地铁车站基坑开挖期间周边土体回弹上浮研究

门阳阳

（山东交通职业学院，山东 潍坊 261206）

引言

地铁车站往往建设在城市建筑物及地下各种管线密集区，各种荷载叠加，工况复杂，基坑开挖期间周边土体变形是车站建设中的重要课题。基坑开挖过程中会扰动周边地层，加之支护结构相比于土体刚度较大，引起一定范围内的地应力重分布以及土层位移。因此，研究基坑开挖过程中周边土体的回弹上浮规律对支护设计方案优化可提供参考。

苏卜坤等［1］对广州地铁车站某典型基坑进行了施工全过程数值反演计算，研究了地下水对地连墙内力分布的的影响。徐磊［2］利用Midas 有限元软件建立了基坑二维模型模拟基坑开挖过程，提出各开挖阶段坑外地表沉降呈典型的“漏斗”状，并总结出沉降主、次影响区，但未与现场实际沉降进行对比分析。黄留新等［3］利用有限元软件建立基坑二维模型，模拟基坑的开挖过程，提出在开挖过程中坑外地表沉降呈现“下凹型”，最大沉降值出现的位置是距离基坑边缘有一定距离而非靠近基坑的边缘处，同样未与现场实际沉降数据进行对比分析。基坑周边土体的回弹与土体的应力路径有关，陈志波等［4］对基坑开挖过程中土体的应力路径及强度参数研究提出，基坑开挖各阶段土体的排水条件及应力状态不同，需分阶段考虑。黄满祥［5］对地铁基坑开挖过程中地表沉降规律已有研究。利用各种有限元软件对基坑开挖过程进行了模拟和分析，但数值计算结果与实际观测对比分析较少，且支护结构后侧土体的整体回弹鲜有研究。

1 工程概况

某地铁车站基坑开挖标准段宽34 m，开挖深度约为29 m，基坑所处位置地下管线和地上建筑均较密集。基坑支护选用地下连续墙+内支撑的形式。基坑支护结构断面见图1。

图1 基坑支护结构断面

基坑支护断面共六道支撑，其中第一、第三道支撑采用钢筋混凝土支撑，其余四道为钢支撑。钢筋混凝土支撑的界面尺寸分别为800 mm×900 mm、1 000 mm×1 200 mm。施工过程中对四道钢支撑施加预加轴力。基坑开挖方式采用明挖法施工，采取逐层开挖逐层支护，基坑开挖前对采取基坑降水使地下水位降至坑底标高以下1.5 m。基坑边的沉降观测点布设在地下连续墙顶部、立柱顶端，支护结构的内力监测点布设在内支撑的端部位置。

基坑平面及各监测点布置见图2。基坑周边布设基坑深度的2 倍范围的地表沉降监测点，另外布设立柱沉降、维护结构变形、地下水位及围护结构顶位移监测点。

图2 基坑平面及监测点布设

2 监测结果分析

基坑开挖第一作业段的沉降观测数据筛选得到具有代表性的6 个点的监测结果见图3。

图3 部分基坑周边点监测结果

由图3 可以看出，各点在前期均比较稳定，部分点（点15、16）有轻微上升现象。该作业段于2013 年12 月初完成了底板施工，在底板制作完成后各监测点均呈现出明显的上升趋势。其中点6（图3（b））是监测点中距基坑边缘最远的点（约45 m），故其受回弹影响最小，基坑开挖期间产生轻微下沉，未产生隆起。其余各点在基坑开挖后期均产生了不同程度的隆起。

基坑周边土体在基坑开挖过程中的大致趋势是上浮，但是在开挖初期及后期均出现小幅下沉，分析其原因是由于开挖初期周边土体下沉与土体未完全固结。基坑开挖的同时土体固结沉降，基坑开挖初期所产生的地基回弹不足以抵消土体固结产生的沉降从而出现小幅沉降；基坑开挖后期土体再次出现小幅沉降可能与地连墙向坑内一侧的微小位移有关。

将各监测点的最大隆起值与距基坑边缘距离统计，见图4，并利用最小二乘法进行拟合，可以看出越靠近基坑的点隆起值越大，符合坑底卸荷回弹对其周围土体的影响有端部效应。

图4 最大隆起值与距基坑距离关系

部分监测点因为支护结构不稳定导致初期沉降值过大，或者监测点位于基坑内部等原因，在图4中未予采纳。图中9 个监测点的数据大致呈现隆起值与距离呈反比的规律。

3 数值分析

3.1 FLAC3D 有限元建模

假设基坑开挖周边土体为理想的弹塑性土体，且土层分布均匀；假设基坑周围的地连墙和内支撑共同作用，忽略地下水和施工环境等对模型的影响。模拟过程采用空模型和摩尔库伦模型［6］，两种本构模型的适用条件和理论依据：（1）空模型通常应用于表示被开挖或被移除的材料，且将移除或开挖的区域应力设为零。在数值模拟过程的后期，空模型材料也可以转化成其他的材料模型。采用空模型就可以对开挖、回填等工程进行模拟。（2）摩尔库伦模型是在模拟中较常用的弹性模型，其模拟结果比较符合岩土材料的屈服和破坏特征。计算模型见图5。

图5 基坑模型

模型中以实体单元模拟土体以及地下连续墙，土体及地下连续墙的材料参数分别参照土体密度及混凝土密度，土体根据分层情况分别设置。以梁单元模拟基坑内部的混凝土支撑和钢支撑。单元体尺寸由中心向四周逐渐增大以节省整体模型计算时间。基坑的逐层开挖用空模型模拟，每开挖一层土体施加一道支撑（梁单元）。梁单元的尺寸及材料参数参照图1 中各深度的支撑参数。

计算模型的基坑监测点分布见图6。沿基坑深度方向设置应力监测点，竖向监测间距为2 m，沿地表方向设置隆沉监测点，设置间距为2 m，距基坑最远的监测点距基坑30 m。

图6 监测点分布/m

3.2 模拟结果分析

通过数值模拟计算，基坑开挖完成后坑边土体位移云图、短边后土体地应力云图见图7、图8。

图8 基坑短边后深层土体地应力分布

由图7 可以看出，基坑开挖完成后周边土体的隆起最大值集中在基坑端部，基坑回弹上浮范围可达坑外30 m 左右。

图7 基坑周边土体位移云图

由图8（a）可以看出，施工对基坑周边土体的竖向正应力影响非常小，仅对基坑底标高以下局部范围土体的正向应力有较大影响。这是因为坑内卸荷仅对卸荷部位以下局部深度的土体应力状态有影响，坑侧土体的竖向正应力传递不受影响。而从图8（b）中可以看出，墙后土体的剪应力在以基坑底部为中心向外形成剪力拱，在基坑底部剪应力达到最大，这是因为基坑侧边与基坑底部土体的剪切错动引起的。

剪切错动主要原因：（1）基坑开挖后坑底卸荷回弹导致地连墙上浮，地连墙带动周边土体隆起，而各部分土体位移不同步（深层土体位移迟滞大，浅层土体迟滞小）；（2）基坑开挖后原有土体的侧向压力由地连墙和内支撑共同承担，支护体的变形模量较土体小，在坑底卸荷回弹后支护体整体上移，对坑后土体有向上错动的趋势。基于这两点，竖向剪应力在基坑底部出现了最大值。通过与开挖前相同位置对比发现，地连墙后土体的竖向剪应力普遍增大了几十倍甚至上百倍。

提取墙后土体竖向位移云图见图9，可以看出，自基坑周边土体上浮区从坑底位置处向地表逐渐扩大，而在远离基坑处的土体位移量非常微小。受地连墙与土体剪切应力的影响，紧贴地连墙部分的土体发生了较大的上浮变形，上浮区从坑底位置处向地表逐渐扩大；而在水平方向上剪切应力被各土体单元逐层吸收，因此，在远离基坑处的土体位移量非常微小。

图9 墙后土体竖向位移云图

提取模拟开挖过程中各工况下基坑周边土体的隆起量，绘制隆沉变化曲线见图10。

图10 监测点数值模拟隆沉变化

由图10 可以看出，基坑周边土体隆起值随着开挖深度的增大而逐渐增大，在开挖至约23 m 深度时开始轻微下沉。距离基坑周边越远，隆起值越小。当监测点距基坑边缘38 m 时，开挖全过程隆起值较小，可忽略不计。将图10 中各位置数值模拟最大隆起值和图4 现场监测最大隆起值进行对比，见图11。

图11 最大隆起值对比

（1）监测曲线和模拟曲线均呈现基坑周边土体隆起值与其距基坑的距离成反比的规律。（2）在距基坑边25 m 以内，实际监测隆沉值较数值计算值小，而在25 m 以外实际监测隆沉值较数值计算值大。参考基坑深度29 m，基坑开挖至25 m 时为最后一道钢支撑施工后，因支护刚度较土体本身刚度大，在基坑边至25 m 范围内形成纵向的土拱，土拱效应与基坑卸荷回弹的共同作用下产生了线性规律不明显的隆起，而数值计算方法中未考虑土拱效应的影响。受天气、施工振动等因素影响，与模拟开挖隆沉曲线相比，实际监测隆沉曲线较离散。

4 结语

（1）基坑开挖过程中周边土体会出现不同程度的上浮，且越靠近基坑的点隆起值越大，符合坑底卸荷回弹对其周围土体的影响有端部效应。（2）由于开挖初期周边土体未完全固结出现小幅下沉。（3）现场监测曲线和数值模拟曲线均呈现基坑周边土体隆起值与其距基坑的距离成反比的规律。（4）坑边土体上浮的主要原因为坑内土体、地连墙、墙后土体之间的摩擦连接。坑底卸荷回弹导致地连墙上浮，地连墙带动周边土体隆起。