道支撐; 工況 3: 挖第 3 層土并撐第 3 道支撐; 工況 4: 挖第 4 層土并撐第 4 道支撐。對(duì)四個(gè)工況的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與計(jì)算分析。

      為研究在基坑周圍地表沉降變化規(guī)律，特選擇了四個(gè)斷面研究基坑外地面隨基坑開(kāi)挖所發(fā)生的地表沉 降，其中斷面 1 包 括: D1、D2、D3、D10、D11、D12; 斷面 2 包括: D28、D29、D30、D39、D40、D41; 斷面 3 包括: D22 、D23、D24、D60、D61、D62; 斷面 4 包括: D33、D34、D35、D45、D46、D47，具體位置見(jiàn)圖 2。各斷面土體沉降曲線如圖 3 ～ 6 所示。

      從圖 3 ～ 6 中可以看出: 基坑在開(kāi)挖過(guò)程中，地表最大沉降發(fā)生在距基坑坑壁為 8m 左右的位置上，其沉降形狀類似于勺形，沉降量不大。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，地表的豎向沉降開(kāi)始增大。隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基坑距離不斷地增加，沉降趨勢(shì)逐漸變小，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，周圍地表豎向沉降沿坑壁水平方向呈曲線分布，距基坑坑壁一定距離的范圍內(nèi)沉降最大，隨后沿遠(yuǎn)離坑壁方向逐漸減小，距離坑壁越遠(yuǎn)變化幅度越小，最終逐漸穩(wěn)定，每開(kāi)挖一步，坑后地表都有一定量的沉降的增加，每步形成的沉降分布曲線形狀相似�；�坑開(kāi)挖影響范圍大于 25m，因此在施工場(chǎng)地周圍如有重要建筑物，應(yīng)做好監(jiān)測(cè)工作。

 

      本文采用強(qiáng)度折減有限元法，運(yùn)用大型有限元軟件，根據(jù)表 1 中各個(gè)土層參數(shù)，建立有限元模型，模型及典型工況土體沉降云圖如圖 7 ～ 8 所示。在計(jì)算過(guò)程中，僅計(jì)算工況 1 ～ 4 完成后土體沉降值。土體開(kāi)挖水平影響范圍取大于 3 倍基坑寬度，分別沿基坑邊緣擴(kuò)展 60m，影響深度取 3 倍基坑開(kāi)挖深度，起基坑底向下擴(kuò)展 50m。

      為探討數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性，分別提取模型中斷面 1、2、3、4 所在位置在基坑開(kāi)挖過(guò)程中各工況土體沉降曲線加以分析，如圖 9。

      從圖 9 可以看出，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的地表沉降有以下幾個(gè)特點(diǎn):

      ( 1) 隨著施工進(jìn)展，基坑周圍地表沉降值不斷增大，離基坑邊距離不同，沉降值也不相同;

      ( 2) 基坑周圍地表沉降整體變形性狀呈拋物線形;

      ( 3) 隨著施工進(jìn)展，開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響范圍逐步增大，距離坑邊基坑開(kāi)挖深度 1 ～ 1. 5 倍都受到影響。其中最大沉降位置一般在距離坑邊圍護(hù)樁5 ～ 15m;

      ( 4) 計(jì)算結(jié)果最大地表沉降為約 6mrn，滿足基坑設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)關(guān)于地面最大沉降的控制要求。

      對(duì)比計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)可以看出，采用數(shù)值計(jì)算的方法能夠得到基坑周圍地表沉降的基本變化趨勢(shì)和大致的影響范圍，此數(shù)值計(jì)算可以作為基坑施工過(guò)程中，基坑變形分析的有效手段之一。