摘  要:成都某地铁车站深基坑位于砂卵石地层中，周围各类建筑物和生命线工程密集，对施工变形控制要求严格。通过基坑围护桩测斜数据分析围护桩的最大变形、相应位置及其与支撑施作时间的关系，通过数值模拟研究围护桩在基坑开挖过程中的应力应变特征。研究结果表明: 选择护壁桩加三道横向支撑作为围护体系能满足安全施工要求; 基坑阳角部位、基坑轮廓长边中点部位、各围护桩的桩体中部应重点加强施工监测和支护; 第二次和第三次开挖时段，基坑塑性区部位最小主应力分化明显，局部甚至出现拉应力，应加强观测。

关键词:地铁车站 深基坑 水平变形

 

      城市地铁车站深基坑往往处于各类建筑物和生命线工程密集区，周边环境复杂，临近大量管线、建筑与地铁构筑物等，场地紧凑，基坑周边难以找到施工场地。由于对基坑变形尤其是对水平变形要求严格，使得基坑开挖施工空间受到限制。加上岩土材料具有流变性质，在基坑开挖过程中其围护结构内力与变形表现出明显的时间效应和空间效应。目前，对软土地区地铁车站基坑开挖变形特征已有不少研究，而对在特定的砂卵石地层条件下深基坑的水平变形研究较少。

      本文以成都某地铁车站深基坑工程为例，分析深基坑施工过程中的一些特点。

 

      该地铁车站为地下二层单柱双跨 10 m 岛式站台车站。车站总长为287. 1 m，标准段宽18. 7 m，深16. 6m。西端盾构扩大端宽 37. 2 m，深 19. 9 m; 东端盾构扩大端宽 22. 4 m，深 20. 5 m。车站由西往东坡度为0. 2% 。

      该场地主要为表层杂填土和第四系成都典型砂卵石地层。根据岩土工程详细勘察报告，各土层主要物理力学参数见表 1。

      围护结构采用人工挖孔桩加三道横向支撑形式。人工挖孔桩采用ɸ1 200@ 2 400 mm，桩芯混凝土为C30，桩长 21 m。桩顶设冠梁，桩间挂 ɸ10 × ɸ8@ 150mm × 150 mm 钢筋网并喷射厚 150 mm C20 混凝土，围护桩与挂网喷射混凝土间应可靠连接。基坑初始状态地下水位在地面下约 5 m，施工期间采用管井井点降水，水位保持在基坑底 0. 5 m 以下。开挖过程中依次在 －1 m、－7 m 和 －12 m 深度设置横向支撑，支撑采用 ɸ 600 mm 钢管，壁厚 14 mm。图 1 为围护结构剖面图。

      监测工作从基坑开挖前开始，到第一道支撑拆除后结束。监测时段为 2010 年 2 月 24 日—8 月 7 日。采用 CX-03 数字显示测斜仪，该仪器属于伺服加速度式测斜仪。在施工过程中对全桩长每天观测一次，步长为 1. 0 m。若发现变形比较大或情况异常时，步长加密为 0. 5 m。为了保证安全，在基坑周边共布置了27 个测斜孔。

      选取了不同空间位置有代表性的监测点( 22^#，148^#，215^#，256^#，273^#) ，对该地铁车站深基坑开挖过程中围护桩水平变形特点进行分析。

      1) 围护桩最大变形分析

      各代表性监测点最大变形结果见图 2。

      由图2 可见: 基坑阴角部位22^#测点的最大变形值为 0. 97 mm，而基坑阳角部位 256^#测点最大变形值为3. 26 mm，远大于阴角部位的变形值; 长边中点 215^#测点最大变形值为 5. 04 mm，而短边中点 148^#测点最大变形值为 1. 66 mm，远小于长边中点; 特殊部位( 扩大端) 273^#测点最大变形值为 4. 58 mm，变形较大。因此，在地铁车站深基坑施工过程中，针对阳角、长边中点、扩大端等特殊部位  应重点加强支护和监测。

      2) 围护桩变形最大部位分析

      图 3 为各监测点全桩长的最终水平位移曲线。

      由图 3 可见: 各围护桩在基坑开挖过程中，主要产生向基坑内一定程度的水平位移，变形较大的区段集中在 －4 ～ －11 m。故在该区段开挖过程中，应加强支护和监测，及时掌握基坑变形动态特征。

      3) 围护桩变形与支撑施作时间分析

      监测数据分析表明，215^#测桩的变形幅度最大，最大值发生在距桩顶 － 9 m 截面处。根据施工记录，该处基坑在 2010 年2 月27 日、4 月12 日和6 月25 日分别完成第一道( －1 m 处) 、第二道( －7 m 处) 和第三道( －12 m 处) 横向钢支撑。图 4 给出了该处侧向变形发展过程曲线与支撑施作时间的对应关系。

      由图 4 可见: 第一道支撑施作前后，由于开挖深度较小，围护桩桩长较大，该道支撑对桩体变形影响较小。随着开挖深度不断加大，该处侧向变形开始加剧增长; 第二道支撑施作之后，侧向变形速度明显减缓。开挖深度进一步加大，坑底逐步远离第二道支撑，该处侧向变形又开始加剧增长; 到第三道横向支撑施作完毕后，变形速度才开始慢慢减缓，并趋于平缓，直至开挖到位并施作底板; 215^#测桩 － 9 m 截面处的侧向变形主要发生在第二道支撑和第三道支撑施作之前，变形幅值整体较小，合计在 6 mm 以内。可见，基坑变形时程、变形幅度和变形速率与支撑施作时间密切相关，表现出明显的时效性。

 

      基坑开挖对邻近地层的影响主要在从开始开挖到第一道支撑拆除的阶段。为了进一步分析该车站深基坑开挖围护过程中的应力—应变特征，采用有限元软件 GeoStudio 的 Sigma 模块进行数值模拟分析。

      选用理想弹塑性本构关系摩尔—库伦准则，模型采用四节点矩形单元。由于基坑的地基土可在竖直方向自由沉降变形，故模型左右边界为水平方向约束，底部为竖直方向约束。按照先变形后支撑原则，根据基坑开挖的实际施工顺序，分为四次开挖，设置三道内支撑。

      图 5 是从地面开始沿桩长方向，每隔约 2. 5 m 取一点所得应力应变随开挖时步变化曲线图。

      从图 5 中可见:

      1) 最大主应力随开挖过程变化不大，仅在后两次开挖中最终开挖面以下有少量减小，主要原因是最终开挖面及桩脚处应力集中，导致最大主应力发生从水平方向分布向竖直方向分布的应力偏转。

      2) 最小主应力随开挖过程变化明显，首次开挖由于不到 1 m，最小主应力没有明显变化。此后的三次开挖在深度 19 m 附近( 中砂层分布处) 最小主应力明显减小，可见该处是地层受力薄弱点。

      3) 最大剪应力随开挖过程受最大、最小主应力差值控制，故最大剪应力变化点为最大、最小主应力变化的共同点处，即桩脚及中砂层分布处。这些部位也是整个基坑影响范围内应力集中明显、塑性区分布的地点。

      4) 地层水平方向变形在第二步开挖中增加较多，在第三步开挖完成后变形趋于稳定。

      图 6 为围护结束时的应力变形分布图，可以看出:

      1) 最大主应力( 图 6( a) ) 总体是随着深度增加而变大，在邻近围护桩侧及桩脚处应力明显竖直向偏转。在开挖面桩脚处最大主应力从 100 kPa 增加到 400kPa，表现为明显的应力集中。

      2) 最小主应力( 图 6( b) ) 总体来说是随着深度增加而变大，但由于在最终开挖面附近 1. 4 m 厚中砂层的出现，形成相对软弱带。由图中可见在该水平夹层处，应力值由 100 kPa 快速变小，至围护桩处减小至 0。最小主应力的另一个快速变化点为桩脚部位，在该处从 50 kPa 减小到 － 50 kPa( 表现为拉应力，证明此处已出现塑性破坏) ，同样应力集中明显。在围护桩顶后缘一定距离处及基坑底部也同样出现了拉应力，表明这些部位已出现塑性破坏。

      3) 最大剪应力( 图 6 ( c) ) 受最大、最小主应力差值控制，主要表现为随深度增加而变大。剪应力的明显集中部位为桩脚处，在约 4 m 范围内从 50 kPa 增加到 200 kPa。最大剪应力的次一级集中部位为中砂层塑性区分布处，但数值较小，在 50 kPa 范围内。

      4) 塑性区分布( 图 6( d) ) 受地层力学参数和应力分布共同控制。基坑塑性区主要分布在三个部位: 桩底、软弱中砂层及桩脚一定深度部位。总的来说塑性区仅分布在局部范围内，不会出现大范围贯通而导致塑性流动、失稳现象。

 

      1) 基坑位于典型的砂卵石地层中，中砂层是整个基坑变形破坏易发部位。选择护壁桩加三道横向支撑作为围护体系，监测和数值分析结果显示本围护体系能满足安全施工要求。

      2) 在空间分布上，基坑阴角部位侧移明显小于阳角部位; 基坑轮廓长边中点部位变形明显大于基坑短边中点; 基坑侧壁均表现出面向基坑内一定程度的侧向变形，各围护桩的最大侧向变形普遍集中在桩体中部距离桩顶 4 ～11 m 区段范围内。这些部位应重点加强施工监测和支护。

      3) 在时间分布上，施工过程的第二次和第三次开挖是整个基坑体系变形的主要发生时段。在该时段，基坑塑性区部位最小主应力分化明显，局部甚至出现拉应力。在实际施工中，应重点对该时段加强观测。

 

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