地铁车站开挖对周边环境的影响研究

李彦君 聂鑫淼

（中交路桥建设有限公司，北京100027）

随着社会经济和城镇化的迅猛发展，城市人口的激增，给交通出行带来巨大的压力。因此对地下空间的开发利用得到人们的广泛重视，地铁工程、高层建筑等基础设施发展势头突飞猛进，众多形态各异的深大基坑也随之产生。

截至目前，国内专家学者针对基坑开挖对地表沉降的影响做了大量研究工作，取得了丰硕的成果。杨敏和卢俊义[1]提出基于围护结构变形模式的地面沉降估算方法。王强[2]应用三维有限元分析手段，对地铁隧道在基坑施工过程中所产生的影响进行弹塑性分析。木林隆等[3]（2012）采用考虑土体小应变特性的HS-small 模型，利用反分析方法对基坑开挖引起的土体位移进行研究。孟丹等[4]在将Peck 方法和随机介质理论方法对比分析的基础上，得到2 种方法对于地表沉降影响范围计算结果的差异。本文以哈尔滨地铁会展中心站基坑开挖为背景，对基坑开挖施工过程中土体水平及竖向位移进行模拟分析，并对实际工程中基坑开挖带来的桩顶水平及竖向位移进行分析，将基坑周边地表沉降与现场实际监测数据对比，模拟结果与实测结果基本一致，为类似的基坑开挖工程提供借鉴，具有重要的现实意义。

1 工程概况

车站主体为地下双层两柱三跨（换乘节点为三层两柱三跨）现浇钢筋混凝土箱型框架结构，采用明挖顺作法进行施工。车站基坑开挖严格遵循“时空效应”原理，分层、分段开挖。分层厚度按照钢支撑位置将基坑分为5 层，结合结构施工缝和诱导缝将车站基坑划分为6 段开挖。其中区域③为换乘段采用盖挖法施工。车站施工分段图如图1 所示。

图1 车站施工分段图

2 基坑开挖数值模拟

2.1 模型建立

结合现场工程实际情况及施工图纸资料，基坑长190m，宽为24m，标准段开挖深度为20m，盖挖段深度为27m，最终确定的模型尺寸为500m×120m×77m（长×宽×高）。模型底面固定，侧面采用水平约束，模型顶面自由，采用摩尔库伦本构模型。基坑附近的网格较密，距离基坑越远网格尺寸越大，共有212004 个单元网格，数值模型图如图2 所示。主要土层物理力学参数表如下表所示。

图2 基坑数值模型图

主要土层物理力学参数表

3 结果分析

3.1 水平位移分析

基坑土体在开挖过程中应力状态发生急剧变化，有效应力的增长导致土体产生不同程度的位移。基坑标准段开挖完成后水平位移如图3 所示，基坑两侧土体水平位移沿基坑中心位置呈轴对称分布，土体水平位移的最大值出现在开挖面下部靠近基坑边缘处。基坑两侧土体由于基坑开挖产生了应力重分布，其水平位移均指向基坑内侧。在水平方向上离基坑边缘越远，水平变形越小，直至为零。

图3 基坑开挖水平位移

3.2 竖向位移分析

图4 为基坑标准段开挖完成后的竖向位移图。基坑主体部位的竖向位移呈对称分布。围护桩外侧土体发生了竖直向下的位移，围护桩内侧土体发生了竖直向上的位移。这是因为土方开挖使得基坑土体产生卸荷作用，使得底部土体隆起，同时土方开挖还使得土体产生地层损失，围护结构背侧土压力迅速增大，坑边土体随着距离坑边距离的不同发生不同程度的沉降。由于基坑中部存在临时立柱，坑底附近位移呈“m”型分布，坑底隆起对称分布在立柱两侧。

图4 基坑开挖竖向位移

4 监测分析

随着基坑的开挖，开挖土体的卸载作用使得临空面附近土体主动土压力增大，使得围护结构发生一定程度的侧移，与桩体钢筋紧密绑扎的测斜管进而发生不同程度的倾斜及偏移，实际监测过程中通过监测测斜管的位移情况来反映桩体的位移情况。基坑监测部分测点平面布置图如图5 所示。

图5 基坑监测部分测点平面布置图

4.1 桩顶位移分析

鉴于工程地质条件的复杂性，开挖施工过程中围护桩体会发生不可避免的偏移。桩体的变形情况直接决定了基坑的稳定性和安全性，因此，有必要对围护桩桩顶水平及竖向位移进行监控量测。图6 为围护桩桩顶竖向位移监测点ZDC-22、23 变化曲线，桩顶竖向位移整体均呈上升趋势，累计最大沉降的监测点为ZDC-22，位于换乘段区域③，最大值为8.64mm。

图6 桩顶竖向位移变化曲线图

图7 桩顶水平位移变化曲线图

图7 为基坑换乘段监测点ZTS-21 桩体水平位移图。测点ZDS-22、ZDS-24、ZDS-26 位于基坑东侧边缘，整体位移为正，向基坑内偏移，最大偏移测点为ZDS-26，最大偏移量为3.26mm。基坑北侧监测点桩顶水平位移向基坑外偏移，而基坑东侧监测点桩顶水平位移向基坑内偏移。

4.2 模拟与监测结果对比分析

图8 模拟与监测地表沉降对比图

为了分析模拟结果与实际监测数据之间的吻合程度，并对偏差大的数据进行系统的分析。提取监测断面上沉降较大的两个监测点与模拟计算结果对比，绘制曲线图，如图8（a）、（b）所示。从图8 可以看出，模拟结果与实测结果趋势一致，模拟结果均比实测结果稍大。标准段监测点在开挖至基底（-20m）的过程中，两者数据相差不大，换乘段（20m 以下）开挖时的差别较大，但仍在允许范围内。这是因为土体开挖造成的地表沉降是一个长期的过程，受开挖时间的影响较大。标准段开挖至设计标高后土体完成瞬时沉降，而后期的固结沉降只能随时间推移逐步完成；同时与模型的本构关系、每层土开挖一步到位的模拟方式、围护桩等结构与土体的相互作用、工序与工序之间的间歇等因素有关。总体而言，模拟结果与实测结果相近，趋势一致，这证明模拟结果较为合理，能较好地反映基坑周边沉降在开挖降水条件下的变化情况，为实际施工安全、节约成本、提高建设质量具有重要的指导意义。

4 结论

本文结合工程实际情况，采用FLAC3D 软件对地铁深基坑开挖过程进行模拟分析，总结了基坑周边地表沉降规律，对开挖过程引起的竖向位移及水平位移进行了分析研究，随着基坑开挖深度的增大，基坑土体水平位移在基坑围护结构两侧对称分布，且逐渐增大。影响范围不断扩大，土体沉降相应增大。土体开挖至基底时，坑底隆起量达到最大，呈抛物线对称分布。将不同断面的地表沉降监测值与模拟值对比分析，模拟结果与实测结果沉降趋势一致，模拟结果较为合理，为类似的基坑开挖工程提供借鉴，具有重要的现实意义。