西安地铁车站地下连续墙深基坑开挖变形分析

张凤鸣 王晓华 贾文彪

（1.西安建筑科技大学资源工程学院，西安 710055；2.中铁一局集团建筑安装工程有限公司，西安 710054）

0 引言

大多数地铁深基坑建于城市繁华地带，紧邻众多密集建筑物，在狭小的场地、复杂的环境下进行开挖对施工技术及支护体系有极高的要求。本文采用地连墙+内支撑的方法来预防基坑变形，地下连续墙在基坑开挖时作为防渗和挡土结构，可以最大限度地降低施工过程对周围环境的影响。

目前国内外很多学者主要采用数值模拟［1-4］、理论公式［5］等来分析计算基坑开挖引起的地面沉降。任永忠等［6］对施工过程中桩顶及桩身位移进行了实时监测，采用HSS土体本构模型对此工程进行了数值验证。高丙丽等［7］运用FLAC模拟桩体变形、钢支撑轴力、基坑周边地表变形情况，认为土方分层开挖、钢支撑预应力施加能有效抑制围护桩变形。周勇等［8］、DINGZ等［9］对桩顶水平位移、桩体水平位移、内支撑轴力和地表沉降监测结果进行研究，为类似深基坑工程的设计和施工提供借鉴。由于地下连续墙加内支撑围护结构目前多用于软土地区，在湿陷性黄土地区深度超过25 m的地铁车站深基坑工程中涉及较少，且该支护结构能有效解决基坑附近地表沉降过大问题，将基坑施工对周围环境影响降至最低，最大程度上保护紧邻基坑的重要文物，故本文对今后地下连续墙在湿陷性黄土地区施工应用有着及其重要的意义。

1 开挖引起地面沉降计算

1.1 沉降变形影响因素

在基坑开挖过程中，造成地面沉降的影响因素各不相同，其中包括开挖方式、施工技术、地质状况、地下水位、基坑支护形式等因素，本文从以下几个方面对沉降影响因素进行阐述。

1）地下水状况。地铁车站地下水主要为第4系纪孔隙潜水，主要赋存于黄土类土、粉质粘土、砂类土层中，水量较大，故在基坑开挖前要确保地下水降低到设计标高后方可进行施工。

2）地质状况。西安属于湿陷性黄土地区，在浸水后土的结构迅速发生变化，强度和稳定性降低，周围土体会产生显著变化，沉降不断累积会危及整个基坑安全性，应采取素土桩挤密或浸水处理等方法改善湿陷性黄土地基。

3）支护形式。在开挖时墙体外侧由于受到主动土压力向坑内侧移，背后土体应力减少，地面发生一定量沉降，该深基坑支护采用地下连续墙+内支撑方式能有效控制基坑变形。

4）施工方式。基坑紧邻重要文物建筑，同时处于市中心繁华区域，采用半盖挖法进行施工，能最大程度上保证在不影响交通的情况下完成施工任务，在严格控制施工程序时可以保证基坑的变形量小于满足环保要求的变形量。

1.2 基本假定

在计算开挖引起地面沉降量时，假定沉降曲线沉降变形及地表沉降曲线如图1所示，根据地层损失相关理论，认为地面沉降面积与地下连续墙侧移面积大致相似，包络面积计算见式（1）：

图1 基坑变形机制及地表沉降曲线

式中，SD为地连墙侧移面积，SD1、SD2分别为地表沉降的三角形区域和曲线面积区域，同时假定沉降影响范围为X≈6X0。

1.3 公式推导

受开挖地表影响区域计算见式（2）：

地表沉降变形三角形区域靠近地连墙地表沉降计算见式（3），三角形面积计算方法见式（4）：

2 工程应用

2.1 工程简介

西安市某地铁车站为地下3层3跨（局部4跨）箱型框架结构，车站主体全长约247.5 m，基坑深约为27.1～30.15 m，支护体系由1 000 mm厚地下连续墙+4道水平支撑组成，入土深度为15~18 m。

拟建场地现地形平坦，位于西安市主要繁华商业景点闹市区，东大街道路两侧基本均为商业建筑，人流量非常大，车辆川流不息。

2.2 基坑主体监测方案

由于该车站紧邻重要文物建筑，在开挖时应该密切监控其沉降变化值，基坑周围文物监测点位布置见图2。

图2 重要文物监测点布置

2.3 基坑周边地面沉降计算

根据本文1.3节提出的地表沉降改进公式可知：

经计算得出地表最大沉降发生位置及基坑开挖影响范围，周围地表的最大沉降量发生在距地连墙后15.1 m处，变形最大值为35.7 mm，开挖的影响区域为距基坑60 m范围内，在此范围内施工必须对紧邻既有文物建筑采取特定的保护措施，同时加强监测频率，密切关注文物的沉降值与倾斜率。基坑东侧开挖至坑底时地表沉降的监测与理论曲线对比见图3。

图3 地表沉降理论计算值与实际监测对比

地表沉降监测值与理论计算对比曲线变化趋势大致相似，在开挖至基坑底部这一工况下，基坑边缘处计算值略小于实测值，此时计算值为-21 mm，实测沉降值达-25 mm。在距基坑15 m处地表的沉降量达到最大，计算值与实测值分别为-36 mm和-33.5 mm，二者相差2.5 mm，误差很小，再次验证此理论计算的可靠性。

2.4 基坑开挖对周围文物影响

车站主体位于东大街与北大街交叉口东侧，沿东大街东西向敷设西侧路口正中为国家重点文物保护单位——钟楼，车站的西北象限为西安十大建筑之一，省重点文物保护单位钟楼邮局及省文物保护单位新华书店，基坑开挖导致附近文物建筑沉降变化量见图4—图6。

图4 钟楼沉降曲线

图6 新华书店沉降变化曲线

图4为基坑西侧钟楼距离基坑最近的4个测点，从图中可以看出该建筑的初始沉降值为1 mm，在施工初期，各测点的变化量较为平稳，随着基坑的不断开挖，建筑物的沉降量不断增加至-1~-2 mm。各沉降量变化范围控制在4 mm之内，低于钟楼监测点预警值6 mm。

由图5可以看出，在开挖初期建筑物的初始沉降值为0.5~-1 mm，各测点沉降量随施工进程不断增加，在开挖至135 d时，基坑西侧第3层土体进行开挖，各测点沉降量达到峰值，其中YJJGC-20测点距离基坑主体距离14 m，最大沉降量达-3.6 mm，及时架设混凝土支撑有效减少了建筑物沉降变形，各监测点沉降值在1.8~-2.1 mm，属于安全可控范围内。

图5 钟楼邮局沉降曲线

因新华书店位于整个基坑中部且距离仅4.7 m，故沉降量在所有文物建筑中最大，在开挖初期，各监测值在0~-2 mm，由于测点1、2处于基坑边缘位置，沉降量是其余测点的两倍之多，达到-11 mm，此时已超过预警值9 mm，需加快支撑结构的架设及建筑物自身加固工作。这是由于基坑不断开挖导致边缘侧压力持续增加，土体内部应力释放过快引起距离最近的建筑物沉降量骤增，在开挖至第3层土体和基坑底部时应对新华书店加强监测与安全控制，密切关注建筑物测点变化值，一旦超出报警值12 mm要及时上报。

3 有限元数值模拟

3.1 相关参数的取定

本文采用有限元软件Abaqus对基坑施工工况进行开挖模拟，土体本构模型采用摩尔库伦模型，建立模型的参数参照地质勘查报告，详见表1—表2。

表1 土体参数

表2 其他构建参数

3.2 模型结果与分析

3.2.1 模型建立

土体采用C3D8R单元，地下连续墙采用C3D8R单元，格构柱、混凝土水平支撑、钢支撑和槽钢采用B31单元，车站主体全长为225.076 m，宽度约为26.8～40.3 m。支护体系采用1 m厚地下连续墙，内支撑为混凝土和钢支撑2种形式，建立的有限元模型见图7。

图7 地连墙水平位移云图

随着基坑开挖深度增加，墙体的水平位移逐渐增大，开挖至基底时水平位移达到27 mm。在开挖初期，最大位移出现在坑口和基底区域，在施工中随着基坑土体卸荷，应及时按照支撑设计要求架设混凝土支撑和钢支撑。墙体水平位移在基坑底板浇筑完成后趋于稳定，由于在每层土体开挖完成后和支撑拆除这段时间内基坑容易发生较大变形，为了将基坑变形控制在安全范围内，应减少无支撑暴露时间。

3.2.2 数值模拟与监测对比分析

拟建车站深基坑施工采取分层分段开挖方式，关键施工工况如表3所示，将数值模拟与现场监测数值根据不同工况进行对比分析，结果如图8所示。

表3 模型关键施工过程工况

图8 各工况地连墙位移模拟与监测对比曲线

工况2开挖至9.2 m时，曲线出现拐点，位移图呈“悬臂式”，开挖影响区域大致在开挖面以下9.5 m处，此时模拟值较实测值偏大，这是由于在数值模拟的过程中整个工况是固定的，但在实际开挖中，土层参数可能会发生变化，这就导致二者有较大差异；工况3开挖至15.7 m时，及时架设支撑使得位移变化率有小幅度下降，但位移量还在持续增大，此时影响区域在开挖面以下18 m附近；工况5开挖至坑底处，地连墙水平位移达到峰值27 mm，此时实测数值为25.27 mm，与模拟值仅差1.73 mm，表明模拟值贴合实测数据，此数值模拟可以用于该工程。

随着基坑开挖深度增加，地连墙最大水平位移所处的位置逐渐下降，直至基坑底部位移达到峰值，在垫层浇筑完成后，水平位移大小和最大值所处的位置已达到稳定状态。

4 对比分析

4.1 不同工况下墙体位移分析

下文考虑2种模型4种工况，第1种模型是地连墙埋深15 m时荷载为0、20 kPa的情况，第2种模型是地连墙埋深18 m时荷载为0、90 kPa的情况，综合考虑了建筑荷载和施工超载，在不同条件下墙体位移曲线变化见图9。

图9 不同荷载下地连墙水平位移曲线

在不同荷载条件下地连墙的水平位移变化曲线均近似于“凸”形，墙体水平位移随着荷载增加而变大。在墙体嵌入土体18 m的条件下，0 kPa荷载的实测值和模拟值分别为28.07 mm和35.86 mm，最大变形位置大致在墙体的0.48~0.86H，而90 kPa荷载下墙体的位移为33.59 mm和38.43 mm，此时最大变形位置大致在墙体的0.53~0.81H。这4种工况的实测值和模拟值均表明地连墙最大水平位移位置均出现于基坑底部26.8 m处，除个别测点墙体顶端变形朝向坑外，其余测点均向坑内发生变形。

4.2 施加荷载的墙体变形的过程

在地连墙嵌入土体18 m且施加150 kPa荷载的条件下，随着基坑开挖工序对基坑中部南北两幅地连墙水平位移进行对比分析，墙体变形云图情况见图10，水平位移变形曲线见图11。

图10 施加荷载后墙体水平位移云图

由图11可知，地连墙两幅墙体随着开挖工序的进行水平位移变化规律大致相同，在开挖至3 m时，位移达到17 mm左右，当开挖到第3层土体时，地连墙变形均达到高峰，南墙变形的监测值与模拟值分别为32.88 mm和30.52 mm，而北墙也达到了28.21 mm及26.93 mm。在超载情况下基坑中部所受应力远超边角，也是墙体最容易发生变形的区域，及时架设的第3道混凝土支撑能有效控制住水平方向的墙体变形，其预加轴力使得地连墙发生反方向位移，进一步防止基坑产生形变。在开挖5阶段墙体水平位移达到峰值，由于此时已开挖至底部，是整个基坑变形沉降最大时期，北墙监测、模拟数值分别为38.68 mm和36.54 mm，南墙则是42.20 mm及39.65 mm，此时应快速进行垫层砼和底板砼施工，防止基坑发生变形。

图11 墙体在不同开挖工序时水平位移变形曲线

从基坑开挖实际施工及数值模拟过程来看，地下连续墙变形最大发生在开挖最后一层土体后，这是由于支撑的作用，使得未嵌入土体部分地下连续墙的变形得到限制，而嵌入土体的地下连续墙部分由于坑底的卸载，使得土体回弹，从而导致其变形量比坑底以上部分的地下连续墙变形量偏大。在实际施工中，当基坑开挖到最后一层土体时，应加强基坑变形监测，及时进行底板施工。

4.3 基坑开挖地表沉降变形过程

将前文提出的地表沉降计算方法与现场监测值、数值模拟得出的基坑开挖后地表沉降值做对比分析，在考虑地面超载的情况下沉降曲线对比见图12。

图12 不同距离处地表沉降与计算值对比

由对比图可以看出，数值模拟的曲线图与实际监测和理论计算曲线变化趋势大致相同，证明有限元计算是合理的。经对比可知在距离基坑边缘15 m左右地表沉降达到最大值，监测与模拟值相差10 mm，这可能是由于在数值模拟过程中，考虑了附加荷载情况，故与实际监测值存在一定误差，其差值在允许范围内。此理论计算与数值模拟结果可为湿陷性黄土地区基坑开挖工程提供一定的指导意义。

5 结论

湿陷性黄土地区采用地连墙加内支撑的支护形式极少，以西安某深基坑工程为例，采用半幅盖挖法施工缓解交通压力，严格按照设计规范施工，地连墙围护结构是保证基坑安全施工的重要因素之一，其足够的刚度和强度有效减少了基坑在开挖过程中引起的变形，将施工对周围环境的影响降至最低，能保证周边重要文物及其他建筑的安全性。对基坑开挖导致的周围地表沉降、建筑物沉降和地连墙变形的数值模拟与实测数据进行对比分析，结论如下：

1）基坑开挖的影响区域为距基坑边缘60 m范围内，其中15 m以内是地表沉降变化最大区域，对此范围内建筑物加强监测频率，一旦超过报警值及时上报。

2）在第2层土体开挖完成后，地连墙水平位移呈现“悬臂式”变形，随着基坑开挖深度增加，地连墙最大水平位移所处的位置逐渐下降，直至基坑底部墙体位移达到峰值27 mm，在垫层浇筑完成后，水平位移大小和最大值所处的位置已达稳定状态。

3）在施加不同附加荷载后基坑地连墙水平位移的实测与模拟变形曲线均呈现“凸”形，在地连墙嵌入土体15 m时最大变形位置大致在墙体的0.48~0.86 H。在地连墙嵌入土体18 m时最大变形位置大致在墙体的0.53~0.81H。在施加150 kPa荷载时，最大水平位移由42.64 mm增加至53.66 mm，说明在墙体埋深同样深度时，墙体水平位移随着附加荷载的增加而显著增大。

4）地连墙水位移量剧增发生于开挖第3层土体和基坑底部，是由于坑底的卸载使得土体回弹，从而导致其变形量比坑底以上部分的地下连续墙变形量偏大。在实际施工中，当基坑开挖到最后一层土体时，应加强基坑变形监测，及时进行底板施工。