地鐵車站開挖對周邊環境的影響研究

李彥君 聶鑫淼

（中交路橋建設有限公司，北京100027）

隨著社會經濟和城鎮化的迅猛發展，城市人口的激增，給交通出行帶來巨大的壓力。因此對地下空間的開發利用得到人們的廣泛重視，地鐵工程、高層建筑等基礎設施發展勢頭突飛猛進，眾多形態各異的深大基坑也隨之產生。

截至目前，國內專家學者針對基坑開挖對地表沉降的影響做了大量研究工作，取得了豐碩的成果。楊敏和盧俊義[1]提出基于圍護結構變形模式的地面沉降估算方法。王強[2]應用三維有限元分析手段，對地鐵隧道在基坑施工過程中所產生的影響進行彈塑性分析。木林隆等[3]（2012）采用考慮土體小應變特性的HS-small 模型，利用反分析方法對基坑開挖引起的土體位移進行研究。孟丹等[4]在將Peck 方法和隨機介質理論方法對比分析的基礎上，得到2 種方法對于地表沉降影響范圍計算結果的差異。本文以哈爾濱地鐵會展中心站基坑開挖為背景，對基坑開挖施工過程中土體水平及豎向位移進行模擬分析，并對實際工程中基坑開挖帶來的樁頂水平及豎向位移進行分析，將基坑周邊地表沉降與現場實際監測數據對比，模擬結果與實測結果基本一致，為類似的基坑開挖工程提供借鑒，具有重要的現實意義。

1 工程概況

車站主體為地下雙層兩柱三跨（換乘節點為三層兩柱三跨）現澆鋼筋混凝土箱型框架結構，采用明挖順作法進行施工。車站基坑開挖嚴格遵循“時空效應”原理，分層、分段開挖。分層厚度按照鋼支撐位置將基坑分為5 層，結合結構施工縫和誘導縫將車站基坑劃分為6 段開挖。其中區域③為換乘段采用蓋挖法施工。車站施工分段圖如圖1 所示。

圖1 車站施工分段圖

2 基坑開挖數值模擬

2.1 模型建立

結合現場工程實際情況及施工圖紙資料，基坑長190m，寬為24m，標準段開挖深度為20m，蓋挖段深度為27m，最終確定的模型尺寸為500m×120m×77m（長×寬×高）。模型底面固定，側面采用水平約束，模型頂面自由，采用摩爾庫倫本構模型。基坑附近的網格較密，距離基坑越遠網格尺寸越大，共有212004 個單元網格，數值模型圖如圖2 所示。主要土層物理力學參數表如下表所示。

圖2 基坑數值模型圖

主要土層物理力學參數表

3 結果分析

3.1 水平位移分析

基坑土體在開挖過程中應力狀態發生急劇變化，有效應力的增長導致土體產生不同程度的位移。基坑標準段開挖完成后水平位移如圖3 所示，基坑兩側土體水平位移沿基坑中心位置呈軸對稱分布，土體水平位移的最大值出現在開挖面下部靠近基坑邊緣處。基坑兩側土體由于基坑開挖產生了應力重分布，其水平位移均指向基坑內側。在水平方向上離基坑邊緣越遠，水平變形越小，直至為零。

圖3 基坑開挖水平位移

3.2 豎向位移分析

圖4 為基坑標準段開挖完成后的豎向位移圖。基坑主體部位的豎向位移呈對稱分布。圍護樁外側土體發生了豎直向下的位移，圍護樁內側土體發生了豎直向上的位移。這是因為土方開挖使得基坑土體產生卸荷作用，使得底部土體隆起，同時土方開挖還使得土體產生地層損失，圍護結構背側土壓力迅速增大，坑邊土體隨著距離坑邊距離的不同發生不同程度的沉降。由于基坑中部存在臨時立柱，坑底附近位移呈“m”型分布，坑底隆起對稱分布在立柱兩側。

圖4 基坑開挖豎向位移

4 監測分析

隨著基坑的開挖，開挖土體的卸載作用使得臨空面附近土體主動土壓力增大，使得圍護結構發生一定程度的側移，與樁體鋼筋緊密綁扎的測斜管進而發生不同程度的傾斜及偏移，實際監測過程中通過監測測斜管的位移情況來反映樁體的位移情況。基坑監測部分測點平面布置圖如圖5 所示。

圖5 基坑監測部分測點平面布置圖

4.1 樁頂位移分析

鑒于工程地質條件的復雜性，開挖施工過程中圍護樁體會發生不可避免的偏移。樁體的變形情況直接決定了基坑的穩定性和安全性，因此，有必要對圍護樁樁頂水平及豎向位移進行監控量測。圖6 為圍護樁樁頂豎向位移監測點ZDC-22、23 變化曲線，樁頂豎向位移整體均呈上升趨勢，累計最大沉降的監測點為ZDC-22，位于換乘段區域③，最大值為8.64mm。

圖6 樁頂豎向位移變化曲線圖

圖7 樁頂水平位移變化曲線圖

圖7 為基坑換乘段監測點ZTS-21 樁體水平位移圖。測點ZDS-22、ZDS-24、ZDS-26 位于基坑東側邊緣，整體位移為正，向基坑內偏移，最大偏移測點為ZDS-26，最大偏移量為3.26mm。基坑北側監測點樁頂水平位移向基坑外偏移，而基坑東側監測點樁頂水平位移向基坑內偏移。

4.2 模擬與監測結果對比分析

圖8 模擬與監測地表沉降對比圖

為了分析模擬結果與實際監測數據之間的吻合程度，并對偏差大的數據進行系統的分析。提取監測斷面上沉降較大的兩個監測點與模擬計算結果對比，繪制曲線圖，如圖8（a）、（b）所示。從圖8 可以看出，模擬結果與實測結果趨勢一致，模擬結果均比實測結果稍大。標準段監測點在開挖至基底（-20m）的過程中，兩者數據相差不大，換乘段（20m 以下）開挖時的差別較大，但仍在允許范圍內。這是因為土體開挖造成的地表沉降是一個長期的過程，受開挖時間的影響較大。標準段開挖至設計標高后土體完成瞬時沉降，而后期的固結沉降只能隨時間推移逐步完成；同時與模型的本構關系、每層土開挖一步到位的模擬方式、圍護樁等結構與土體的相互作用、工序與工序之間的間歇等因素有關。總體而言，模擬結果與實測結果相近，趨勢一致，這證明模擬結果較為合理，能較好地反映基坑周邊沉降在開挖降水條件下的變化情況，為實際施工安全、節約成本、提高建設質量具有重要的指導意義。

4 結論

本文結合工程實際情況，采用FLAC3D 軟件對地鐵深基坑開挖過程進行模擬分析，總結了基坑周邊地表沉降規律，對開挖過程引起的豎向位移及水平位移進行了分析研究，隨著基坑開挖深度的增大，基坑土體水平位移在基坑圍護結構兩側對稱分布，且逐漸增大。影響范圍不斷擴大，土體沉降相應增大。土體開挖至基底時，坑底隆起量達到最大，呈拋物線對稱分布。將不同斷面的地表沉降監測值與模擬值對比分析，模擬結果與實測結果沉降趨勢一致，模擬結果較為合理，為類似的基坑開挖工程提供借鑒，具有重要的現實意義。