膨脹土深基坑開挖對臨近地鐵建筑變形控制的研究

摘要：地鐵線路周邊的膨脹土深基坑工程的施工，對地鐵結構的安全性存在一定的影響。以某膨脹土深基坑工程為目標對象，使用FLAC3D有限元分析軟件數值模擬和實際監測相結合的方式，以膨脹土強度折減的計算方法，對地鐵結構逇變形影響進行計算。結果顯示：地鐵結構最大位移滿足要求，數值模擬與實測數據接近，說明膨脹土深基坑可通過膨脹土強度衰減方法進行計算。

關鍵詞：地鐵;膨脹土深基坑;數值模擬;軌道位移

0" "引言

地鐵結構設施有著嚴格的變形控制要求，如現有規范就要求，其絕對沉降量必須控制在20mm以下。城市建設的快速發展，使得臨近線路的深基坑施工無可避免，這對于地鐵結構的變形控制而言將是巨大的挑戰[1]。

當前，人們對于深基坑的開挖與地鐵變形的方式，已經通過有限元模擬以及現場監測的方式開展了較多研究。膨脹土作為基坑工程中有著較大危害的特殊土，在進行深基坑施工時，常常會引起周邊結構設施出現過大的變形以及坡腳軟化等問題，故人們膨脹土深基坑問題越來越重視。現階段，針對地鐵車站變形和膨脹土深基坑開挖之間聯系的研究仍然較少，而大量地鐵工程項目的興建將不可避免會涉及該方面內容，因此對其開展研究就顯得尤為重要。

1" "工程背景

1.1" "工程概況

本文以某膨脹土深基坑項目為研究對象，該項目建筑面積共計24520m2，屬典型膨脹土區域。該基坑工程開挖至23m深，距離地鐵最近的距離僅為2m，與通風口則有19.59m的距離，與地鐵隧道有33m距離。兩者的關系圖1所示。與周邊地鐵較近的基坑有120m的長度，基坑所使用的支護體系為排樁+三層內支撐，具體狀況圖2所示。

1.2" "工程地質條件

該項目處于由砂卵石層以及黏性土層組合而成的I、II級堆積階地，所開挖基坑位于III級階地上。其中在0～12m的基坑范圍內分布有弱中等膨脹性的黏土，經過試驗測試可知，其天然含水率約為20%，膨脹力為57.6%kPa，膨脹率以及自由膨脹率分別為32.3%、50%。該種黏土除了脹縮特性之外，還具有導水裂縫，縫隙中存在蒙脫石條帶，容易出現吸水膨脹、強度弱化等現象，導致基坑施工時出現較大變形。

1.3" "現場測試

既有地鐵在開挖膨脹土基坑時的變形控制測試如圖3所示。基于地鐵與基坑的具體分布情況，本文共選取三個監測斷面，分別為地鐵A1出口的A-A斷面，A2出口的Q-Q斷面以及通風口的P-P斷面。

為對樁身位移進行監測，本文在基坑鄰近地鐵側的樁基安設了測斜管。為對基坑施工時的地表沉降進行研究，本文在地鐵隧道的地表位置布設了觀測點。為對基坑開挖時的軌道變形進行研究，本文在地鐵軌道中布設了變形觀測點。

2" "基坑開挖對地鐵設施影響數值分析

2.1" "模型建立

通過FLAC3D有限元分析軟件，對地鐵設施受膨脹土深基坑施工影響的程度進行仿真模擬[2]。選用與地鐵某側較為接近的基坑進行研究，建立如圖4所示的三維模型。模型長度為224m，寬度為184m，高度為50m。

模型經過簡化之后為黏土層、強風化和中風化泥巖層。模型中主要使用鉆孔灌注樁以及內支撐作為支護結構，為使模型得到簡化，以整體看待地鐵隧道，建立起方形的洞室[3]。隧道寬度為16.30mm，高度為15m，隧道拱頂距離地表1.9m，與基坑距離最近點距離為33m，以結構單元模擬擋墻。

2.2" "巖土體參數

當前并沒有針對膨脹土深基坑邊坡支護所設計的規范，因此在一般條件下，多使用強度折減的經驗方法對膨脹土地區基坑支護進行設計。使用強度折減的經驗方法，對巖土工程特性指標進行計算，以三層劃分土層，其材料參數如表1所示。

2.3 計算工況

該項目中開挖深度為23m，屬于超深工程，基坑支護方式為排樁+三層內支撐。施工步驟如下：進行隧道開挖，直至與第一道混凝土支撐距離0.6m后，澆筑壓頂梁以及混凝土支撐;在混凝土強度滿足要求后繼續進行開挖施工，直至與第三道支撐保持15.3m的位置，隨即進行支撐和圍檁的澆筑;最后再開挖到與基坑底部保持23m的位置。

3" "數值計算與現場測試對比分析

3.1" "樁身位移

樁身位移最大值對比如表2所示。由表2可知，兩種方式得到的結果基本相同。其中，樁身位移極值與開挖深度保持正比例關系。A-A斷面和P-P斷面因所處位置較為特殊，位于基坑轉角處。該處內支撐較多且撓度小，故開挖第三層后，兩個斷面的位移最大值僅為20～25mm，均比Q-Q斷面的39mm最大位移值要小。

3.2" "地表位移

基坑地表位移如表3所示。由表3可知，各個位移監測點的數值模擬結果和現場監測值方向一致且較為接近。整體看待地鐵基坑及坑外土體，因地鐵設施結構強度較高，導致坑外土體變形性能有所增加。基坑邊坡僅距離地鐵出口為2m，沉降最小值出現在7～9號監測點，在0.5～2.40mm范圍內。P-P斷面距離基坑邊坡較近，且占地面積最小，故監測點19～22號沉降值最大，約為1.20～8.30mm。

3.3" "軌道位移

地鐵軌道位移如鏢所示。由表4可知，在開挖完第三層之后，軌道位移的數值模擬結果和現場監測數據方向相同且數值接近。軌道沉降變形與基坑開挖深度呈正比例關系。地鐵軌道在開挖完第三層之后，沉降位移最大值達到1.40mm，比20mm的控制標準要小。可見對于地鐵結構而言，開挖基坑變形所造成的影響較小，基坑支護結構能有效控制地鐵軌道變形。

4" "結語

膨脹土作為基坑工程中有著較大危害的特殊土，在進行深基坑施工時，常常會引起周邊結構設施出現過大的變形以及坡腳軟化等問題，故人們膨脹土深基坑問題越來越重視。本文以某膨脹土深基坑工程為目標對象，使用FLAC3D有限元分析軟件數值模擬和實際監測相結合的方式，以膨脹土強度折減的計算方法，對地鐵結構逇變形影響進行計算，得到以下結論：

數值模擬結果與現場監測數值較為接近，表明數值模擬過程所使用的巖土體參數與工程實際相符，在膨脹土基坑工程中可使用膨脹土強度折減法進行計算。在一定程度上，高強度地鐵結構可提升坑外土體的變形性能。隧道沉降變形與基坑開挖深度呈正比例關系，基坑支護能有效控制地鐵軌道變形。

參考文獻

[1] 付鴻飛.膨脹土地層中地下連續墻施工控制技術研究[J].建筑安全，2021，36（2）：41-45.

[2] 游建學. 膨脹性地層超大規模深基坑穩定性研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2020.

[3] 安芳慧.膨脹土深基坑地連墻施工關鍵技術研究[J].鐵道建筑技術，2019（6）：102-106+138.