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，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。基坑開挖過程中會擾動周邊地層，加之支護結構相比于土體剛度較大，引起一定范圍內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律對支護設計方案優化可提供參考。

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值反演計算，研究了地下水對地連墻內力分布的的影響。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，并總結出沉降主、次影響區，但未與現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“下凹型”，最大沉降值出現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，同樣未與現場實際沉降數據進行對比分析。基坑周邊土體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研究提出，基坑開挖各階段土體的排水條件及應力狀態不同，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，但數值計算結果與實際觀測對比分析較少，且支護結構后側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。基坑支護選用地下連續墻+內支撐的形式。基坑支護結構斷面見圖1。

圖1 基坑支護結構斷面

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。基坑開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。基坑邊的沉降觀測點布設在地下連續墻頂部、立柱頂端，支護結構的內力監測點布設在內支撐的端部位置。

基坑平面及各監測點布置見圖2。基坑周邊布設基坑深度的2 倍范圍的地表沉降監測點，另外布設立柱沉降、維護結構變形、地下水位及圍護結構頂位移監測點。

圖2 基坑平面及監測點布設

2 監測結果分析

基坑開挖第一作業段的沉降觀測數據篩選得到具有代表性的6 個點的監測結果見圖3。

圖3 部分基坑周邊點監測結果

由圖3 可以看出，各點在前期均比較穩定，部分點（點15、16）有輕微上升現象。該作業段于2013 年12 月初完成了底板施工，在底板制作完成后各監測點均呈現出明顯的上升趨勢。其中點6（圖3（b））是監測點中距基坑邊緣最遠的點（約45 m），故其受回彈影響最小，基坑開挖期間產生輕微下沉，未產生隆起。其余各點在基坑開挖后期均產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。基坑開挖的同時土體固結沉降，基坑開挖初期所產生的地基回彈不足以抵消土體固結產生的沉降從而出現小幅沉降；基坑開挖后期土體再次出現小幅沉降可能與地連墻向坑內一側的微小位移有關。

將各監測點的最大隆起值與距基坑邊緣距離統計，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

部分監測點因為支護結構不穩定導致初期沉降值過大，或者監測點位于基坑內部等原因，在圖4中未予采納。圖中9 個監測點的數據大致呈現隆起值與距離呈反比的規律。

3 數值分析

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支撐共同作用，忽略地下水和施工環境等對模型的影響。模擬過程采用空模型和摩爾庫倫模型［6］，兩種本構模型的適用條件和理論依據：（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域應力設為零。在數值模擬過程的后期，空模型材料也可以轉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墻，土體及地下連續墻的材料參數分別參照土體密度及混凝土密度，土體根據分層情況分別設置。以梁單元模擬基坑內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省整體模型計算時間。基坑的逐層開挖用空模型模擬，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參照圖1 中各深度的支撐參數。

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

圖6 監測點分布/m

3.2 模擬結果分析

通過數值模擬計算，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。這是因為坑內卸荷僅對卸荷部位以下局部深度的土體應力狀態有影響，坑側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向壓力由地連墻和內支撐共同承擔，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。基于這兩點，豎向剪應力在基坑底部出現了最大值。通過與開挖前相同位置對比發現，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生了較大的上浮變形，上浮區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 監測點數值模擬隆沉變化

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 中各位置數值模擬最大隆起值和圖4 現場監測最大隆起值進行對比，見圖11。

圖11 最大隆起值對比

（1）監測曲線和模擬曲線均呈現基坑周邊土體隆起值與其距基坑的距離成反比的規律。（2）在距基坑邊25 m 以內，實際監測隆沉值較數值計算值小，而在25 m 以外實際監測隆沉值較數值計算值大。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生了線性規律不明顯的隆起，而數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，實際監測隆沉曲線較離散。

4 結語

（1）基坑開挖過程中周邊土體會出現不同程度的上浮，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出現小幅下沉。（3）現場監測曲線和數值模擬曲線均呈現基坑周邊土體隆起值與其距基坑的距離成反比的規律。（4）坑邊土體上浮的主要原因為坑內土體、地連墻、墻后土體之間的摩擦連接。坑底卸荷回彈導致地連墻上浮，地連墻帶動周邊土體隆起。