狹長型地鐵基坑的空間效應定量化研究

葛曉永， 王興亞， 宋林輝*， 王旭東

(1.南京市江北新區中心區發展有限公司， 南京 211800； 2.南京工業大學數理科學學院， 南京 211800；3.南京工業大學交通運輸工程學院， 南京 211800)

隨著中國經濟快速發展，城市地鐵建設規模不斷擴大。通常地鐵車站的分布形式為狹長型，采用明挖順作法施工，開挖深度一般在15～20 m，若是換乘站則會更深。在地鐵車站基坑開挖的過程中，為了保證基坑的安全和穩定，且不對周邊建筑物造成影響，需對其圍護結構進行合理的設計與施工。然而，現行的設計中，通常將地鐵車站基坑簡化為二維的平面問題來考慮，這是不準確的，因為基坑是一個三維的空間結構，存在顯著的空間效應。

黃強[1]較早提出了空間效應概念。劉建航等[2]結合上海地區軟土流變特性和深基坑工程經驗，提出了考慮時空效應的基坑工程動態設計施工方法。隨著基坑工程數量的增加，后續有關尺寸效應的研究主要基于實測數據分析和有限元計算兩種手段開展。實測數據分析方面，劉念武等[3]發現邊角效應能夠減小側向位移的平面應變比。任彥華等[4]發現深基坑開挖過程中沿擋土墻方向上空間效應的主要影響范圍為2倍坑深的范圍。樓春暉等[5]結合溫州某大型深基坑工程的監測數據，發現基坑邊角對圍護墻變形以及地表沉降具有明顯限制作用。奚家米等[6-7]重點分析了基坑自身變形及周邊環境的變形在不同時空條件下的表現形式與內在聯系，發現基坑的空間效應影響程度沿遠離坑角方向衰減，且基坑長深比越大，空間效應表現得越明顯。有限元計算方面，李連祥等[8]利用PLAXIS 3D建立了能夠考慮基坑空間效應的三位整體有限元模型，得到了基坑陰角、陽角及開挖寬度對支護結構的影響。 陳江等[9]基于空間效應，運用PLAXIS建立軟土地區深基坑的優化模型，對原方案的基坑分區、支撐的水平和豎向布置進行調整。項龍江等[10]借助PLAXIS 3D分析尺寸效應對基坑土壓力與變形的影響，發現小尺寸深基坑的土壓力較正常基坑要小。俞曉等[11]運用ABAQUS建立無支護與有不同支護體系的基坑數值模型，發現內支撐能在一定程度上抑制基坑的空間效應。

綜上所述，空間效應作為深基坑施工指導原則被實際工程廣泛運用，但現有研究不論是現場實測數據分析還是數值模擬計算得到的大多是定性結論，定量的結果較少，且研究對象基本是挖深較小的建筑基坑。以南京江北新區地鐵車站基坑為對象，運用有限元軟件建立數值模型，在將數值結果與實測數據對比驗證有限元模型有效的基礎上，變化基坑的長寬比，計算不同挖深下的支護結構變形，并與相應的平面二維剖面分析結果進行比較，以定量分析狹長型地鐵基坑的空間效應。

1 工程概況

1.1 基坑情況

南京江北新區某地鐵基坑工程如圖1所示，基坑總長405 m，寬度52 m，采用明挖順作法施工，分為A、B、C 3個區，最先施工A區。

圖1 地鐵車站基坑示意圖

A區基坑采用內撐式地下連續墻支護體系，如圖2所示。地鐵線路區域根據開挖深度的變化，沿豎向設置4～7道支撐，包括砼土支撐和鋼支撐，其他區域設三道混凝土支撐，具體參數如表1所示。

表1 支護結構計算參數

圖2 A區基坑支護平面布置圖

由表5可見，對于長寬相等的方形基坑，不論是淺坑、還是深坑，其位移比均為1.0。另外，隨著長寬比的增加，矩形坑的位移比從2.7增加到3.9；矩形淺坑的位移比從7.5增加到13.9，但增幅逐漸變小；矩形深坑的位移比則在小幅增長后便趨于穩定，且深寬比越大，位移比有減小趨勢。

表2 土層計算參數

1.2 數值建模與驗證

由圖11可見，對于淺基坑(如H/B=0.5)，二維平面應變數值模型的計算結果和L/B=3的三維數值模型計算結果是更加接近的；而對于深基坑(H/B>1)，二維平面應變數值模型的計算結果和L/B=2的三維數值模型計算結果最接近。另外，當L/B>3以后，圍護結構的水平位移便趨于穩定，變化很小。因此，只有長寬比為3左右的淺坑和長寬比為2左右的深坑，才適合采用二維剖面計算方法。

建模中進行了以下假定：①土體為彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb本構模型；②地下鋼筋混凝土地連墻和支撐中的混凝土和鋼筋作為整體考慮，采用線彈性本構關系；③每層土都是均勻分布的；④計算時不考慮與時間有關的物理量。考慮到基坑開挖影響范圍大小一般為深度的3倍左右，本模型尺寸取為250 m(長)×150 m(寬)×100 m(深)，如圖3所示。

圖3 有限元模型

模型的底面采用固定端約束，4個側面均采用垂直該面方向的鏈桿約束，支護結構采用嵌入土體的約束方式。開挖前先進行地應力平衡，然后通過單元的“生死”功能來實現土體的分層開挖和支撐的逐層設置。

由于基坑施工條件極其復雜，因此需要將數值模擬計算結果和實測數值進行對比，并由此反演土層參數，以保證數值模擬可以較好地反映基坑開挖過程中的受力變形情況。

圖4為A區基坑長邊中點處地連墻深層水平位移的計算值與實測值對比情況，可見地下連續墻變形的實測曲線和數值模擬曲線在趨勢上是一致的，數值上也相差不大。

2.1.1適用條件東北黑土區各種類型侵蝕溝均適用，特別適合來水量較大、溝道比降較大、溝道較深、侵蝕嚴重的發展型中型侵蝕溝。

開展確權劃界工作，落實經費是關鍵。管理范圍確權劃界所需的經費應列入年度工程投資概算，逐年足額撥付；各級政府要合理減免水庫管理范圍內確權劃界過程中發生的各類費用。2011年水利部發布了《關于開展全國重要飲用水水源地安全保障達標建設的通知》（水資源〔2011〕329號），2013年環保部和財政部聯合牽頭了對重點江河湖泊進行生態保護的項目《江河湖泊生態環境保護項目資金管理辦法》（財建〔2013〕788 號），均對水庫生態建設提出要求。遼寧省水利廳以實現對水源地一級保護區進行封閉為目的，借助以上項目資金，統籌結合，推進了水庫的確權劃界工作。

圖4 地連墻深層水平位移計算值和實測值對比

2 數值計算方案

如表3所示，固定基坑的寬度，通過改變基坑的長度和分層開挖，得到不同長寬比和深寬比基坑的變形。

依據尺寸比將上述基坑歸納為6種類型，如圖8、表4所示，將長度、寬度和深度均相等定義為方形坑，寬度和深度相等但小于長度的基坑定義為矩形坑，并以此為基準，將其余尺寸基坑分類為方形淺坑、方形深坑、矩形淺坑和矩形深坑4種。

影響深基坑空間效應的因素有很多，包括基坑幾何尺寸、土體特性以及圍護結構的剛度等，本文主要探討基坑幾何尺寸與空間效應間的關系。現基于前述基坑數值模型，變化基坑的尺寸，建立六個不同長寬比的地鐵基坑數值模型，通過計算和對比分析深基坑的空間效應，并與相應的二維剖面分析結果比較，得到狹長型地鐵基坑的空間效應對支護結構變形的影響。

表3 基坑尺寸參數

依據基坑的尺寸大小，在坑內設置支撐體系，包括角撐和對撐，如圖5所示。計算過程中，對每種基坑設置4種開挖深度，并相應地設置多層支撐，共形成24種基坑數值模型，如圖6所示，據此建立的6種基坑的數值模型如圖7所示。

圖5 6種基坑的支撐平面布置圖

圖6 基坑支撐豎向布置圖

L為基坑長度； B為基坑寬度

關注學生的行為表現，是為了分析這些行為背后的動機、誘因，并前瞻這種行為可能帶來的后果，進而制定行之有效的輔導措施。如，低年級兒童活潑好動、容易激動，但行為背后的動機卻不盡相同。有些學生擾亂課堂秩序，可能是想挑戰權威，也可能是想引起教師和同學的注意，也可能僅僅是覺得好玩，也可能只想跟風玩玩，還可能是有負面情緒的排解……同樣的行為，卻有千差萬別的誘因和動機。因此，只有教師前期關注與了解學生，才能摸清學生問題的癥結，進而對癥下藥，這樣就會取得事半功倍的效果。

圖8 基坑尺寸參數示意圖

表4 基坑分類

3 基坑空間效應量化分析

3.1 基坑變形計算結果

通過對上述6種基坑以及相應的平面應變數值模型開展計算，可以得到不同開挖深度下的支護結構的變形分布。為更直接地觀察和分析，將四種挖深下、不同長寬比基坑的長邊最大水平位移、短邊最大水平位移以及長短邊最大位移比提取出來，如表5所示。

豬場寄生蟲感染的發生和發展取決于多種因素：①豬圈被前批感染動物污染的程度；②畜舍環境條件是否有利于活蟲量持續加大和(或)蟲體的存活；③豬場中所存在的寄生蟲的類型；④豬場的條件是否適合寄生蟲通過直接接觸的方式進行傳播。

總而言之,給予膀胱癌術后患者穴位按摩可進一步改善患者膀胱功能,加快其恢復速度,避免尿潴瘤現象的發生,值得臨床領域采納和推廣。

工程場地較為平整，根據勘察報告所示，土體的分類主要分為填土、淤泥質粉質粉土、粉質粉土、黏土、粉土、細砂、粗砂等，具體土層參數如表2所示。

表5 基坑長短邊最大水平位移及比值

3.2 最大水平位移對比分析

為對空間效應開展量化分析，以L/B=1.0基坑在相應挖深下的最大水平位移為基準，將其他長寬比基坑的長邊最大水平位移與之相比，得到位移比，并繪制成圖9(a)。由圖9(b)可見，對長邊而言，規律很明顯，淺坑隨長寬比的增加，位移比達到8，而深坑的位移比在3左右，且一旦L/B>3以后，位移比趨于穩定。

圖9 基坑長邊、短邊最大位移比隨長寬比的變化

以L/B=1.0基坑在相應挖深下的最大水平位移為基準，將其他長寬比基坑的短邊最大水平位移與之相比，得到位移比，并繪制成圖9(b)。由圖9(b)可見，對短邊而言，規律性不是很明顯，主要是短邊的位移值變化不是很大，當基坑為H/B<1.0的淺坑時，位移比隨基坑長寬比的增加而減小；而當基坑為H/B>1.0的深坑時，位移比隨基坑長寬比的增加而增加。但不管是減小還是增大，變化幅度僅在0.6～1.1。

另外，為分析基坑長邊和短邊的最大位移隨深寬比的變化規律，以L/B/H=1.0的方形坑的最大水平位移為基準，將其他長寬比基坑在不同開挖深度下的長邊最大水平位移與之相比，得到位移比，并繪制成圖10(a)。由圖10(a)可見，長邊的位移比隨深寬比的增加而增大，當L/B>3以后，位移比隨深寬比的變化便基本重合。

山洪發生時，由于水流流速大，對河床造成強侵蝕或攜帶樹木、巨石流動。為減輕水流攜帶物給下游重要設施造成的損害，需要采用攔擋工程保護河床及下游重要設施。山洪溝治理工程常見的攔擋壩有谷坊和柵格壩兩種。谷坊是在山洪溝上游修建的攔水截砂的低壩，其作用是防止溝床沖刷下切和溝岸坍塌，截留泥沙，固定溝床坡降。谷坊型式應根據溝道地形、地質、洪水、當地材料、谷坊高度、谷坊失事后可能造成損失的程度等條件比選，可采用土石谷坊、砌石谷坊、鉛絲石籠谷坊、混凝土谷坊等。谷坊位置應選在溝谷寬敞段下游窄口處，山洪溝道沖刷段較長的，可順溝道由上到下設置多處谷坊。

同樣，以L/B/H=1.0的方形坑的最大水平位移為基準，將其他長寬比基坑在不同開挖深度下的短邊最大水平位移與之相比，得到位移比，并繪制成圖10(b)。由圖10(b)可見，短邊的位移比也隨深寬比的增加而增大，且基本呈線性變化，即挖深越大，變形就越大。

圖10 基坑長邊、短邊最大位移比隨深寬比的變化

綜合上述24種基坑的位移比可見，矩形淺坑的長短邊最大位移比值最大，一般在10以上，矩形坑和矩形深坑次之，在3.0左右變化，方形坑最小，均為1.0。數值計算所得定量結果證實了基坑空間效應發生機理根本原因在于基坑邊界的限制，且據圣維南原理可知這種限制必然有一定的影響范圍。

3.3 二維剖面設計方法適用性分析

在基坑工程設計中，通常采用剖面設計方法，即用二維平面應變計算模型代替實際三維基坑的設計計算，為驗證該設計方法的合理性和適用性，沿長度方向截取橫剖面，進行平面分析，最后將平面分析的結果與三維分析的結果進行對比分析，如圖11所示。

圖11 基于二維和三維分析的基坑位移值對比

依據上述地鐵車站基坑A區的支護設計方案，采用有限元分析軟件進行三維數值建模。

4 結論

在驗證基坑數值模型有效的基礎上，對6種不同長寬比、4種挖深的共24個三維基坑和1個對應的平面應變二維基坑開展數值計算，并對特征部位的變形進行對比分析，得出如下結論。

洪澤縣是江蘇省中小河流治理重點縣之一，近年開展了眾多中小河流治理工作，為提高區域防洪除澇能力，保障地區社會經濟發展發揮了巨大作用。本文介紹了洪澤縣中小河流整治的經驗，初步探索了平原水網地區河流治理方案，借此為類似地區河流治理提供借鑒。

(1)隨著基坑長寬比的增大，基坑短邊圍護結構的水平位移變化不明顯，而基坑長邊圍護結構的水平位移變化相對較大，當長寬比為L/B為2～10時，長邊水平位移明顯大于短邊水平位移。長短邊中點水平位移(不同深度)比值規律為：淺坑隨長寬比的增加，位移比達到8，而深坑的位移比在3左右，且一旦L/B>3以后，位移比便趨于穩定。

(2)當基坑長寬比為1

農業經濟發展不穩定、不均衡的現實，導致針對農業的貸款風險較大，農業銀行在提供相關服務時的保障性能較弱，與農業發展的實際需求不匹配，很多時候主要是控制風險，限制準入，從而破壞了扶貧積極性；同時，由于貨幣政策的支持力度跟不上，導致農業銀行扶貧動力有限。

(3)在工程設計中，只有長寬比為3左右的淺坑和長寬比為2左右的深坑，才適合采用二維剖面計算方法。

基坑工程設計中，應考慮到基坑的空間效應影響，對于規范里的相同變形控制要求，則長短邊隨著長寬比的增大，長邊中間范圍內應加強圍護結構的剛度。