復雜地鐵車站深基坑開挖對周圍環境影響及監測分析

崔紅利， 焦 義， 鐘鳴洋， 左 強， 林 銳，朱運明

(1.中鐵隧道集團四處有限公司，廣西南寧 530000；；2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031))

地鐵車站多建于鬧市區，在城市中心密集區開挖越來越多的深基坑工程，地鐵車站深基坑的開挖容易引起周圍地表的沉降，而且周圍建筑物、市政管線密集，一些建于20世紀80年代或20世紀90年代早期的建筑物往往樁基埋深較淺。地鐵車站深基坑的設計或施工即使出現一些小的差錯，都有可能引起周圍建筑物或市政管線的沉降、開裂或局部損傷，嚴重的可能引起倒塌事故，因此在基坑開挖過程中需進行實時監測[1]，對位移進行實時把控，實現施工的信息化，從而更好地為施工服務。江杰等[2]對復雜環境下多種支護結構并存的深基坑進行研究，得出了該地區深基坑施工過程中多種支護結構變形位移規律。丁智等[3]、楊有海等[4]、張雪嬋等[5]對杭州軟土地區基坑監測數據進行分析，討論了不同工況下樁體深層水平位移和土體深層水平位移、地表沉降程度的關系。

由于復雜環境下明暗挖結合的深基坑與緊鄰建筑的相互影響較復雜，解析解很難準確地反映多部位的位移變形情況。因此本文以南寧市青秀山站地鐵車站為背景，對基坑施工過程進行數值模擬，深入研究基坑開挖對鄰近建筑的變形影響范圍及變形規律，并將實時監測結果和相關部位解析解進行比對，探討深基坑開挖對建筑物影響的變形規律并提出具體措施為類似工程提供參考。

1 工程介紹

1.1 工程概況

南寧市地鐵車站位于鳳嶺南路與青山路交叉口東側約180m，車站斜跨鳳嶺南路，呈南北走向布置，鳳嶺南路道路寬30m，為雙向6車道。兩條人行道路、車流量大，交通繁忙。起點里程YDK20+45.200，終點里程為YDK20+229.900，總長184.7m，其中明挖站廳起點里程YDK20+136.500，終點里程為YDK20+218.900，明挖結構總長為82.4m，標準段總寬41.8m，標準段基坑底部埋深約24.35m。

1.2 工程地質與水文條件

車站范圍內巖土從上至下依次為：表層為可塑～硬塑狀素填土；中部為硬塑土、堅硬土、半巖半土的泥巖、粉砂質泥巖；下部為粉砂巖、泥質粉砂巖以及粉細砂巖。截面各土層參數如表1所示。

1.3 基坑及周邊建筑支護方案

圍護結構主要設計參數及地表近接建筑物參數如下所示：

(1)明挖站廳采用圍護結構+混凝土支撐的圍護體系，其中圍護結構采用φ1200@1500mm和φ1500@1900mm的混凝土灌注樁共計176根，共設5道混凝土支撐，混凝土支撐采用尺寸為800mm×900mm和1000mm×1200mm。其圍護結構外側設地表沉降觀測點(圖1)。

圖1 明挖站廳基坑立面

(2)如意坊修建于2006年7月，距車站北端風井最小距離為6.4m，對北側風井的土方及圍護樁施工有較大影響。本工程使用旋噴樁法來防止其基礎變形及對土層進行加固與止水，旋噴樁施工總長117.1m，間距0.9m，樁直徑1.2m，共一排。

(3)管委會為1～3層框架結構，采用獨立基礎，距基坑最近距離為9m，對南端明挖站廳的土方開挖及圍護樁的施工影響較大。南側明挖站廳距管委會20m，工程中使用旋噴樁對土層進行止水加固，直徑1.2m，間距0.9m，共一排。

表1 車站截面土層物理力學參數

2 地鐵深基坑開挖對周圍建筑影響分析

根據基坑開挖方案、支護方案、地質條件、周邊建筑物情況等資料，采用有限元軟件模擬基坑開挖、支護過程中的位移和對周邊建筑物、管線的影響。就基坑變形而言,研究證明二維計算結果一般在基坑轉角處比三維計算大15 %左右[6]，在基坑其他部位相差不大。因此，將基坑按二維問題處理是合理的。故本文采用了PLAXIS2D對基坑進行分析，既充分考慮了基坑與鄰近建筑物變形的相互耦合關系，又利用硬化土模型(HS)，實現了對基坑變形的精細化分析，從而使得針對建筑物的變形計算結果更為準確可靠。

2.1 本構模型與施工工況

模型計算中土體采用硬化土(HardeningSoil)本構模型，HS模型是一個可以模擬包括軟土和硬土在內的不同類型土體行為的先進模型。它的彈性部分采用了合理的雙剛度，即加卸載模量分別定義，且考慮了土體的壓硬性。塑性部分采用非相關聯流動法則和各向同性的硬化準則，可以較好地描述雙曲線形式的應力應變關系和土體的剪脹性。圍護樁采用plate單元模擬，內支撐采用nodetonodeanchor單元模擬。整個模型的模擬過程包括地面建筑、管線、基坑開挖、基坑支護幾個步驟，主要包括各層分層開挖，已經分層支撐，其中地面建筑通過對地面加載的方式進行模擬，基坑開挖采用分步開挖的方式進行。

2.2 基坑開挖引起的變形

圖2為明挖站廳基坑開挖完成后的整體變形圖，基坑的變形主要在下列幾個方面：

圖2 站廳基坑整體位移

圖3 站廳基坑不同距離地表沉降

(1)由圖3可知，坑后土體不同距離地表沉降趨勢為漏斗形，影響范圍在1～1.5倍圍護樁長度，由于受到土體與樁體之間的相互作用和支撐的影響最大沉降沒有出現在樁體附近。

(2)圍護樁向基坑內有水平位移，由圖4可知，最大位移一般在開挖深度的2/3附近。

(3)基坑周圍土體水平位移與維護結構的水平位移緊密相關，最大變形同樣在開挖深度的2/3附近。

(4)基坑周圍土體垂直位移的最大值發生在基坑底部，即坑底土體出現隆起。

圖4中樁體最大水平位移為7.41mm，基坑周圍最大土體水平位移為7.37mm；圖4中坑后土體不同距離最大地表沉降為6.4mm，位置在距離坑邊16m處，該變化趨勢與沉降大小與劉小麗[7]偏態改進公式計算的結果比較吻合，對比結果如圖5所示。

圖4 站廳基坑樁體水平位移

圖5 數值模擬與偏態改進計算結果對比

2.3 基坑監測結果分析

為確?；娱_挖過程的安全，對深基坑及其周圍環境進行監測分析，指導基坑開挖和支護結構施工，確保鄰近建筑物的安全。

圖6為明挖站廳監測點位布置圖，圖7為明挖站廳點ZQT04、ZQT05、ZQT07、TS2的水平位移監測曲線圖，TS2為坑后土體位移監測點，其余為樁體位移監測點。實際監測結果中ZQT04最大水平位為6.78mm，ZQT05最大水平位移為9.32mm，ZQT07最大水平位移為8.96mm，TS2最大水平位移為7.89mm，數值模擬結果最大水平位移為7.80mm。測點ZQT04水平位移相對較小，與測點處于基坑轉角附近且附近進行旋噴樁加固有關。測點ZQT05、ZQT07位移略大于TS2的位移，且變形趨勢一致。

圖6 站廳基坑監測點位

圖7 站廳基坑圍護樁水平位移

圖8為管委會不同監測點位歷時沉降圖，因監測點位置不同，各點位數值略有差異，但總體趨勢一致。管委會監測點最大沉降在6mm左右，與站廳周邊最大地表沉降數值模擬結果基本相同，因此，地表沉降數值一定程度上可以反映建筑物沉降情況。

圖9為如意坊不同監測點歷時沉降圖。最大沉降為7.1mm，與數字模擬結果7.3mm比較接近，說明模擬結果相對準確。

3 結論

本文利用南寧市青秀山地鐵車站項目并結合數值模擬和監測結果，分析了深基坑開挖對臨近建筑物變形影響，得出以下結論：

(1)樁體水平位移最大值所在深度位置與基坑尺寸及基坑開挖深度有關；基坑長邊變形一般大于基坑短邊變形，要利用結構或加固措施對基坑長邊變形進行控制。

圖8 管委會不同測點歷時沉降

圖9 如意坊不同測點歷時沉降

(2)坑后土體水平位移數值與樁體水平位移有關，受樁體水平位移的影響，一般情況下坑后土體位移變化趨勢與樁體位移變化趨勢相同，但在位移數值上小于樁體位移。

(3)加固措施等對基坑變形的影響較大，在建筑物與基坑圍護樁之間增加旋噴樁，可以有效的增加土層的強度，并減小樁體位移，從而達到保護建筑物的作用。