地铁换乘站坑中坑开挖变形特性

侯新宇 刘松玉 童立元

(1东南大学交通学院，南京 210096)

(2江苏广播电视大学建工系，南京 210036)

地铁换乘站是城市地下交通枢纽的重要组成部分，坑中坑工程作为基坑工程的独特形式之一，具备传统基坑工程卸载开挖的部分特征.传统基坑工程土体的应力-应变关系随土体开挖发生改变，Lambe［1］在1967年提出的应力路径方法能够很好地描述这一变化过程;被动区土体由于上部土体卸载导致竖向应力减小，应力主轴发生偏转，偏应力减小的同时球应力减小［2］;文献［3］对卸载条件的应力路径和模量进行了分析;文献［4］把正常固结饱和黏土用双曲线拟合并归一化，用于软黏土深基坑开挖非线性有限元计算;文献［5-10］采用模型试验以及数值模拟等方式，对卸载条件下基坑土体的应力路径变化进行研究.

坑中坑工程的结构形式和土方施工特点有别于传统基坑，施工开挖形成的土体应力场分布比传统基坑更为复杂.现行的基坑工程设计规范中未涉及坑中坑方面的问题，用传统的基坑支护理论指导设计和施工，往往会因诸多不确定性因素导致重大工程事故.目前国内对坑中坑问题的研究多限于围护结构施工方法及监测数据分析等方面［11-13］.文献［14］对坑中坑问题进行了归纳分类;文献［13］对坑中坑支护结构设计计算取值进行了探讨;文献［15］对坑中坑结构形式参数对应力场的敏感程度进行了分析.

本文对坑中坑土体的应力路径变化进行了分析，并通过对苏州轨道交通一号线某换乘站进行有限元数值模拟，归纳了坑中坑工程土体的变形特点.

1 坑中坑开挖土体变形机理

坑中坑基坑形式是在传统的大基坑底部开挖小基坑，常常把大基坑称为外坑，小基坑称为内坑.坑中坑基坑开挖总体分为2个阶段(见图1)，第一阶段挖除外坑的全部土体(8区)，第二阶段挖除内坑的土体(7区).在不同开挖阶段，基坑不同区域的土体处于不同的应力状态，随着开挖阶段的变化，其应力状态也随之改变.

图1 坑中坑开挖剖面示意图

第一阶段，8区的土体卸载导致外侧支护结构产生侧向位移.1区的水平应力减小，竖向应力基本保持不变，水平应力介于主动土压力与静止土压力之间，应力路径沿图2中AC方向发展.2区上部土体卸载导致其竖向应力减小，应力主轴发生偏转，偏应力和球应力均减小，应力路径沿AE方向发展，5区和7区也有相似的特点.3区和6区竖向应力减小的同时，水平应力也有小幅变化，应力路径沿AD方向发展.4区竖向应力基本不变，水平应力小幅变化，应力主轴发生偏转，应力路径沿AC方向缓慢发展.

图2 坑中坑p-q空间应力路径

第二阶段，7区的土体卸载导致坑中坑内外支护结构均产生向基坑内侧发展的位移.基坑不同区域的土体应力状态重新分布.

1区应力路径发展与第一阶段相似，沿原AC方向继续发展.2区土体侧向卸载，应力主轴发生偏转，其应力路径在AE某位置发生改变，沿EE'继续发展，EE'有近似平行AC的趋势;由于5区上部土体卸载，竖向应力减小，应力路径继续沿AE向EMF方向发展.6区竖向应力减小，沿着原有应力路径AD向S发展.3区在卸载作用下，应力主轴发生偏转，应力路径在AD某位置发生改变，沿DD'继续发展，DD'有近似平行AC的趋势.4区应力路径沿原方向继续发展.

2 工程概况

苏州轨道交通一号线某车站位于广济路与干将西路交叉路口地下，为一号线和二号线换乘车站.车站由一号线、二号线、北联络线及控制中心4部分组成:①一号线为东西向，结构外包全长315.2 m，标准段外包宽度32.4 m，车站主体为地下两层，采用双层双跨或多跨钢筋混凝土箱形结构.②二号线为南北向，结构外包全长113.9 m，外包宽度24.7 m，车站主体为地下三层，采用双柱三跨钢筋混凝土箱形结构.③北联络线位于二号线北端，长约168 m，为地下负三层结构.④控制中心位于一号线北侧，长约108 m，宽约60 m，为地下负一层结构.

车站主体围护结构均采用地下连续墙结构，一号线地下双层段、二号线和一号线相接部分均采用800 mm厚连续墙，墙体埋深29～32 m;二号线及联络线地下三层段采用1 m厚连续墙，墙体埋深约41 m;控制中心采用600 mm厚地下连续墙，墙体埋深约18 m;车站主体交叉部位、车站与商务区、商务区与控制中心结合部位采用半截墙，墙体埋深14.11～20.37 m.车站主体地基加固主要采用φ850 mm三轴搅拌桩局部加固(裙边方式加固，宽度4 m).坑内加固深度为基底至基底以下3 m(局部4 m).取换乘站典型断面进行分析(见图3).

图3 坑中坑剖面图(单位:mm)

3 坑中坑开挖有限元模型的建立

典型坑中坑断面外坑开挖深度15 m，外地连墙厚0.8 m，入土深度27 m，外坑3道钢筋混凝土支撑.内坑开挖深度6 m，内地连墙厚0.6 m，入土深度13 m，内坑采用2道φ609 mm(t=16 mm)的钢管支撑，坑中坑剖面如图3所示.基坑土体开挖共7个卸载工况，每次开挖深度到达下一支撑位置超挖1 m，坑外超载距离地连墙2 m，取20 kPa，有限元计算模型如图4所示.

图4 有限元计算模型

根据坑中坑开挖基坑土体应力路径的分析，理想的弹塑性模型不能满足坑中坑开挖模拟的要求.不管是卸载模量Eur，还是首次加载模量E50，都会随着围压的增加而增加，基坑土体卸载模量必须选择一个与应力水平和应力路径发展相一致的数值.本文采用的Hardening-Soil(HS)模型是一个考虑了土体剪胀性的塑性模型，在Mohr-Coulomb屈服面基础上引入了一个屈服帽盖.当对土体施加偏应力(σ1－σ3)时，土体表现出刚度下降，产生塑性应变.HS模型能够模拟具有不同应力路径条件下的土体刚度变化.该模型采用三轴固结不排水剪(CU)的有效应力指标、土层参数、地连墙参数和支撑参数如表1～表3所示.

表1 土层参数

表3 支撑参数

表2 地连墙参数

4 坑中坑开挖数值模拟结果分析

4.1 土体开挖对外地连墙侧向位移的影响

外坑开挖的4个工况(LD1～LD4)中，由于基坑土体侧向卸载，外地连墙向坑内产生侧向移动，钢筋混凝土支撑刚度较大，外地连墙产生的土拱效应随开挖深度增大越明显，最大侧移位置随开挖深度向下移动(见图5).工况4墙体侧向位移最大达到0.028 m，最大位置出现在墙体11.2 m深度处.内坑开挖的3个工况(LD5～LD7)对外地连墙侧向位移影响不大，外墙上部在支撑刚度持续作用下侧移几乎无变化，外墙下部在内坑卸载作用下发生侧移，每次侧移幅度在2 mm左右，远小于外坑开挖对外墙侧移的影响.基坑外地连墙实测的侧向位移值略小于数值模拟结果(见图6)，各开挖工况变形趋势与数值模拟相一致，以上变形趋势符合坑中坑应力路径的定性分析.坑趾系数(内墙到外墙的距离/外坑深度)1.07＞0.5，内坑开挖导致外墙土压力增长较小，这与文献［15］结果吻合.

图5 外地连墙侧向位移曲线

图6 外地连墙侧向位移实测曲线

4.2 土体开挖对内地连墙侧向位移的影响

内地连墙在基坑土方开挖前已经施工完毕.外坑开挖的过程中，内墙无支撑作用时相当于悬于坑内土体中，其位置完全受到周边土层侧向移动的制约.在外坑开挖的过程中，内墙总体保持远离外墙的侧移趋势(见图7)，内墙外侧应力主轴发生偏转，偏应力和球应力均减小;同时内墙顶却出现侧移随开挖深度增大有减小的趋势，分析这种现象主要由开挖卸载使基坑内土体产生隆起所导致.工况5(LD5)为内墙悬臂开挖，内墙侧向卸载导致内墙后土体应力主轴旋转，应力路径趋势发生改变，墙顶产生明显侧移.随着内墙支撑的施加，内墙墙顶的侧移量得到限制，但内墙墙底侧移限制程度不明显，这主要是因为内坑卸载改变了内墙外侧土体的应力场分布，也包括外墙周边土体应力场.内地连墙实测的侧向位移结果如图8所示，各工况变形趋势与数值模拟相一致，内坑开挖导致内地连墙侧移值增加超过11 mm.

图7 内地连墙侧向位移曲线

图8 内地连墙侧向位移实测曲线

4.3 土体开挖对外墙外侧土体沉降的影响

外墙外侧土体沉降受外坑土体开挖影响较为明显，而内坑开挖对其影响微弱(见图9).在外墙外侧1倍开挖深度处，前4个工况都会使之发生一定程度的沉降;在内坑开挖过程中，外墙外侧土体沉降基本趋于稳定，内坑土体卸载对外墙外侧土体沉降影响很小.内坑开挖产生的卸载对外墙地面附近土体的应力路径改变较小.基坑监测结果也呈现相同的变化趋势.

图9 外墙外侧土体沉降曲线

4.4 土体开挖对外墙外侧土体水平位移影响

坑中坑土体开挖导致土层侧向移动，而外墙外侧土体水平位移是基坑环境影响的重要指标之一.由图10可知，由于外坑土体卸载导致外墙外侧地面水平位移较为明显，局部超过15 mm，而内坑的3次土体开挖产生外墙外侧地面水平位移曲线几乎重合，侧移增量不超过1 mm.这与外墙外侧土体沉降趋势保持一致，即内坑开挖对地面水平位移影响甚微.

图10 外墙外侧土体水平位移曲线

4.5 坑中坑土体开挖对内墙外侧土体竖向位移的影响

内墙外侧土体顶面即为外坑的基坑底面.工况4开挖产生的内墙外侧土体竖向位移即为外坑坑底隆起量.由图11可以看出:外坑土体4次开挖结束，外坑坑底产生较大隆起，最大隆起发生在内墙外侧附近，隆起量达到0.136 m，在内墙外侧10 m范围内隆起量都超过0.10 m.在内墙外侧10 m处，由于外墙内侧有水泥土深层搅拌桩坑底加固，隆起量逐渐降低，到达外墙位置隆起量仅为0.024 m.

图11 内墙外侧土体竖向位移曲线

内坑土体的3次开挖并未对内墙外侧土体竖向位移产生较大的改变.但随着内坑开挖工况进行，内墙外侧土体竖向位移有增大趋势，这种情况与常规基坑外侧土体竖向位移趋势相反.分析其原因，主要是由于内坑土体开挖导致内墙外侧土体应力路径趋势发生改变(见图2中AEE'曲线)，同时外墙外侧土体应力路径持续发展(见图2中AC)，内墙和外墙外侧土体内部应力状态发生改变，土层发生移动.内坑卸载导致的外坑坑底隆起部分超过内坑外侧土体沉降部分，形成了图9中内坑3次开挖的竖向位移趋势.

应力路径的改变是坑中坑土体变形的直接根源，这种复杂的变化通过实际坑中坑工程土体开挖得以体现.在所选的典型案例中，内坑开挖的3个工况对外地连墙侧向位移影响不大，有支撑作用的外墙上部侧移几乎无变化，外墙下部在内坑卸载作用下发生侧移;外坑、内坑的开挖都导致内墙向坑内发生侧移;内坑开挖对外墙外侧土体的竖向和水平向位移影响较小;内坑外侧土体(即外坑坑底)的隆起主要由卸载条件下的内坑外侧土体沉降和外坑坑底隆起两部分组成，变化幅度不大.

5 结语

坑中坑基坑的内坑土体卸载导致基坑不同区域土体应力-路径发生改变.这种基坑土体应力-应变关系的变化比常规基坑应力-应变关系更为复杂.不同应力路径条件下的土体模量发生变化，在进行坑中坑工程支护结构设计以及相关受力变形分析过程中，土体模量变化的差异是不容忽视的，这直接影响着坑中坑开挖的变形.坑中坑基坑开挖应力路径以及其开挖变形特性的研究，能够为更多坑中坑工程确定更为科学合理的设计和施工方案提供一定的参考依据.

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