地鐵車站基坑開挖期間周邊土體回彈上浮研究

門陽陽

（山東交通職業(yè)學院，山東 濰坊 261206）

引言

地鐵車站往往建設在城市建筑物及地下各種管線密集區(qū)，各種荷載疊加，工況復雜，基坑開挖期間周邊土體變形是車站建設中的重要課題?；娱_挖過程中會擾動周邊地層，加之支護結(jié)構(gòu)相比于土體剛度較大，引起一定范圍內(nèi)的地應力重分布以及土層位移。因此，研究基坑開挖過程中周邊土體的回彈上浮規(guī)律對支護設計方案優(yōu)化可提供參考。

蘇卜坤等［1］對廣州地鐵車站某典型基坑進行了施工全過程數(shù)值反演計算，研究了地下水對地連墻內(nèi)力分布的的影響。徐磊［2］利用Midas 有限元軟件建立了基坑二維模型模擬基坑開挖過程，提出各開挖階段坑外地表沉降呈典型的“漏斗”狀，并總結(jié)出沉降主、次影響區(qū)，但未與現(xiàn)場實際沉降進行對比分析。黃留新等［3］利用有限元軟件建立基坑二維模型，模擬基坑的開挖過程，提出在開挖過程中坑外地表沉降呈現(xiàn)“下凹型”，最大沉降值出現(xiàn)的位置是距離基坑邊緣有一定距離而非靠近基坑的邊緣處，同樣未與現(xiàn)場實際沉降數(shù)據(jù)進行對比分析?；又苓呁馏w的回彈與土體的應力路徑有關，陳志波等［4］對基坑開挖過程中土體的應力路徑及強度參數(shù)研究提出，基坑開挖各階段土體的排水條件及應力狀態(tài)不同，需分階段考慮。黃滿祥［5］對地鐵基坑開挖過程中地表沉降規(guī)律已有研究。利用各種有限元軟件對基坑開挖過程進行了模擬和分析，但數(shù)值計算結(jié)果與實際觀測對比分析較少，且支護結(jié)構(gòu)后側(cè)土體的整體回彈鮮有研究。

1 工程概況

某地鐵車站基坑開挖標準段寬34 m，開挖深度約為29 m，基坑所處位置地下管線和地上建筑均較密集?；又ёo選用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的形式?；又ёo結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)斷面

基坑支護斷面共六道支撐，其中第一、第三道支撐采用鋼筋混凝土支撐，其余四道為鋼支撐。鋼筋混凝土支撐的界面尺寸分別為800 mm×900 mm、1 000 mm×1 200 mm。施工過程中對四道鋼支撐施加預加軸力?；娱_挖方式采用明挖法施工，采取逐層開挖逐層支護，基坑開挖前對采取基坑降水使地下水位降至坑底標高以下1.5 m?；舆叺某两涤^測點布設在地下連續(xù)墻頂部、立柱頂端，支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力監(jiān)測點布設在內(nèi)支撐的端部位置。

基坑平面及各監(jiān)測點布置見圖2?；又苓叢荚O基坑深度的2 倍范圍的地表沉降監(jiān)測點，另外布設立柱沉降、維護結(jié)構(gòu)變形、地下水位及圍護結(jié)構(gòu)頂位移監(jiān)測點。

圖2 基坑平面及監(jiān)測點布設

2 監(jiān)測結(jié)果分析

基坑開挖第一作業(yè)段的沉降觀測數(shù)據(jù)篩選得到具有代表性的6 個點的監(jiān)測結(jié)果見圖3。

圖3 部分基坑周邊點監(jiān)測結(jié)果

由圖3 可以看出，各點在前期均比較穩(wěn)定，部分點（點15、16）有輕微上升現(xiàn)象。該作業(yè)段于2013 年12 月初完成了底板施工，在底板制作完成后各監(jiān)測點均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。其中點6（圖3（b））是監(jiān)測點中距基坑邊緣最遠的點（約45 m），故其受回彈影響最小，基坑開挖期間產(chǎn)生輕微下沉，未產(chǎn)生隆起。其余各點在基坑開挖后期均產(chǎn)生了不同程度的隆起。

基坑周邊土體在基坑開挖過程中的大致趨勢是上浮，但是在開挖初期及后期均出現(xiàn)小幅下沉，分析其原因是由于開挖初期周邊土體下沉與土體未完全固結(jié)。基坑開挖的同時土體固結(jié)沉降，基坑開挖初期所產(chǎn)生的地基回彈不足以抵消土體固結(jié)產(chǎn)生的沉降從而出現(xiàn)小幅沉降；基坑開挖后期土體再次出現(xiàn)小幅沉降可能與地連墻向坑內(nèi)一側(cè)的微小位移有關。

將各監(jiān)測點的最大隆起值與距基坑邊緣距離統(tǒng)計，見圖4，并利用最小二乘法進行擬合，可以看出越靠近基坑的點隆起值越大，符合坑底卸荷回彈對其周圍土體的影響有端部效應。

圖4 最大隆起值與距基坑距離關系

部分監(jiān)測點因為支護結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導致初期沉降值過大，或者監(jiān)測點位于基坑內(nèi)部等原因，在圖4中未予采納。圖中9 個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)大致呈現(xiàn)隆起值與距離呈反比的規(guī)律。

3 數(shù)值分析

3.1 FLAC3D 有限元建模

假設基坑開挖周邊土體為理想的彈塑性土體，且土層分布均勻；假設基坑周圍的地連墻和內(nèi)支撐共同作用，忽略地下水和施工環(huán)境等對模型的影響。模擬過程采用空模型和摩爾庫倫模型［6］，兩種本構(gòu)模型的適用條件和理論依據(jù)：（1）空模型通常應用于表示被開挖或被移除的材料，且將移除或開挖的區(qū)域應力設為零。在數(shù)值模擬過程的后期，空模型材料也可以轉(zhuǎn)化成其他的材料模型。采用空模型就可以對開挖、回填等工程進行模擬。（2）摩爾庫倫模型是在模擬中較常用的彈性模型，其模擬結(jié)果比較符合巖土材料的屈服和破壞特征。計算模型見圖5。

圖5 基坑模型

模型中以實體單元模擬土體以及地下連續(xù)墻，土體及地下連續(xù)墻的材料參數(shù)分別參照土體密度及混凝土密度，土體根據(jù)分層情況分別設置。以梁單元模擬基坑內(nèi)部的混凝土支撐和鋼支撐。單元體尺寸由中心向四周逐漸增大以節(jié)省整體模型計算時間?；拥闹饘娱_挖用空模型模擬，每開挖一層土體施加一道支撐（梁單元）。梁單元的尺寸及材料參數(shù)參照圖1 中各深度的支撐參數(shù)。

計算模型的基坑監(jiān)測點分布見圖6。沿基坑深度方向設置應力監(jiān)測點，豎向監(jiān)測間距為2 m，沿地表方向設置隆沉監(jiān)測點，設置間距為2 m，距基坑最遠的監(jiān)測點距基坑30 m。

圖6 監(jiān)測點分布/m

3.2 模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬計算，基坑開挖完成后坑邊土體位移云圖、短邊后土體地應力云圖見圖7、圖8。

圖8 基坑短邊后深層土體地應力分布

由圖7 可以看出，基坑開挖完成后周邊土體的隆起最大值集中在基坑端部，基坑回彈上浮范圍可達坑外30 m 左右。

圖7 基坑周邊土體位移云圖

由圖8（a）可以看出，施工對基坑周邊土體的豎向正應力影響非常小，僅對基坑底標高以下局部范圍土體的正向應力有較大影響。這是因為坑內(nèi)卸荷僅對卸荷部位以下局部深度的土體應力狀態(tài)有影響，坑側(cè)土體的豎向正應力傳遞不受影響。而從圖8（b）中可以看出，墻后土體的剪應力在以基坑底部為中心向外形成剪力拱，在基坑底部剪應力達到最大，這是因為基坑側(cè)邊與基坑底部土體的剪切錯動引起的。

剪切錯動主要原因：（1）基坑開挖后坑底卸荷回彈導致地連墻上浮，地連墻帶動周邊土體隆起，而各部分土體位移不同步（深層土體位移遲滯大，淺層土體遲滯小）；（2）基坑開挖后原有土體的側(cè)向壓力由地連墻和內(nèi)支撐共同承擔，支護體的變形模量較土體小，在坑底卸荷回彈后支護體整體上移，對坑后土體有向上錯動的趨勢?；谶@兩點，豎向剪應力在基坑底部出現(xiàn)了最大值。通過與開挖前相同位置對比發(fā)現(xiàn)，地連墻后土體的豎向剪應力普遍增大了幾十倍甚至上百倍。

提取墻后土體豎向位移云圖見圖9，可以看出，自基坑周邊土體上浮區(qū)從坑底位置處向地表逐漸擴大，而在遠離基坑處的土體位移量非常微小。受地連墻與土體剪切應力的影響，緊貼地連墻部分的土體發(fā)生了較大的上浮變形，上浮區(qū)從坑底位置處向地表逐漸擴大；而在水平方向上剪切應力被各土體單元逐層吸收，因此，在遠離基坑處的土體位移量非常微小。

圖9 墻后土體豎向位移云圖

提取模擬開挖過程中各工況下基坑周邊土體的隆起量，繪制隆沉變化曲線見圖10。

圖10 監(jiān)測點數(shù)值模擬隆沉變化

由圖10 可以看出，基坑周邊土體隆起值隨著開挖深度的增大而逐漸增大，在開挖至約23 m 深度時開始輕微下沉。距離基坑周邊越遠，隆起值越小。當監(jiān)測點距基坑邊緣38 m 時，開挖全過程隆起值較小，可忽略不計。將圖10 中各位置數(shù)值模擬最大隆起值和圖4 現(xiàn)場監(jiān)測最大隆起值進行對比，見圖11。

圖11 最大隆起值對比

（1）監(jiān)測曲線和模擬曲線均呈現(xiàn)基坑周邊土體隆起值與其距基坑的距離成反比的規(guī)律。（2）在距基坑邊25 m 以內(nèi)，實際監(jiān)測隆沉值較數(shù)值計算值小，而在25 m 以外實際監(jiān)測隆沉值較數(shù)值計算值大。參考基坑深度29 m，基坑開挖至25 m 時為最后一道鋼支撐施工后，因支護剛度較土體本身剛度大，在基坑邊至25 m 范圍內(nèi)形成縱向的土拱，土拱效應與基坑卸荷回彈的共同作用下產(chǎn)生了線性規(guī)律不明顯的隆起，而數(shù)值計算方法中未考慮土拱效應的影響。受天氣、施工振動等因素影響，與模擬開挖隆沉曲線相比，實際監(jiān)測隆沉曲線較離散。

4 結(jié)語

（1）基坑開挖過程中周邊土體會出現(xiàn)不同程度的上浮，且越靠近基坑的點隆起值越大，符合坑底卸荷回彈對其周圍土體的影響有端部效應。（2）由于開挖初期周邊土體未完全固結(jié)出現(xiàn)小幅下沉。（3）現(xiàn)場監(jiān)測曲線和數(shù)值模擬曲線均呈現(xiàn)基坑周邊土體隆起值與其距基坑的距離成反比的規(guī)律。（4）坑邊土體上浮的主要原因為坑內(nèi)土體、地連墻、墻后土體之間的摩擦連接?？拥仔逗苫貜棇е碌剡B墻上浮，地連墻帶動周邊土體隆起。