成都地铁车站深基坑周围地表沉降规律研究

童建军，王明年，于 丽，刘大刚，徐 瑞

(1.西南交通大学土木工程系，四川峨眉山 614202;2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031;3.安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽合肥 230001)

近年来，由于大规模的城市扩张和轨道交通建设，成都地区出现了大量的高层建筑基础深基坑、地铁车站深基坑和明挖隧道长深基坑，这些深基坑在开挖过程中涉及的地层结构具有明显的特点，即均处于较厚的卵石地层之中，由此带来的周边地面沉降是一个必须面对和解决的问题。

成都地区属于岷江冲、洪积扇状平原地貌，其地层单元较为统一，覆土主要为人工填土、粉质黏土、砂土、卵石土，下伏泥岩。卵石地层为Q3+Q4的砂卵石，厚度14～30 m，粒径大部分4 ～12 cm，并含有少量漂石，卵石含量75% ～85%，自上而下卵石含量由少到多，粒径由小变大，结构由稍密到密实。卵石地层中地下水水量丰富，埋深较浅，渗透系数 K=10 ～20 m/d［1～3］。

国内对于黏土、砂土等地层中的深基坑工程研究已取得了丰硕的成果，但卵石地层深基坑周围地面沉降问题的研究很少。李国杰［4］运用FLAC软件对成都地铁天府广场车站深基坑在土钉墙和锚拉桩两种支护类型下的周边地表沉降进行了研究;陈盛金［5］分析成都地铁2号线春熙路站深基坑现场监测数据，认为地表沉降曲线为凹槽型，并利用FLAC3D软件模拟了基坑开挖工程中的地面沉降情况;王卫［6］给出了成都地铁1、2号线4个车站深基坑周边地面沉降的监测数据，统计了22个车站周边最大地面沉降值，发现大多数小于14 mm，个别达到33 mm;刘宇［7］给出了成都地铁东门大桥站深基坑周边地表沉降监测数据，并用有限元软件模拟分析，得出地面沉降影响深度为10 m，横向最大影响范围约20 m;袁坤［8］通过现场实测数据验证了成都地铁塔子山车站基坑周边地面沉降的ANSYS计算结果;尹群［9］分析了成灌快铁迎宾车站监测数据，分析了地面沉降在开挖工程的变化规律，并与PLAXIS有限元软件计算结果对比;董英［10］利用有限元软件分析了成都迎晖路建筑深基坑周边地表沉降规律，认为最大沉降发生在距离坑壁一定距离内。以上相关研究主要为工程个案分析，采用的有限差分法也并不适合高离散性的卵石地层，故本文统计了大量成都地铁车站深基坑实测数据，并结合颗粒离散元法数值分析，研究成都地铁车站深基坑周边地表沉降的规律，以期对类似基坑工程设计和施工提供参考。

1 成都地铁车站深基坑周围地表沉降的颗粒离散元法数值模拟

颗粒离散元法把离散体看作有限个离散单元的组合，每个圆盘或圆球颗粒为一个单元，根据过程中的每一时步各颗粒间的作用和牛顿运动定律的交替迭代预测散体群的行为。颗粒离散元法可以在颗粒体模型基础上通过随机生成算法建立具有复杂几何结构模型，通过单元间多种连接方式来体现土体等多相介质间的不同物理关系，从而更有效地模拟土体的开裂、分离等非连续现象，成为分析和处理岩土工程问题的不可缺少的方法［11］。

根据文献［1～10］，选择成都地区典型的地质剖面和常用的“围护桩+内支撑”的支护结构型式(图1)，采用颗粒离散元软件PFC2D模拟成都地铁车站卵石地层深基坑的开挖过程。

图1 成都地区典型地质剖面及基坑支护结构示意图(m)Fig.1 Typical geological cross section and support structure of the foundation pit in Chengdu

由于基坑都是在抽水后进行开挖，所以计算中未考虑地下水。根据基坑对称性，取其一半进行研究，模型宽度为40 m，高度为30 m，地层及支护结构均由圆盘颗粒进行模拟，模型左、右及下边界设定为墙体，上边界为自由表面，基坑开挖结束后的计算模型如图2所示。

图2 基坑开挖结束后的模型图Fig.2 Model of foundation pit after excavation

借鉴已有研究成果［1～10，12］选取地层岩土体及支护结构的物理力学参数和边界墙体计算参数(表1、表2)。

表1 岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

表2 基坑支护结构物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of foundation pit support structure

数值模拟首先建立原始地层模型，施加位移约束边界条件，在重力作用下进行迭代计算直至系统达到平衡，模拟地层初始应力状态。然后删除挖孔桩所在位置的土体单元，建立相应的桩单元，迭代计算至土体处于新的平衡状态。最后分步挖去指定区域的土体单元，并在指定位置处建立钢支撑单元，测定地表沉降量。基坑开挖步骤如表3所示。

表3 基坑开挖步骤Table 3 Excavation steps of foundation pit

对于基坑各个开挖步骤，提取数值计算结果并绘制地面沉降曲线，曲线中每点沉降值为其两侧2 m范围内颗粒的平均沉降值(图3)。

图3 颗粒离散元所得不同开挖步骤下地表沉降图Fig.3 Land subsidence in all excavation steps with the granular discrete element method

由图3可知:(1)在不同的开挖阶段，基坑周围地面沉降曲线均为凹槽型。(2)距坑壁不同距离地表沉降值和地表沉降范围均随着开挖进度逐渐增大，最大沉降范围为32 m。(3)地面沉降最大值位于坑壁后6 m处，在开挖各个阶段，最大值分别为-1.6 mm、-4.3 mm、-7.5 mm、-10.0 mm和-10.7 mm，每个开挖阶段的沉降值分别占总沉降值的15%、25%、30%、23%和7%，可见第二 、三、四层的开挖对地表沉降影响较大。(4)基坑各个开挖阶段的地面沉降曲线在坑壁后10 m处均有1个突变点，每个开挖阶段在该处的沉降值与其最大沉降值相比，减幅60% ～70%。

2 成都地铁车站深基坑周围地表沉降的工程案例统计

成都地铁车站多采用“围护桩+内支撑”的支护体系，施工中周边地表沉降监测点布置方式通常有两种:对小型车站而言，监测点沿基坑周边3 m范围内单点布置;对大型车站而言，监测点沿基坑周边呈断面布置，每个断面设2～4个测点。

根据相关文献［5～9］和成都地铁现场监测报告［13～15］，收集成都地铁9个车站深基坑共计18个监测断面和24个单独监测点的地面沉降实测数据。对这些数据进行无量纲化处理，即将各测点的地面沉降值(δv)和距基坑壁的距离值(d)均除以基坑开挖深度(H)，在此基础上绘制成都地铁卵石地层深基坑周围地面沉降的无量纲曲线，并根据这些实测曲线给出了地面沉降的包络线(图4)，纵坐标为千分值。

图4 成都地铁车站深基坑周边地表沉降无量纲图Fig.4 Dimensionless land subsidence curves in the Chengdu subway station deep foundation pits

分析图4可知，沉降曲线主要有凹槽型和抛物线型。最大沉降位于坑壁外大约0.25H处，其值为0.4‰H～0.7‰H;沉降曲线突变点位于0.5H附近，其沉降值为0.1‰H～0.45‰H。

图4中沉降包络线由3段组成，其数学表达式为:

对比图4可知，实测沉降曲线类型较数值模拟曲线复杂。实测和数值沉降曲线的最大沉降点和突变点在地表位置基本一致，即分别为0.25H和0.5H处，实测沉降包络线完全包括了数值模拟曲线。

由此可见，实测沉降包络线可用于成都地区卵石地层深基坑周围地表沉降的预测。

3 成都卵石基坑与上海软土基坑墙后地表沉降的对比

将成都地区卵石地层基坑工程与上海地区软土地层基坑工程在墙后地面沉降方面进行对比，分析归纳两种性质迥异的地层中基坑工程周边地面沉降的差异。王卫东［16］通过统计上海地区35个深基坑的监测数据得到其地面沉降分布如图5所示。

对比图4和图5中成都和上海工程案例沉降包络线，可知两包络线均呈凹槽型，但存在以下区别:

(1)基坑开挖对周边土层的影响范围不同。成都地区基坑开挖影响范围一般为1～2H，而上海地区最多可达4H。

图5 上海地区深基坑周边地表沉降无量纲图［16］Fig.5 Dimensionless land subsidence curves in the deep foundation pits in Shanghai

(2)最大沉降点位置和量值不同。成都地区基坑周边地表最大沉降点位于0.25H附近，量值为0.4‰H～0.7‰H，而上海地区最大沉降点位于0.5H附近，最大量值可达8‰H;两者最大沉降点位置相差1倍，量值可相差1个数量级。

(3)沉降突变点位置不同。成都地区沉降突变点位于0.5H位置，即在0～0.5H范围内变化剧烈，地表倾斜较大，在0.5～2H范围内沉降变化缓慢，而上海地区基坑工程地表沉降突变点位于约2.0H处。

总之，成都地区卵石基坑与上海地区软土基坑墙后地表沉降的包络线形态相同，但包含范围差别很大，这是由卵石土和软土不同的工程性质决定的。天然形成的卵石土通常在不同粒径的充填物充分沉积填充后，在漫长的地质年代中受到上部覆盖层的压力或构造地应力等因素的作用，可以达到很高的密实度和承载力，所以在基坑开挖后可以表现出较好的“自稳能力”，其周边地表变形也较小，而软土的工程性质表现出高孔隙率、高含水率、高压缩性、高灵敏度和低承载力的特点，在基坑开挖的影响下，其侧向变形和地面沉降效应明显。

4 结论

(1)成都地铁卵石地层深基坑周围地表沉降随着基坑开挖过程逐渐增大，其中第二、三、四层开挖引起的地表沉降相对较大。

(2)成都地铁卵石地层深基坑周围地表沉降曲线呈凹槽型和抛物线型，其包络线最大沉降点位于坑壁外0.25H处，量值为0.73‰H;突变点位于坑壁外0.5H处，量值为0.5‰H。

(3)与上海地区软土地层相比，成都地区卵石地层深基坑的地表沉降包络线在地表的范围约为上海地区的1/2，最大沉降点距坑壁距离约为上海地区的1/2，其量值相差1个数量级，沉降突变点位置距坑壁距离也约为上海地区的1/2。

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