复杂地铁车站深基坑开挖对周围环境影响及监测分析

崔红利， 焦 义， 钟鸣洋， 左 强， 林 锐，朱运明

(1.中铁隧道集团四处有限公司，广西南宁 530000；；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031))

地铁车站多建于闹市区，在城市中心密集区开挖越来越多的深基坑工程，地铁车站深基坑的开挖容易引起周围地表的沉降，而且周围建筑物、市政管线密集，一些建于20世纪80年代或20世纪90年代早期的建筑物往往桩基埋深较浅。地铁车站深基坑的设计或施工即使出现一些小的差错，都有可能引起周围建筑物或市政管线的沉降、开裂或局部损伤，严重的可能引起倒塌事故，因此在基坑开挖过程中需进行实时监测[1]，对位移进行实时把控，实现施工的信息化，从而更好地为施工服务。江杰等[2]对复杂环境下多种支护结构并存的深基坑进行研究，得出了该地区深基坑施工过程中多种支护结构变形位移规律。丁智等[3]、杨有海等[4]、张雪婵等[5]对杭州软土地区基坑监测数据进行分析，讨论了不同工况下桩体深层水平位移和土体深层水平位移、地表沉降程度的关系。

由于复杂环境下明暗挖结合的深基坑与紧邻建筑的相互影响较复杂，解析解很难准确地反映多部位的位移变形情况。因此本文以南宁市青秀山站地铁车站为背景，对基坑施工过程进行数值模拟，深入研究基坑开挖对邻近建筑的变形影响范围及变形规律，并将实时监测结果和相关部位解析解进行比对，探讨深基坑开挖对建筑物影响的变形规律并提出具体措施为类似工程提供参考。

1 工程介绍

1.1 工程概况

南宁市地铁车站位于凤岭南路与青山路交叉口东侧约180m，车站斜跨凤岭南路，呈南北走向布置，凤岭南路道路宽30m，为双向6车道。两条人行道路、车流量大，交通繁忙。起点里程YDK20+45.200，终点里程为YDK20+229.900，总长184.7m，其中明挖站厅起点里程YDK20+136.500，终点里程为YDK20+218.900，明挖结构总长为82.4m，标准段总宽41.8m，标准段基坑底部埋深约24.35m。

1.2 工程地质与水文条件

车站范围内岩土从上至下依次为：表层为可塑～硬塑状素填土；中部为硬塑土、坚硬土、半岩半土的泥岩、粉砂质泥岩；下部为粉砂岩、泥质粉砂岩以及粉细砂岩。截面各土层参数如表1所示。

1.3 基坑及周边建筑支护方案

围护结构主要设计参数及地表近接建筑物参数如下所示：

(1)明挖站厅采用围护结构+混凝土支撑的围护体系，其中围护结构采用φ1200@1500mm和φ1500@1900mm的混凝土灌注桩共计176根，共设5道混凝土支撑，混凝土支撑采用尺寸为800mm×900mm和1000mm×1200mm。其围护结构外侧设地表沉降观测点(图1)。

图1 明挖站厅基坑立面

(2)如意坊修建于2006年7月，距车站北端风井最小距离为6.4m，对北侧风井的土方及围护桩施工有较大影响。本工程使用旋喷桩法来防止其基础变形及对土层进行加固与止水，旋喷桩施工总长117.1m，间距0.9m，桩直径1.2m，共一排。

(3)管委会为1～3层框架结构，采用独立基础，距基坑最近距离为9m，对南端明挖站厅的土方开挖及围护桩的施工影响较大。南侧明挖站厅距管委会20m，工程中使用旋喷桩对土层进行止水加固，直径1.2m，间距0.9m，共一排。

表1 车站截面土层物理力学参数

2 地铁深基坑开挖对周围建筑影响分析

根据基坑开挖方案、支护方案、地质条件、周边建筑物情况等资料，采用有限元软件模拟基坑开挖、支护过程中的位移和对周边建筑物、管线的影响。就基坑变形而言,研究证明二维计算结果一般在基坑转角处比三维计算大15 %左右[6]，在基坑其他部位相差不大。因此，将基坑按二维问题处理是合理的。故本文采用了PLAXIS2D对基坑进行分析，既充分考虑了基坑与邻近建筑物变形的相互耦合关系，又利用硬化土模型(HS)，实现了对基坑变形的精细化分析，从而使得针对建筑物的变形计算结果更为准确可靠。

2.1 本构模型与施工工况

模型计算中土体采用硬化土(HardeningSoil)本构模型，HS模型是一个可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型土体行为的先进模型。它的弹性部分采用了合理的双刚度，即加卸载模量分别定义，且考虑了土体的压硬性。塑性部分采用非相关联流动法则和各向同性的硬化准则，可以较好地描述双曲线形式的应力应变关系和土体的剪胀性。围护桩采用plate单元模拟，内支撑采用nodetonodeanchor单元模拟。整个模型的模拟过程包括地面建筑、管线、基坑开挖、基坑支护几个步骤，主要包括各层分层开挖，已经分层支撑，其中地面建筑通过对地面加载的方式进行模拟，基坑开挖采用分步开挖的方式进行。

2.2 基坑开挖引起的变形

图2为明挖站厅基坑开挖完成后的整体变形图，基坑的变形主要在下列几个方面：

图2 站厅基坑整体位移

图3 站厅基坑不同距离地表沉降

(1)由图3可知，坑后土体不同距离地表沉降趋势为漏斗形，影响范围在1～1.5倍围护桩长度，由于受到土体与桩体之间的相互作用和支撑的影响最大沉降没有出现在桩体附近。

(2)围护桩向基坑内有水平位移，由图4可知，最大位移一般在开挖深度的2/3附近。

(3)基坑周围土体水平位移与维护结构的水平位移紧密相关，最大变形同样在开挖深度的2/3附近。

(4)基坑周围土体垂直位移的最大值发生在基坑底部，即坑底土体出现隆起。

图4中桩体最大水平位移为7.41mm，基坑周围最大土体水平位移为7.37mm；图4中坑后土体不同距离最大地表沉降为6.4mm，位置在距离坑边16m处，该变化趋势与沉降大小与刘小丽[7]偏态改进公式计算的结果比较吻合，对比结果如图5所示。

图4 站厅基坑桩体水平位移

图5 数值模拟与偏态改进计算结果对比

2.3 基坑监测结果分析

为确保基坑开挖过程的安全，对深基坑及其周围环境进行监测分析，指导基坑开挖和支护结构施工，确保邻近建筑物的安全。

图6为明挖站厅监测点位布置图，图7为明挖站厅点ZQT04、ZQT05、ZQT07、TS2的水平位移监测曲线图，TS2为坑后土体位移监测点，其余为桩体位移监测点。实际监测结果中ZQT04最大水平位为6.78mm，ZQT05最大水平位移为9.32mm，ZQT07最大水平位移为8.96mm，TS2最大水平位移为7.89mm，数值模拟结果最大水平位移为7.80mm。测点ZQT04水平位移相对较小，与测点处于基坑转角附近且附近进行旋喷桩加固有关。测点ZQT05、ZQT07位移略大于TS2的位移，且变形趋势一致。

图6 站厅基坑监测点位

图7 站厅基坑围护桩水平位移

图8为管委会不同监测点位历时沉降图，因监测点位置不同，各点位数值略有差异，但总体趋势一致。管委会监测点最大沉降在6mm左右，与站厅周边最大地表沉降数值模拟结果基本相同，因此，地表沉降数值一定程度上可以反映建筑物沉降情况。

图9为如意坊不同监测点历时沉降图。最大沉降为7.1mm，与数字模拟结果7.3mm比较接近，说明模拟结果相对准确。

3 结论

本文利用南宁市青秀山地铁车站项目并结合数值模拟和监测结果，分析了深基坑开挖对临近建筑物变形影响，得出以下结论：

(1)桩体水平位移最大值所在深度位置与基坑尺寸及基坑开挖深度有关；基坑长边变形一般大于基坑短边变形，要利用结构或加固措施对基坑长边变形进行控制。

图8 管委会不同测点历时沉降

图9 如意坊不同测点历时沉降

(2)坑后土体水平位移数值与桩体水平位移有关，受桩体水平位移的影响，一般情况下坑后土体位移变化趋势与桩体位移变化趋势相同，但在位移数值上小于桩体位移。

(3)加固措施等对基坑变形的影响较大，在建筑物与基坑围护桩之间增加旋喷桩，可以有效的增加土层的强度，并减小桩体位移，从而达到保护建筑物的作用。