復(fù)雜地鐵車站深基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境影響及監(jiān)測(cè)分析

崔紅利， 焦 義， 鐘鳴洋， 左 強(qiáng)， 林 銳，朱運(yùn)明

(1.中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司，廣西南寧 530000；；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031))

地鐵車站多建于鬧市區(qū)，在城市中心密集區(qū)開挖越來(lái)越多的深基坑工程，地鐵車站深基坑的開挖容易引起周圍地表的沉降，而且周圍建筑物、市政管線密集，一些建于20世紀(jì)80年代或20世紀(jì)90年代早期的建筑物往往樁基埋深較淺。地鐵車站深基坑的設(shè)計(jì)或施工即使出現(xiàn)一些小的差錯(cuò)，都有可能引起周圍建筑物或市政管線的沉降、開裂或局部損傷，嚴(yán)重的可能引起倒塌事故，因此在基坑開挖過(guò)程中需進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]，對(duì)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)把控，實(shí)現(xiàn)施工的信息化，從而更好地為施工服務(wù)。江杰等[2]對(duì)復(fù)雜環(huán)境下多種支護(hù)結(jié)構(gòu)并存的深基坑進(jìn)行研究，得出了該地區(qū)深基坑施工過(guò)程中多種支護(hù)結(jié)構(gòu)變形位移規(guī)律。丁智等[3]、楊有海等[4]、張雪嬋等[5]對(duì)杭州軟土地區(qū)基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，討論了不同工況下樁體深層水平位移和土體深層水平位移、地表沉降程度的關(guān)系。

由于復(fù)雜環(huán)境下明暗挖結(jié)合的深基坑與緊鄰建筑的相互影響較復(fù)雜，解析解很難準(zhǔn)確地反映多部位的位移變形情況。因此本文以南寧市青秀山站地鐵車站為背景，對(duì)基坑施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，深入研究基坑開挖對(duì)鄰近建筑的變形影響范圍及變形規(guī)律，并將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果和相關(guān)部位解析解進(jìn)行比對(duì)，探討深基坑開挖對(duì)建筑物影響的變形規(guī)律并提出具體措施為類似工程提供參考。

1 工程介紹

1.1 工程概況

南寧市地鐵車站位于鳳嶺南路與青山路交叉口東側(cè)約180m，車站斜跨鳳嶺南路，呈南北走向布置，鳳嶺南路道路寬30m，為雙向6車道。兩條人行道路、車流量大，交通繁忙。起點(diǎn)里程YDK20+45.200，終點(diǎn)里程為YDK20+229.900，總長(zhǎng)184.7m，其中明挖站廳起點(diǎn)里程YDK20+136.500，終點(diǎn)里程為YDK20+218.900，明挖結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)為82.4m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬41.8m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑底部埋深約24.35m。

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

車站范圍內(nèi)巖土從上至下依次為：表層為可塑～硬塑狀素填土；中部為硬塑土、堅(jiān)硬土、半巖半土的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖；下部為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖以及粉細(xì)砂巖。截面各土層參數(shù)如表1所示。

1.3 基坑及周邊建筑支護(hù)方案

圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)及地表近接建筑物參數(shù)如下所示：

(1)明挖站廳采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)+混凝土支撐的圍護(hù)體系，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1200@1500mm和φ1500@1900mm的混凝土灌注樁共計(jì)176根，共設(shè)5道混凝土支撐，混凝土支撐采用尺寸為800mm×900mm和1000mm×1200mm。其圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)(圖1)。

圖1 明挖站廳基坑立面

(2)如意坊修建于2006年7月，距車站北端風(fēng)井最小距離為6.4m，對(duì)北側(cè)風(fēng)井的土方及圍護(hù)樁施工有較大影響。本工程使用旋噴樁法來(lái)防止其基礎(chǔ)變形及對(duì)土層進(jìn)行加固與止水，旋噴樁施工總長(zhǎng)117.1m，間距0.9m，樁直徑1.2m，共一排。

(3)管委會(huì)為1～3層框架結(jié)構(gòu)，采用獨(dú)立基礎(chǔ)，距基坑最近距離為9m，對(duì)南端明挖站廳的土方開挖及圍護(hù)樁的施工影響較大。南側(cè)明挖站廳距管委會(huì)20m，工程中使用旋噴樁對(duì)土層進(jìn)行止水加固，直徑1.2m，間距0.9m，共一排。

表1 車站截面土層物理力學(xué)參數(shù)

2 地鐵深基坑開挖對(duì)周圍建筑影響分析

根據(jù)基坑開挖方案、支護(hù)方案、地質(zhì)條件、周邊建筑物情況等資料，采用有限元軟件模擬基坑開挖、支護(hù)過(guò)程中的位移和對(duì)周邊建筑物、管線的影響。就基坑變形而言,研究證明二維計(jì)算結(jié)果一般在基坑轉(zhuǎn)角處比三維計(jì)算大15 %左右[6]，在基坑其他部位相差不大。因此，將基坑按二維問(wèn)題處理是合理的。故本文采用了PLAXIS2D對(duì)基坑進(jìn)行分析，既充分考慮了基坑與鄰近建筑物變形的相互耦合關(guān)系，又利用硬化土模型(HS)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基坑變形的精細(xì)化分析，從而使得針對(duì)建筑物的變形計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

2.1 本構(gòu)模型與施工工況

模型計(jì)算中土體采用硬化土(HardeningSoil)本構(gòu)模型，HS模型是一個(gè)可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型土體行為的先進(jìn)模型。它的彈性部分采用了合理的雙剛度，即加卸載模量分別定義，且考慮了土體的壓硬性。塑性部分采用非相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則和各向同性的硬化準(zhǔn)則，可以較好地描述雙曲線形式的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和土體的剪脹性。圍護(hù)樁采用plate單元模擬，內(nèi)支撐采用nodetonodeanchor單元模擬。整個(gè)模型的模擬過(guò)程包括地面建筑、管線、基坑開挖、基坑支護(hù)幾個(gè)步驟，主要包括各層分層開挖，已經(jīng)分層支撐，其中地面建筑通過(guò)對(duì)地面加載的方式進(jìn)行模擬，基坑開挖采用分步開挖的方式進(jìn)行。

2.2 基坑開挖引起的變形

圖2為明挖站廳基坑開挖完成后的整體變形圖，基坑的變形主要在下列幾個(gè)方面：

圖2 站廳基坑整體位移

圖3 站廳基坑不同距離地表沉降

(1)由圖3可知，坑后土體不同距離地表沉降趨勢(shì)為漏斗形，影響范圍在1～1.5倍圍護(hù)樁長(zhǎng)度，由于受到土體與樁體之間的相互作用和支撐的影響最大沉降沒(méi)有出現(xiàn)在樁體附近。

(2)圍護(hù)樁向基坑內(nèi)有水平位移，由圖4可知，最大位移一般在開挖深度的2/3附近。

(3)基坑周圍土體水平位移與維護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移緊密相關(guān)，最大變形同樣在開挖深度的2/3附近。

(4)基坑周圍土體垂直位移的最大值發(fā)生在基坑底部，即坑底土體出現(xiàn)隆起。

圖4中樁體最大水平位移為7.41mm，基坑周圍最大土體水平位移為7.37mm；圖4中坑后土體不同距離最大地表沉降為6.4mm，位置在距離坑邊16m處，該變化趨勢(shì)與沉降大小與劉小麗[7]偏態(tài)改進(jìn)公式計(jì)算的結(jié)果比較吻合，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖4 站廳基坑樁體水平位移

圖5 數(shù)值模擬與偏態(tài)改進(jìn)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.3 基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為確?；娱_挖過(guò)程的安全，對(duì)深基坑及其周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，指導(dǎo)基坑開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，確保鄰近建筑物的安全。

圖6為明挖站廳監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖，圖7為明挖站廳點(diǎn)ZQT04、ZQT05、ZQT07、TS2的水平位移監(jiān)測(cè)曲線圖，TS2為坑后土體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其余為樁體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果中ZQT04最大水平位為6.78mm，ZQT05最大水平位移為9.32mm，ZQT07最大水平位移為8.96mm，TS2最大水平位移為7.89mm，數(shù)值模擬結(jié)果最大水平位移為7.80mm。測(cè)點(diǎn)ZQT04水平位移相對(duì)較小，與測(cè)點(diǎn)處于基坑轉(zhuǎn)角附近且附近進(jìn)行旋噴樁加固有關(guān)。測(cè)點(diǎn)ZQT05、ZQT07位移略大于TS2的位移，且變形趨勢(shì)一致。

圖6 站廳基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

圖7 站廳基坑圍護(hù)樁水平位移

圖8為管委會(huì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位歷時(shí)沉降圖，因監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置不同，各點(diǎn)位數(shù)值略有差異，但總體趨勢(shì)一致。管委會(huì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降在6mm左右，與站廳周邊最大地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果基本相同，因此，地表沉降數(shù)值一定程度上可以反映建筑物沉降情況。

圖9為如意坊不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)歷時(shí)沉降圖。最大沉降為7.1mm，與數(shù)字模擬結(jié)果7.3mm比較接近，說(shuō)明模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

本文利用南寧市青秀山地鐵車站項(xiàng)目并結(jié)合數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了深基坑開挖對(duì)臨近建筑物變形影響，得出以下結(jié)論：

(1)樁體水平位移最大值所在深度位置與基坑尺寸及基坑開挖深度有關(guān)；基坑長(zhǎng)邊變形一般大于基坑短邊變形，要利用結(jié)構(gòu)或加固措施對(duì)基坑長(zhǎng)邊變形進(jìn)行控制。

圖8 管委會(huì)不同測(cè)點(diǎn)歷時(shí)沉降

圖9 如意坊不同測(cè)點(diǎn)歷時(shí)沉降

(2)坑后土體水平位移數(shù)值與樁體水平位移有關(guān)，受樁體水平位移的影響，一般情況下坑后土體位移變化趨勢(shì)與樁體位移變化趨勢(shì)相同，但在位移數(shù)值上小于樁體位移。

(3)加固措施等對(duì)基坑變形的影響較大，在建筑物與基坑圍護(hù)樁之間增加旋噴樁，可以有效的增加土層的強(qiáng)度，并減小樁體位移，從而達(dá)到保護(hù)建筑物的作用。