濱海花崗巖殘積土地層地鐵車站SMW工法施工穩定性研究

宋勤

1 引言

地鐵作為解決城市交通擁堵的重要工具，其施工的安全性受到人們的廣泛關注。當前，大中城市都在進行地鐵建設，車站基坑規模[1，2]越來越大，穿越復雜地質的情況越來越多，對于位處復雜地質的基坑變形性狀的研究成為車站建設過程中的重要研究問題。

目前，很多學者對地鐵車站基坑開挖施工中的樁頂水平位移、支撐軸力、地下水位、地下連續墻水平位移和圍護結構水平位移實測數據進行了分析。莊海洋[3]等分析了對不同基坑開挖深度對基坑變形速度的影響規律；高勝君等[4]分析了成都砂卵石地層基坑的變形規律。吳意謙[5]等分析了濕陷性黃土地圍護結構及周圍土體隨著基坑開挖深度和時間變化的位移規律。杜會芳[6]研究了漫灘區地鐵深基坑圍護結構的沉降規律。周順華[7]等提出了預制樁作為勁性材料的新型SMW工法基坑圍護結構。夏江濤[8]等研究了支護樁不同的參數對SMW圍護結構變形的影響。張璞[9]等介紹了SMW在深基坑工程中的應用。曹慧[10]等介紹了SMW加斜撐在軟土地區基坑施工中的應用。張忠苗[11]等分析了過江隧道深基坑中SMW工法加鋼支撐圍護結構的變形規律。但廈門濱海花崗巖殘積土地層中采用SMW工法樁施工的基坑分析較少，相關基坑的變形規律研究也不充分。本文以廈門地鐵蔡厝站基坑施工為工程背景，結合基坑開挖的現場監測數據和數值模擬結果，分析基坑變形規律，并為以后相似的實際工程案例提供借鑒和參考。

2 工程概況

車站概況：

蔡厝站周邊現狀為空地，周邊無控制性建、構筑物，其周邊平面圖如圖1所示。本站采用明挖順做法施工，基坑深約6.46m，寬度為21.7m，圍護結構采用SMW工法樁+內支撐形式，SMW工法樁采用φ850@600水泥攪拌樁，內插H700×300×13×24型鋼。圍護結構設一道支撐，采用φ609mm壁厚16mm的鋼管支撐，標準段鋼支撐間距4m。

圖1 蔡厝站周邊平面圖

3 施工過程的數值模擬分析

為了全面研究基坑的變形特性，采用有限差分軟件FLAC3D模擬基坑開挖施工的全過程。

3.1 基坑數值計算模型

因基坑開挖前已完成降水，故在模擬中不再考慮地下水的影響，三維數值計算模型如圖2所示。根據圣維南原理，計算邊界一般取基坑實際開挖尺寸的2～5倍為宜，即模型土體尺寸設置為長320m，寬140m，高度為24m，共產生25536個單元，28500個節點。

圖2 基坑數值計算模型

3.2 土層和支護結構的模擬

（1）土層劃分及參數

為了簡化模擬過程，把性質相近的土層簡化為同一土層，故土層劃分為四層，從上到下依次為素填土、殘積砂質黏性土（可塑）、殘積砂質黏性土（硬塑）和全風化花崗巖。土體的本構模型取為摩爾-庫倫模型，土層從上到下分布情況和根據詳細地質勘察資料獲得基坑周圍土體的基本物理力學參數如表1所示。

（2）支護結構的模擬

在保證模擬精度的同時，采用等效剛度原則，把圍護結構用地下連續墻代替。根據經驗其材料參數采用C30混凝土，彈性模量E為25GPa，泊松比ν取0.20，重度為25kN/m3。鋼支撐采用結構單元beam模擬，彈性模量E取200GPa，泊松比ν取0.30。

表1 各土層物理力學參數

（3）初始應力

在基坑開挖施工過程中，由于外部條件的干擾，致使基坑周邊會產生一定的初始荷載。為了提高數值模擬計算的準確性，在基坑模型垂直方向施加15kPa均布初始應力。

3.3 計算結果分析

根據現場施工過程將基坑開挖的關鍵過程模擬分為：①初始地應力模擬；②圍護結構施工；③設置鋼支撐；④土層每8m分段開挖；⑤每16m分段澆筑基坑底板。分別取監測對應點進行基坑開挖全過程的變形分析。

3.3.1 地表沉降

圖3 地表沉降值與開挖步的關系

由圖3所示，DBC-2、DBC-3和DBC-4與DBC-1和DBC-5相比沉降值要大，主要是由于基坑開挖后卸荷效應引起的。各地表沉降監測點在基坑開挖前期沉降值較小，開挖時沉降值急劇增大，隨后趨于穩定。

3.3.2 樁頂水平位移

圖4 樁頂水平位移與開挖步的關系

由圖4可以看出，在基坑開挖前期樁頂水平位移值較小，至開挖時，樁頂水平位移急劇增大，ZQS-2和ZQS-3值最大，之后穩定在5mm左右，但未超出設計允許值。

3.3.3 支撐軸力

圖5 支撐軸力值與開挖步的關系

由圖5所示，在基坑開挖之前軸力值較小保持在70kN左右，至開挖時，軸力急劇增大，而后穩定在350kN附近。

4 現場監測分析

廈門濱海地區花崗巖殘積土具有明顯的遇水軟化崩解、土的抗剪強度迅速下降的特性，再加上滲流作用，極易導致滑坡、崩塌等工程危害[12]。現場實際監測是研究地鐵車站基坑變形性狀最直接有效的方法。

4.1 監測控制標準

基坑的監測工作一直持續到工程結束，且監測的頻率隨著基坑的開挖進度、工程措施及基坑變形量進行調整。

基坑工程監測安全警戒值應該由各個監測項目的變化速率和累積變化量共同控制[13]。目前我國關于報警體系沒有統一的標準，根據規范可以把設計容許值的80%作為警告值，設計容許值得1/3作為基準值，將警告值和容許值之間的范圍稱為警告范圍[14]。當實測值落在警告范圍之內時，應提出警告，加大監測頻率。

4.2 監測項目分析

蔡厝站基坑各監測項目的布設及監測要求如表2所示。根據本車站基坑的實際情況，并綜合各方面因素，現選取地表沉降、樁頂水平位移、支撐軸力作為重點監測項目，監測點平面布置圖如圖6所示。

5 現場監測結果與模擬結果對比分析

5.1 地表沉降監測結果對比分析

本節選取五個典型的地表沉降監測點分析。如圖7地表沉降累計曲線圖所示，基坑開挖前期地表沉降較緩慢，隨著基坑開挖深度的增加，地表沉降速率及沉降值急劇增大，但沉降值和沉降速率均沒有超過設計值。基坑開挖施工中后期地表沉降值趨于穩定。現場監測地表沉降規律與數值模擬結果比較接近，變化規律吻合。

表2 監測項目

圖6 蔡厝站監測點平面布置圖

圖7 地表沉降累積曲線圖

5.2 樁頂水平位移監測結果對比分析

本節選取具有代表性的監測點進行分析，圖8樁頂水平位移累計曲線圖中位移為正表示位移向基坑內方向發生偏移，位移為負則表示位移向基坑外方向發生偏移。

由圖8所示，在基坑開挖前期圍護樁向基坑外方向發生了較小的偏移。隨著開挖深度的不斷增大，圍護樁逐漸向基坑內方向發生偏移，最終偏移量趨于穩定。

實際監測數據與數值模擬結果對比分析表明，樁頂水平位移的變化規律是相似的，而且其變化累積量也十分接近。

圖8 樁頂水平位移累積曲線圖

5.3 支撐軸力監測結果對比分析

支撐軸力監測結果如圖9所示。在基坑開挖時軸力值急劇增大到400kN，隨著基坑開挖深度的加大，軸力值處于-300～-350kN之間，基坑開挖完成后，軸力基本穩定?；娱_挖完成后，軸力值達到基本穩定?，F場實際監測值與數值模擬計算結果差距很小，變形規律擬合。

6 結論

通過對廈門地鐵蔡厝站基坑工程的實際監測數據和數值模擬的計算結果分析，得到以下結論：

圖9 支撐軸力值變化曲線

（1）由現場監測數據可知，基坑周邊地表沉降和樁頂水平位移的累計值及變化速率均沒有超過設計值；支撐軸力值在350kN附近波動，沒有超過設計值。說明蔡厝站基坑采用SMW工法樁+內支撐設計方案是安全有效的。

（2）現場監測數據和模擬結果表明在基坑開挖之后由于施工擾動的原因，軸力值急劇增大，此時應加大監測頻率，保障施工安全。

（3）通過分析現場監測數據和數值模擬計算結果可知，各監測項目的監測數據和數值模擬計算結果的變化規律大致相同，總體變化趨勢一致，說明模型的建立、參數的選取是合理的，數值模擬計算結果能夠體現基坑變形的一般規律。

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