地鐵車站深基坑施工對周邊環(huán)境的影響研究

摘要：依托地鐵車站深基坑開挖項目，采用地下連續(xù)墻+水平支撐的支護結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬手段，分析地下連續(xù)墻的水平位移沿深度分布規(guī)律、周邊地表沉降變化特征及主要影響因素。研究結(jié)果表明：基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻墻頂水平位移最大變化速率為0.46m/d，最大墻頂位移達到5.2mm，均未超過監(jiān)測項目預(yù)警值。隨著基坑開挖深度的增加，墻體水平位移峰值逐漸增大，且墻體水平位移峰值對應(yīng)的埋深深度逐漸增加。隨著嵌固深度的增加，同一位置處地表沉降逐漸下降，當(dāng)嵌固深度超過22m后，各工況下地表沉降峰值差異不大；當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻嵌固深度小于22m時，增加嵌固深度能顯著改善周邊地表沉降變形峰值。

關(guān)鍵詞：深基坑開挖；既有建筑；地表沉降；數(shù)值模擬

0" "引言

隨著我國城市進程的不斷加快，在既有建筑物鄰近的深基坑開挖項目越來越多。而深基坑開挖不可避免地對鄰近建筑物造成影響，威脅既有建筑物的安全，針對于此許多國內(nèi)眾多研究人員展開了一系列研究。

黃林江等[1]依托南山智谷大廈項目基坑開挖項目，通過三維巖土工程軟件分析了不同工況下基坑臨近側(cè)地鐵鋼軌及地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形，并根據(jù)仿真計算結(jié)果，分析了施工過程中的不利工況。任夢如等[2]依托上海某項目基坑工程開展了現(xiàn)場監(jiān)測，分析了基坑土方開挖和結(jié)構(gòu)回筑階段引起的周邊地面沉降、臨近建筑物沉降以及基坑圍護結(jié)構(gòu)本身的側(cè)向位移變形規(guī)律。劉林貴等[3]以某軟土地區(qū)地鐵車站深基坑工程為例，對軟土地區(qū)地鐵車站深基坑鄰近建筑物環(huán)境風(fēng)險控制措施進行闡述，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了所采取的風(fēng)險控制措施的合理可靠性。

張月清等[4]依托某深基坑支護案例，將復(fù)合土釘技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下基坑支護中，從方案選擇、施工工藝及要點、基坑監(jiān)測及施工質(zhì)量控制3方面入手，系統(tǒng)介紹復(fù)合土釘技術(shù)在該項目中的應(yīng)用要點。何少瓊等[5]基于有限差分法，通過FLAC三維有限元軟件建立了軟土深基坑數(shù)值仿真模型，分析了基坑開挖引起的變形，并提出了設(shè)置隔離樁及施作地下連續(xù)墻作為支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。

本文依托長春市城市軌道交通7號線一期工程會展大街站深基坑開挖項目，通過布測監(jiān)測點分析了地連墻變形和地表沉降規(guī)律，利用數(shù)值軟件研究了地連墻嵌固深度的影響。

1" "工程概況

1.1" "工程基本狀況

長春市城市軌道交通7號線一期工程會展大街站深基坑開挖項目采用明挖法施工，基坑最大深度為18.89m，寬度24.6m，土方開挖量約為21.5萬m3。車站為地下兩層結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程特點，選用地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐作為基坑支護結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐由一道混凝土內(nèi)支撐和四道鋼支撐構(gòu)成。地下連續(xù)墻嵌固深度為19m，厚度為0.8m，混凝土支撐截面尺寸為1000mm×800mm，鋼支撐材料選用Ф800×16的鋼管。

該地鐵車站地處城市商圈，周邊分布有多個住宅小區(qū)和一個商業(yè)群樓，最小水平間距僅為19m，基于此，需要對周邊環(huán)境受基坑開挖的影響進行研究和分析。

1.2" "工程地質(zhì)條件

地勘報告顯示，該地鐵車站項目土層由上至下依次為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、粉質(zhì)黏土和中風(fēng)化灰?guī)r，地層富水性較高，屬于軟土地基。各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2" "現(xiàn)場監(jiān)測分析

2.1" "地連墻墻頂位移

選取地下連續(xù)墻變形較大的兩個監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行分析。地下連續(xù)墻墻頂位移隨時間變化曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，基坑施工過程中，地連墻墻頂水平側(cè)移總體呈增大趨勢。

具體來看，基坑開挖初期，由于土體的開挖，水平土壓力增大，地連墻墻頂水平側(cè)移迅速增大。隨著基坑繼續(xù)開挖，內(nèi)支撐的架設(shè)提供了一定的水平抵抗力，地連墻墻頂水平側(cè)移增長速率逐漸放緩。當(dāng)基坑開挖至坑底過程中，地連墻墻頂水平側(cè)移增速進一步降低，并逐漸趨于穩(wěn)定。

基坑施工完成后，監(jiān)測點1和監(jiān)測點的地連墻墻頂水平側(cè)移最大值分別為5.2mm和4.8mm，明顯小于16mm預(yù)警值。而地連墻墻頂水平側(cè)移最大增長速率出現(xiàn)在第15d，約為0.46m/d，同樣小于預(yù)警值。

2.2" "地連墻水平位移

不同開挖深度下墻體水平位移沿深度分布情況如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)開挖深度較淺時，最大墻體出現(xiàn)在墻頂位置處，隨著深度增加墻體位移逐漸下降。當(dāng)開挖深度超過6m后，隨著墻體埋深的增加，墻體位移呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，最大水平位移出現(xiàn)在墻體中上部位置處。

隨著開挖深度的增加，墻體水平位移峰值逐漸增大，且墻體水平位移峰值對應(yīng)的埋深深度逐漸增加，由開挖6m工況對應(yīng)的7m深度逐漸增加至開挖完成的16m深度。

開挖深度6m工況下，最大墻體水平位移為4.6mm；開挖深度12m工況下，墻體最大水平位移為10.1mm，較前者增加了119%；開挖至基坑底工況下，墻體最大水平位移達到了16.3mm，較前者增加了61.4%。

由此可見，隨著開挖深度的增加，墻體水平位移峰值與變形程度均顯著增加。因此在進行基坑開挖過程中，要嚴格遵守安全開挖原則，先撐后挖，分段開挖，嚴禁開挖，同時要對基坑開展監(jiān)測，以保障基坑與鄰近建筑物的安全。

2.3" "地表沉降

基坑開挖過程中，不同開挖深度工況下周邊地表沉降如圖3所示。從圖3可以看出，隨著觀測點距基坑邊距離的增大，觀測點地表沉降總體呈先增大后減小趨勢。

具體來講，當(dāng)觀測點距基坑邊1.5m范圍內(nèi)，觀測點變形為隆起狀態(tài)，最大隆起位移約5mm。當(dāng)觀測點距基坑邊1.5～6m時，觀測點變形轉(zhuǎn)變?yōu)槌两禒顟B(tài)，且地表沉降值急劇增大，在距基坑邊6m位置，地表沉降值達到峰值。當(dāng)觀測點距基坑邊6～12m時，觀測點地表沉降值迅速減小。當(dāng)觀測點距基坑邊超過12m后，觀測點地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

當(dāng)基坑開挖到4m時，地表沉降最大值約為6.2m；當(dāng)基坑開挖到8m時，地表沉降最大值明顯增大，約為13.8m；當(dāng)基坑開挖到12m時，地表沉降最大值依據(jù)顯著增大，約為18.2m；當(dāng)基坑開挖至坑底后，地表沉降最大值略微增大，僅為18.6m，與開挖到12m深度的鄰近地表沉降變形較為接近，由此表明，在接近基坑底部開挖對鄰近地表沉降變形影響較小，同時最大地表沉降滿足基坑周邊地表沉降不超過30mm的要求。

3" "有限元數(shù)值模擬

3.1" "模型建立

為進一步研究地鐵車站深基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，通過有限元軟件建立尺寸為100m×100m×60m基坑模型。土體本構(gòu)模型選擇修正的摩爾庫倫模型。

根據(jù)等效原則，采用集中荷載替代鄰近建筑物的作用，載荷大小為105kPa，作用寬度為15m。對模型進行網(wǎng)格劃分，共劃分出24513個節(jié)點、45613個單位，并對地連墻和土體接觸位置進行局部網(wǎng)格加密。

3.2" "設(shè)置假定條件

模型的邊界條件假定如下：模型表面設(shè)為徑向和法向自由；模型四周設(shè)為法向固定，徑向自由；模型底部設(shè)為徑向和法向固定。

在進行數(shù)值仿真模擬計算過程中，也采用了一系列假定：一是線彈性假定。即通過線彈性模型模擬材料，土層本構(gòu)模型由摩爾-庫倫模型與線彈性模型組合構(gòu)成。二是透水邊界假定。即假定道路軟土路基兩側(cè)即底部邊界條件為不透水邊界條件。三是土層均勻性與各項同性假定。即假定各土層材料為均勻的、各向同性的材料。四是自重位移清零假定。在模型分步計算之前，對模型自重應(yīng)力進行了生成和計算，并將自重位移清零。

3.3" "有限元結(jié)果分析

不同地下連續(xù)墻嵌固深度工況下周邊地表的沉降如圖4所示。從圖4可以看出，相比于實測結(jié)果，同工況下數(shù)值模擬結(jié)果在數(shù)值和分布規(guī)律方面均較為接近，由此驗證本文建立的地鐵車站深基坑開挖數(shù)值仿真模型是合理有效的。

具體各工況下，隨著嵌固深度的增加，同一位置處地表沉降逐漸下降，但坑壁位置處地表隆起量增加。相比之下，當(dāng)嵌固深度超過22m后，各工況下地表沉降峰值差異不大。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻嵌固深度小于22m時，增加嵌固深度能顯著改善周邊地表沉降變形峰值。

嵌固深度16m工況下，地表沉降峰值為21.2mm；嵌固深度19m工況下，地表沉降峰值為18.7mm，較前者降低了11.8%；嵌固深度22m工況下，地表沉降峰值為15.8mm，較前者降低了15.5%。由此可見，地下連續(xù)墻嵌固深度存在一個“閾值”。當(dāng)嵌固深度小于該閾值時，地下連續(xù)墻對基坑變形的限制作用發(fā)揮不充分，此時提升嵌固深度能有效改善基坑引起的地表沉降。而當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻嵌固深度超過該閾值時，地下連續(xù)墻對基坑變形的限制作用已接近發(fā)揮充分，此時增加嵌固深度對鄰近地表變形提升不大。

綜上分析可知，在實際工程中應(yīng)合理設(shè)計地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)的嵌固深度，既要達到改善基坑開挖引起的鄰近地表沉降變形的目的，也要考慮經(jīng)濟性，避免材料浪費。在本項目中，地下連續(xù)墻嵌固深度設(shè)為22m左右較為合適。

4" "結(jié)束語

本文依托地鐵車站深基坑開挖項目，采用地下連續(xù)墻+水平支撐的支護結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬手段，分析地下連續(xù)墻的水平位移沿深度分布規(guī)律、周邊地表沉降變化特征及主要影響因素。得到如下結(jié)論：

隨著基坑開挖的進行，地下連續(xù)墻墻頂水平位移逐漸增加，但整體上增加速率逐漸下降，最大變化速率為0.46m/d，最大墻頂位移達到了5.2mm，均未超過監(jiān)測項目預(yù)警值。

當(dāng)開挖深度超過6m后，最大水平位移出現(xiàn)在墻體中上部位置處，隨著基坑開挖深度的增加，墻體水平位移峰值逐漸增大，且墻體水平位移峰值對應(yīng)的埋深深度逐漸增加。

隨著嵌固深度的增加，同一位置處地表沉降逐漸下降，但坑壁位置處地表隆起量增加。相比之下，當(dāng)嵌固深度超過22m后，各工況下地表沉降峰值差異不大，當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻嵌固深度小于22m時，增加嵌固深度能顯著改善周邊地表沉降變形峰值。

在實際工程中應(yīng)合理設(shè)計地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)的嵌固深度，既要達到改善基坑開挖引起的鄰近地表沉降變形的目的，也要考慮經(jīng)濟性，避免材料浪費。

參考文獻

[1]" 黃林江，張瀚宇，曹獻華.基于有限元的基坑施工對周邊軌道設(shè)施影響分析[J].山西建筑，2024，50（9）：66-68.

[2]" 任夢如，張方，張嚴生.上海某深基坑工程周邊環(huán)境與圍護結(jié)構(gòu)實測數(shù)據(jù)分析[J].上海建設(shè)科技，2024（2）：106-111.

[3]" 劉林貴，張君，謝鑫波.軟土地區(qū)地鐵車站深基坑鄰近建筑物環(huán)境風(fēng)險控制措施研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2024（7）：71-73.

[4]" 張月清，李澤，張慧東，等.復(fù)合土釘技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下基坑支護中的應(yīng)用[J].中國建筑裝飾裝修，2024（6）：190-192.

[5]" 何少瓊，張兵，郭薇.基于有限差分法的臨近地鐵軟土深基坑變形分析[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2024，35（1）：82-86.