地铁车站深基坑地表变形特性研究

地铁车站深基坑地表变形特性研究
摘要：随着社会的发展与进步，重视地铁车站深基坑地表变形特性研究对于现实生活中具有重要的意义。

本文主要介绍地铁车站深基坑地表变形特性研究的有关内容。

关键词地铁车站；深基坑；地表变形；因素；特性；
中图分类号：tv551.4 文献标识码：a 文章编号：
引言
基坑变形受多种因素的影响，包括：①地质与环境条件，如土层特性、地下水分布、基坑周边的建筑物分布与交通情况等；②设计条件，如基坑形状、开挖深度、围护结构、支撑系统、土体加固等；
③施工条件，如施工顺序与方法、降水、地表超载与施工振动情况、施工周期与基坑暴露时间等。

其中地质与环境条件无法选择，而设计条件和施工条件则为可控因素，因此在基坑的变形控制中尤为重要。

一、地铁车站变形影响因素
1.1 地质因素
基坑工程的设计和施工与自然条件关系密切，设计与施工必须全面地掌握基坑所处地的工程与水文地质等特点，也是确定支护方法、开挖方法、降水方法和地基加固等设计的基本依据。

在饱和软黏土中进行基坑开挖，产生的地层位移比砂土和硬质黏土中大很多，当围护墙体有足够的插入深度时，最大水平位移出现在坑底附近。

在正常情况下，可以保守的认为最大沉降大致与最大
水平位移大致相等。

在影响基坑变形的内因中，土的变形模量、泊松比和内摩擦角对基坑的变形影响较为显著，而重度和黏聚力影响较小。

白永学[1]对天津地铁某车站进行了数值分析和参数研究。

研究表明，弹性模量对基坑变形的影响最为显著，而且墙体最大变形出现的土层的弹性模量改变对墙体变形的影响最大。

1.2 设计因素
影响基坑变形的设计因素包括围护墙体的刚度及入土深度、支撑的刚度和道数、支撑的位置、预应力水平和被动区的土体加固等。

在基坑的开挖过程中，围护墙体和支撑构件都会发生变形，增加这些构件的刚度有利于降低基坑的地表沉降和墙体的水平位移。

clough 和 tsui[2]分析了围护结构和支撑构件的刚度对基坑最大水平位移的影响。

算例为中等密实的黏土基坑，挖深 9.2 m，采用4 道锚杆。

当墙体的刚度增加为 8 倍时，最大水平位移减小为60%。

当锚杆的刚度相差 10 倍时，同一墙体的最大水平位移也减小为 60%。

peck 认为，头道支撑应该在开挖深度未超过 2su前架设，其中su为土体的不排水抗剪强度，γ为土的容重，否则支护结构将产生比较大的位移。

在软土地层中，头道支撑的位置和架设时间经常被忽视，往往造成开挖深度不大，但地面沉陷却很严重的结果。

开挖深度不变的时候，底撑的位置对墙体的侧向变形有比较大的影响，但对墙后的地表沉降影响却相当小。

圆弧滑动法稳定分析表明，最下面的一道支撑到坑底的距离对基坑的稳定性影响非常大，基坑
抗隆起稳定安全系数随着最下面的一道支撑到坑底的距离的增加
而线性减小。

因此在满足挖土空间和底板浇注的条件下，应使得最下面一道支撑尽可能靠下。

1.3 施工因素
基坑开挖的顺序通常包括“先挖后撑”和“先撑后挖”两种情况。

对两种施工方法的比较表明[1]“，先挖后撑”比“先撑后挖”基坑的最大沉降值增加将近 61%，而墙体变形增加58%。

在“先挖后撑”的施工方法下，由于头道支撑的安装晚了一个工况，从而导致墙顶的水平位移明显增加，是“先撑后挖”的 6～7 倍。

由此可见，基坑工程中应杜绝“先挖后撑”的施工方法。

上世纪 90 年代刘建航[3,4]等在上海地区长条形地铁基坑工程的长期实践中，提出了时空效应理论。

该理论的一个基本思想就是充分考虑土体的时间和空间效应，通过优化施工参数，采用分层分块的方法进行挖土，并严格限制每块土体开挖的大小和时间，利用土体自身的潜力来控制变形。

二、某地铁车站基坑变形特性分析
为了全面分析上述因素对某地区地铁车站基坑变形特性的影响，本文建立一个三维有限元模型，如图 1 所示，在此基础上进行参数分析与讨论。

2.1 围护墙体刚度
围护墙体厚度对墙体侧移的影响曲线如图 2 所示。

由图可以看出，墙体厚度对墙体侧向变形的影响较明显。

在一定范围内，墙体
最大侧移随着墙体厚度的增大而下降，当墙体厚度从 0.6 m增加至1.2 m，墙体最大侧向位移降低 32%；而当墙体厚度从 1.2 m增加至 2.0 m，墙体最大侧向位移仅降低 9.8%。

可见，墙体最大侧移下降速率随墙体厚度的增加而下降，表明通过墙体厚度来减小墙体侧移是有一定范围的。

墙体厚度对地面沉降的影响曲线如图 3 所示。

当墙体厚度小于 1.2 m，坑外最大地面沉降随墙体厚度的增大而下降，但最大地面沉降下降的速率逐渐降低；当墙体厚度大于1.2 m，坑外最大地面沉降随墙体厚度的增大稍有增加，但最终趋于稳定。

2.2 支撑刚度的影响
三维有限元分析模型中共设 5 道支撑，其中第一道为800 mm×800 mm钢筋混凝土支撑，其余四道为φ609 mm×16 mm钢管支撑。

在不改变支撑竖向间距的条件下通过改变支撑抗压刚度 ea来反映支撑刚度对变形的影响。

参数分析中支撑抗压刚度分别取为基本模型支撑刚度的 0.5、0.75、1.0、1.5、2 和 4 倍。

支撑刚度对墙体侧移的影响曲线如图 4所示。

墙体最大侧移随支撑刚度的增加而下降，但是下降速率随支撑刚度的增加亦降低。

2.3 坑底被动区加固的影响
为了研究被动区加固的影响，将坑底 2 m深范围内土体考虑为加固体，加固体弹性模量分别取为 50 mpa、100 mpa、150 mpa、200 mpa 和 25 0mpa，其它参数均相同，黏聚力 1 mpa，泊松比 0.25，内摩擦角 30°，抗拉强度 0.1 mpa。

加固体刚度对墙体侧移的影
响曲线如图 5 所示。

围护墙最大侧移随坑底加固体弹性模量的增加而降低，但当加固体模量达到 150 mpa 后，加固体模量的增加对围护墙最大侧移几乎没有影响。

加固深度分别取为 0 m (即未加固)、2 m、3.7 m、5.55 m和 8.9 m。

加固深度对墙体侧移的影响曲线如图 6 所示。

随着坑底加固体深度的增加，围护墙最大侧移随之下降。

就本工程而言，当加固体深度大于 4 m，再通过增加加固体深度对减小围护墙变形的效果有限。

因此，经济加固深度的上限为 4 m。

上述参数分析中均采用坑底满堂加固研究坑底加固对基坑变形
的影响。

现采用不同坑底加固宽度来分析，沿基坑宽度方向紧邻围护墙采用不同的加固宽度，通过加固体宽度与基坑宽度比来反映。

单侧加固宽度分别为 0 m、1.3 m、3 m、5.2 m、7.8 m 和 10.6 m，相应加固区宽度比分别为 0(未加固)、0.12、0.28、0.49、0.74 和1(满堂加固)。

加固体宽度对墙体侧移的影响曲线如图 7 所示。

围护墙最大侧移随坑底加固体宽度的增大而下降，当加固体宽度较小时，下降速率较快；但当加固体宽度较大时，下降速率较慢。

就本工程而言，当加固体宽度与基坑宽度比达 0.3，即基坑单侧加固体宽度达3 m后，再增加坑底加固体的宽度对于控制基坑围护墙变形的效应不理想。

结束语
本文根据已有相关研究总结各种因素对地铁车站深基坑开挖变
形影响。

进一步建立三维有限元模型，通过参数分析全面分析了各
种因素对基坑变形的影响及其对地铁车站深基坑地表变形特性分析。

参考文献
[1] 白永学. 软土地铁车站深基坑变形的影响因素及其控制措施[d].西安交通大学硕士学位论文, 2006.
[2] clough g.w., and tsui y.. performance of tied- back walls in clay[j]. journal of the geotechnical engineering division, asce,1974，100(12): 1259- 1273.
[3] 刘建航, 刘国彬, 范益群. 软土基坑工程中时空效应理论与实践（上）[j]. 地下工程与隧道, 2009, (3): 7- 12.
[4] 刘建航, 刘国彬, 范益群. 软土基坑工程中时空效应理论与实践（下）[j]. 地下工程与隧道, 2011, (4): 10- 14.。