南昌河流阶地内地铁车站基坑变形研究

王 凌，张声宇，张跃明，蒋亚龙，史策辉，朱碧堂

（1. 广州地铁设计研究院股份有限公司， 广东 广州 510010； 2. 华东交通大学土木建筑学院， 江西 南昌 330013；3. 江西省地下空间技术开发工程研究中心，江西 南昌 330013）

南昌依临赣江而建， 是典型的河流阶地地貌，地层主要为上部黏性土层和下部强透水性砂性土构成的二元结构地层。 随着轨道交通的快速发展，南昌地铁车站基坑数量也随之增多[1]，大量基坑位于市区河流阶地内、周边环境复杂，变形控制和环境保护往往成为基坑工程成败的关键[2]。随着周边环境和信息化施工要求的提高以及数值模拟分析技术的发展，采用数值分析方法（如有限元法） 已成为分析结构与土体相互作用，进行位移预测的主要方法也是最合适的方法[3]。 数值分析方法可以考虑不规则加载条件、 分层地基、 复杂的水文和降止水条件以及支护结构系统，但土体本构模型及其参数的选择是预测土体和支护结构变形的关键因素。

土体小应变刚度硬化模型（HSS）为能够考虑土体硬化特性、区分加卸载特性且刚度依赖于应力历史和应力路径的硬化类弹塑性模型，能较好地预测基坑围护结构变形和墙后土体的变形[3－6]，但该模型参数多，需要高质量的试验或原位监测数据进行反分析确定。 目前，有关二元结构地层的HSS 模型研究较少，其适用性及参数选取方法不成熟，因此有必要对此开展系统性研究。

本文统计分析南昌地铁车站地层条件及相应的车站基坑支护结构形式，将南昌河流阶地划分为两类典型二元结构地层。 并对具有典型地层特征的南昌地铁2 号线丁公路南站、1 号线珠江路站和3号线振兴大道站基坑工程，采用Plaxis 有限元软件和HSS 模型进行系统的数值仿真，通过与实测数据对比分析， 验证HSS 模型在南昌地区的适用性，并确定适用于南昌典型地层的HSS 模型参数选取方法。 在此基础上，研究南昌典型二元结构地层车站基坑变形规律，为南昌地区地铁车站基坑支护标准的编制奠定基础。

1 南昌二元结构地层及地铁车站基坑支护形式统计

1.1 南昌河流阶地地层条件

目前南昌地铁车站大多位于赣江两岸和昌东赣江冲积平原内，属典型的河流阶地。 统计1～4 号线沿线地勘和室内试验资料，与车站基坑相关的主要岩土层为上部填土层（Q4ml）、第四系全新统冲积层（Q4al）、第 四 系 上 更 新 统 冲 积 层（Q3al）和 下 卧 基岩。Q4al和Q3al地层均由上部粉质黏土或细砂组成的河漫滩堆积物和下部中砂、粗砂和砾砂组成的河床沉积物构成，为典型的二元结构地层。 其中，Ⅰ级阶地主要以Q4al为主，Ⅱ级阶地以Q3al为主，并且两种地层具有相似的工程力学特性和水文地质特征。 上覆土层厚度约20～30 m， 其中强透水性砂土层厚度约11～20 m。

1.2 南昌二元结构地层水文条件

根据江西省勘察设计研究院 （环境监测总站）2008 年南昌老城区松散岩类地下水监测资料[7]，南昌老城区松散岩内地下水位总体上呈西高东低的趋势，在城东的南昌钢铁厂区由于局部抽水出现一个明显的漏斗中心， 水位低于其它地段达8～10 m。临近赣江和抚河水位较高，地下水位受地表水系补排影响，地下水位接近赣江水位14.5～17.5 m（黄海高程）[7]。 考虑季节性降水量，水位年变幅一般为1～3 m。

1.3 南昌二元结构地层概化地质模型

根据南昌二元结构地层和水文条件，并对南昌地铁1～4 号线地铁车站勘察资料的进一步统计分析，南昌二元结构地层可分为两类典型地层，即Ⅰ类地层上覆土层厚20 余米，地下水位较高，开挖过程中坑内需要采取降水措施，支护系统需设置止水措施，隔离坑内与坑外的水力联系；Ⅱ类地层上覆土层厚30 余米，地势较高，地下水位埋深大，坑内不需降水或仅需少量降水。

1.4 南昌二元地层典型土层参数

通过南昌地铁1～4 号线沿线工程地质资料的统计分析， 南昌河流Ⅰ级和Ⅱ级阶地的物理力学参数变化范围列于表1。 对于砂层，由于缺少固结试验数据，表1 按E0=1.5 N 估算了土体变形模量。对于泥质粉砂岩， 其变形模量采用国际上较通用的岩石分类指标——地质强度指数进行了估算[8]。在没有试验情况下，可参照该表选用南昌各土层物理力学参数。

表1 南昌地铁车站土层室内和现场测试参数统计表Tab.1 Statistics of laboratory and field-testing results for soils in Nanchang Metro Stations

地下2 层车站一般设置3 道支撑，第1 道支撑采用钢筋混凝土支撑， 第2 道～第3 道支撑多采用钢管支撑， 钢管尺寸为Φ609×16 mm， 少数采用Φ800×16 mm。 钢支撑竖向间距为4～6 m，水平间距为3～5 m。 地下3 层或换乘站设置3～4 道钢筋混凝土支撑或第1 道采用钢筋混凝土支撑， 其余采用Φ609×16 mm 或Φ800×16 mm 钢管支撑，见表2。

表2 南昌地铁典型车站基坑开挖支护形式Tab.2 The retaining structures for deep excavations of Nanchang metro stations

2 支护结构变形分析

2.1 HSS 土体模型

Burland[9]研究指出，在极小应变条件下，土体刚度近似为常数，然后随着应变的增长而降低；当接近破坏时，土体刚度较小。Atkinson 和Sallfors[10]进一步给出了不同结构物对应的常规土体应变范围和土体剪切刚度随剪切应变增加而降低的“S”形曲线（如图1）[11]。 对于邻近基坑受开挖影响强烈的区域，土体应变可达10-3或更大，刚度小，可采用常规土体变形模量进行分析；离基坑较远、受开挖影响小的区域， 应变会小于10-4， 土体刚度属于小应变刚度，宜采用动力学法确定。

图1 土体刚度-应变特性及其常用测试方法[11]Fig.1 Characteristic stiffness-strain behavior of soil with typical strain ranges for laboratory tests and structures[11]

在现有土体模型中，HSS 模型能较好地反映上述土体刚度随应变增大而衰减的特性[12]。 HSS 模型是Benz[13]在HS 模型的基础上引入小应变刚度的概念而得到的。 该模型能够考虑压缩硬化、卸载回弹和小应变刚度等。

2.2 HSS 土体模型参数的确定

HSS 模型包含13 个模型参数（如表3），其中黏性土的c′，φ′和Eoedref可通过室内常规试验直接得到，其它参数需要通过复杂的三轴试验或经验方法得到。对于砂土，《铁路工程地质原位测试规程》[14]建议采用下式估算内摩擦角

表3 土体HSS 模型参数Tab.3 Soil parameters for HSS model

式中：N 为经杆长修正后的标贯击数。

对于砂土变形模量E50ref，Callanan 和Kulhawy[15]建议如下

此外，E50ref亦可根据E50ref与Eoedref之间的经验关系确定，如Brinkgreve 和Broere[11]建议E50ref≈Eoedref，王卫东等[16]针对上海土层建议的E50ref与Eoedref相关关系如表4。 对于Eurref，一般可取（2～3）E50ref，黏土取大值，砂土取小值。 其它参数的经验选取方法如下：

表4 E50ref 与Eoedref 的参考经验关系Tab.4 The correlations between E50refand Eoedref

1） 剪胀角ψ：黏性土一般取零，砂土取φ′－30°但不小于零[9，16]；

2） m 值：黏性土取0.5～1，砂土和粉土取0.5[14]；

3） γ0.7：一般可取（1～4）×10-4[11]，砂土取小值，黏性土取大值；

4） 土体初始剪切模量G0ref理论上可采用下式计算

式中：ρ 为土体密度；Vs为土体剪切波速。 在无详勘条件下，南昌土层ρ 和Vs值可参考表1。 值得说明的是，由于原位测试得到的土体剪切波速影响因素多，采用室内弯曲元和共振柱试验得到的剪切波速相对较为准确，但也存在试样扰动问题。

上述HSS 模型参数的选取方法，主要来源于各地的经验总结， 与地域和岩土工程的实践水平有关，其在二元结构地层中的适用性，需通过室内试验或本地的原位监测数据进行分析论证。 本文在上述经验公式基础上，通过原位监测数据进行反分析和甄选，确定适用于南昌地区典型二元地层的HSS模型参数选取方法。

2.3 典型车站基坑反分析

2.3.1 Ⅰ类地层——丁公路南站

下面以赣江河流Ⅱ级阶地内典型车站——南昌地铁2 号线丁公路南站为例，通过实测基坑变形监测数据与数值模拟的对比分析，确定HSS 模型参数的选取方法。 丁公路南站为典型的地下两层标准车站，上覆土层厚度约22.7 m，为典型的Ⅰ类二元结构地层，其平面分布如图2 所示。 车站采用明挖顺筑法施工主体结构，基坑总长196.4 m，标准段基坑宽度为21.7 m，基坑开挖深度为17.8 m，西侧端头井基坑开挖深度为18.88 m， 东侧端头井基坑深度为18.48 m。图2 中DB 为基坑周边地表沉降监测点，ZQT 为支护墙体侧向变形监测孔。

图2 丁公路南站基坑平面图及监测布置示意图Fig.2 Plan view and monitoring points of deep excavation for South Dinggong Road Station

车站基坑标准段横剖面及其土层分布与支护结构参数如图3。 基坑支护结构深度内的土层从上向下依次为填土、粉质黏土、细砂、粗砂、圆砾、强风化泥质粉砂岩以及中风化泥质粉砂岩。 围护结构采用地下连续墙+内支撑支护系统，地连墙厚800 mm，混凝土等级为C35。 车站标准段基坑竖向设3 道支撑， 第1 道采用800 mm×1 000 mm 钢筋混凝土（C30） 支撑， 支撑间距约9 m； 第2、3 道钢支撑Ф800（t=16 mm），水平间距约3 m。

图3 丁公路南站标准段基坑横剖图Fig.3 Standard Cross Section of Deep Excavation of South Dinggong Road Station

采用Plaxis 有限元软件对基坑标准段开挖支护进行数值模拟分析，有限元模型尺寸为200 m×40 m（宽×深）， 采用标准的边界条件 （即两侧为水平约束、底面为水平和竖向约束），计算模型如图4。

图4 基坑标准段Plaxis 模型Fig.4 Plaxis model of standard section

基坑北侧考虑车辆和临时堆载， 取地面超载20 kPa；南侧靠近基坑取20 kPa 超载，7.4 m外为楼房超载45 kPa。 土体模拟HSS 模型，强风化泥质粉砂岩与中风化泥质粉砂岩采用摩尔-库伦模型进行模拟。 土体HSS 模型参数按照表5 所列方法选取，相应的E50ref，Eoedref，Eurref和G0ref值如表6。 对于支护结构地下连续墙、钢筋混凝土支撑和钢支撑， 分别采用板单元和点对点锚杆单元模拟，具体参数见表7。 在开挖模拟过程中，设置坑内水位线位于开挖面以下0.5 m，坑外为地面下3.5 m， 通过稳态渗流形成孔隙水压力场。

表5 土体HSS 模型参数取值方法Tab.5 Soil parameters for HSS model

表6 各层土HSS 模型参数取值Tab.6 Parameters of HSS model for soil strata MPa

表7 支护结构参数Tab.7 Parameters of supporting structure

在基坑开挖过程中，采用测斜管对围护结构侧向变形和地面沉降进行了监测（图2），现取典型沉降监测点DB12 和DB29、 围护结构侧向变形孔ZQT7 和ZQT20 所处断面，分析基坑的变形规律。图5 和图6 为分别采用HSS 模型和M-C 模型模拟至最终开挖步计算所得墙体侧向变形及地表沉降与实测数据的对比。 为了考察土体变形模量对支护结构和土体变形的影响，HSS 模型计算时分别采用了E50ref=1.0N 和1.5N（MPa)。 由图可见，采用HSS 模型和E50ref=1.5N 计算所得墙体变形与实测结果吻合很好，最大侧向变形相差在10%以内，而M-C 模型预测的侧向变形偏小，HSS 模型和E50ref=1.0N 计算所得墙体变形稍有偏大。 并且，HSS 模型比M-C 模型计算所得最大侧向变形位置与实测最大侧向变形位置更吻合，接近开挖面附近。

图5 丁公路南站计算与实测围护结构变形对比Fig.5 Comparison between calculated and measured deflection of retaining wall of South Dinggong Road Station

图6 丁公路南站计算与实测地表沉降对比Fig.6 Comparison between calculated and measured surface settlement of South Dinggong Road Metro Station

对于周边土体沉降，尽管最后存活的有效沉降点数偏少，HSS 模型和E50ref=1.5N 计算结果比M-C模型、HSS 模型和E50ref=1.0N 更接近于实测土体沉降。 因此， 对于南昌赣江河流Ⅱ级阶地内的基坑开挖，采用HSS 模型和E50ref=1.5N 能较好地预测围护结构变形和地面沉降，其它参数选取方法如表5。

考察不同开挖阶段基坑两侧最大侧向变形和最大沉降，列入表8。 除了第一个悬臂开挖步外，其余开挖阶段最大侧向变形与开挖深度的比值δh,max/H=0.09%～0.12%，最大沉降与开挖深度的比值δv,max/H=0.06%～0.09%；最大沉降与最大侧向变形的比值δv,max/δh,max=0.56～0.76。

表8 不同开挖阶段基坑最大变形Tab.8 Maximum deformation at various excavation stages

2.3.2 Ⅰ类地层——珠江路站

为了验证丁公路南站基坑变形分析时所采用HSS 模型参数（表5）的适用性，下面对南昌地铁1号线珠江路站基坑进行实测与预测结果对比分析。珠江路站赣江河流Ⅰ级阶地内的为典型地下两层标准车站，上覆土层厚度约19 m，属于前述Ⅰ类二元结构地层。

图7 给出了分别采用HSS 模型和M-C 模型模拟至最终开挖步计算所得墙体侧向变形及地表沉降与实测数据的对比。 由图可见，采用HSS 模型和砂土E50ref=1.5N 计算所得墙体变形、地表沉降与实测结果吻合较好，最大侧向变形和沉降误差在20%以内， 而M-C 模型预测的侧向变形偏大、 沉降偏小。 因此，采用HSS 模型和砂土E50ref=1.5N 能较好地预测I 类土层基坑围护结构的变形和地面沉降。

图7 珠江路站计算与实测结果对比Fig.7 Comparison of prediction and measured data for Zhujiang Road Metro Station excavation

采用HSS 模型和砂土E50ref=1.5N， 考察不同开挖阶段基坑两侧最大侧向变形和最大沉降，列入表9。 除了第一个悬臂开挖步外，其余开挖阶段最大侧向变形与开挖深度的比值δh,max/H=0.09%～0.11%，最大沉降与开挖深度的比值δv,max/H=0.06%～0.08%；最大沉降与最大侧向变形的比值δv,max/δh,max=0.58～0.8。 结果与丁公路南站非常接近。

表9 不同开挖阶段基坑南侧最大变形(珠江路站)Tab.9 Maximum deformation at of south side of various excavation stages

2.3.3 Ⅱ类地层——振兴大道站

为了考察上述HSS 模型参数（表5）在Ⅱ类二元结构地层的适用性，下面对南昌地铁3 号线振兴大道站进行实测与预测结果对比分析。 振兴大道站为典型的地下两层标准车站， 上覆土层厚度达30余米，开挖期间实测稳定水位位于19.51 m 高程，处于最终开挖面以下，属前述Ⅱ类二元结构地层。

图8 给出了分别采用HSS 模型和M-C 模型模拟至最终开挖步计算所得墙体侧向变形及地表沉降与实测数据的对比。 值得说明的是，图中实测侧向变形和沉降来自于不同的监测断面。 由图可见，采用HSS 模型和E50ref=1.5N 计算所得墙体变形与实测结果吻合较好， 而M-C 模型预测的侧向变形偏大、地表沉降偏小。 并且HSS 模型和E50ref=1.5N计算所得最大侧向变形位置与实测最大侧向变形位置更吻合，接近开挖面附近。

图8 振兴大道站计算与实测变形对比Fig.8 Comparison of prediction and measured data for Zhenxing Ave Metro Station

考察不同开挖阶段基坑两侧最大侧向变形和最大沉降，列入表10。除了第一个悬臂开挖步外，其余开挖阶段最大侧向变形与开挖深度的比值δh,max/H=0.05%～0.09%，最大沉降与开挖深度的比值δv,max/H=0.03%～0.05%；最大沉降与最大侧向变形的比值δv,max/δh,max=0.51～0.61。

表10 不同开挖阶段基坑最大变形Tab.10 Maximum deformation at various excavation stages

3 南昌基坑变形规律统计分析

除第一步悬臂开挖外， 将表8～表10 中围护结构最大侧向变形和地表最大沉降与开挖深度关系绘于图9， 最大沉降与最大侧向变形关系绘于图10，图中还包括艾溪湖明挖隧道、丁公路南站、珠江路站、雅苑路站等典型基坑的实测数据。 由图可见：

图9 基坑变形与开挖深度的关系Fig.9 Relationship between deformation and excavation depth

图10 最大沉降与最大侧移的关系Fig.10 Ratio between maximum settlement and maximum wall deflection

1） 最大侧向变形随开挖深度增加而增大，最大侧向变形与开挖深度的比值δh,max/H=0.05%～0.12%，平均值为0.08%。 对于Ⅰ类地层，取大值；对于Ⅱ类地层，取小值。 上述结果小于上海软土地区一级基坑围护结构最大侧移标准（0.18%H）[17]；

2） 基坑周边沉降随开挖深度增加而增大，最大沉降与开挖深度的比值δv,max/H=0.03%～0.10%，平均值为0.07%。对于Ⅰ类地层，取大值；对于Ⅱ类地层，取小值。 上述结果小于上海软土地区一级基坑地表最大沉降控制标准（0.15%H）[17]；

3） 最大沉降与最大侧向变形的比值δv,max/δh,max=0.45～1.4。 实测δv,max/δh,max变化范围较大，而数值计算结果接近δv,max/δh,max=0.75。

4 结论

在统计分析1～4 号线南昌地铁车站河流阶地地质和水文条件以及车站基坑支护形式基础上，将典型赣江冲积平原内的二元结构地层概化为两类，分别为上覆土层20 余米、 地下水位高的Ⅰ类地层和上覆土层30 余米、水位埋深大的Ⅱ类地层。 本文以Ⅰ类地层内的丁公路南站和珠江路站基坑、Ⅱ类地层内的振兴大道站基坑为例，通过有限元数值模拟与实测数据的对比分析，得出如下结论：

1） 基于HSS 模型的有限元数值分析以及砂土变形模量E50ref=1.5N 可以很好地预测南昌二元结构地层（包括Ⅰ类和Ⅱ类）的基坑支护结构和土体变形，预测与实测的变形误差在20%以内。

2） 对于南昌二元结构地层内的地铁车站基坑，最大侧向变形和最大地面沉降与开挖深度的关系分别为δh,max/H=0.05%～0.12%，δv,max/H=0.03%～0.10%，最大沉降与最大侧移大致满足δv,max/δh,max=0.45～1.4。对于Ⅰ类地层，取大值；对于Ⅱ类地层，取小值。 上述最大围护结构侧向变形和地表沉降均小于上海软土地区一级基坑的变形控制标准。