1.中交隧道局第五工程有限公司 天津 300171
摘要：在城市密集区域修建地铁车站，深基坑变形控制及对周边建（构）物的保护是城市地下空间开发的典型技术难题。本文结合苏州轨道交通3号线工业园站基坑工程，采用MIDAS/GTS有限元软件建立数值仿真模型，分析研究透水砂层地质情况下基坑施工过程中围护结构变形、坑底隆起、周边地表和建（构）筑物的变形规律，并将模拟结果与现场监测数据进行比对，评估基坑工程设计和施工措施的合理性，可为以后类似工程提供参考借鉴。
关键词：透水砂层；复杂环境；围护结构；基坑开挖；数值仿真；变形特性。
1 引言
随着国内各大中城市的快速发展，地面交通出行压力越来越大，城市轨道交通建设与地下空间开发已成为当今中国社会的显著发展趋势。在复杂地质和周边环境下进行基坑施工，基坑开挖变形控制及对周边建（构）筑物的保护是必须解决的重大工程难题，基坑工程设计原则已由强度控制发展成为变形控制。
深大基坑变形主要包括围护结构水平变形、坑底隆起以及基坑周边土体位移等。基坑变形过大将对邻近建筑物、管线、道路等产生危害，同时邻近建筑物引起的附加荷载会对周围土体应力场产生影响进而影响基坑变形。
国内现行基坑规范所采用的弹性地基梁法难以预测基坑土体变形及对周边环境的影响，尚不能适应基坑变形预测和施工控制的需要。随着计算机仿真软件的快速发展，数值仿真已成为基坑施工前变形预测的有效手段。本文结合苏州轨道交通3号线工业园站基坑工程，采用MIDAS/GTS有限元软件进行弹塑性分析，研究透水砂层地质情况下基坑施工过程中围护结构变形、坑底隆起、周边地表和建（构）筑物的变形规律，并将模拟结果与现场监控量测数值进行比对分析，评估基坑工程设计和施工方案的合理性，为以后类似工况的设计施工提供参考。
2. 工程概况
2.1 车站概况
苏州轨道交通3号线工业园站位于至和西路与珠泾路交叉路口下，为3、8号线换乘车站，沿至和西路东西布置。工业园站为地下两层岛式车站结构，属标准开挖深度，车站长度为488.72m，标准段宽度为20.7m，挖深15.98～16.66m，端头井段宽度为24.8m，挖深18.5m，覆土深度约2.26m左右。
工业园站南侧为城市快速路高架桥，高架桥为桩基承台基础，桩基直径为1200mm钻孔灌注桩，桩长约为52m左右，承台距基坑边9.17m～14.13m不等。如图1所示，车站北侧存在明欣建筑办公楼和麦都展示营造公司。明欣建筑为五层钢混框架结构，浅基础，基础底标高-2.4m，距主体基坑标准段为6.9m。麦都展示营造公司为3层钢混框架结构，浅基础，距离东侧端头井约10.5m。车站周边影响基坑施工的管线主要有DN600mm雨水管、DN400mm污水管、DN100mm中压天然气管等。
图1 工业园站基坑及周边环境平面图（车站右半部分）
2.2 工程及水文地质情况
工业园站基坑开挖深度为15.9～16.6m，主要开挖土层为：①1杂填土层、①2素填土层、③1黏土层、③2黏土层、③3粉土层、④2粉砂夹粉土层及⑤1粉质黏土层。根据本次勘察揭示，本场地微承压水含水层主要为③3及④2粉土、粉砂层，该含水层厚7.9~13.5m，层顶标高-5.5~-3.3m，层底标高-19.4~-12.4m，分布较稳定，根据本工点抽水试验成果资料，本场地微承压水水头标高为2.3m。本场地承压水含水层主要为⑦2粉砂夹粉土层，该层厚2.9~12.9m，层顶标高-28.8~-24.9m，层底标高-40.0~-27.9m，⑦2承压含水层水头标高-2.1m。
工业园站基坑开挖范围内透水砂性土的具体物理力学性质如下：
③3层粉土：灰黄～灰色，稍密状为主，饱和，局部夹粉砂。其含水量29.6％(物理指标均取平均值，下同），湿密度1.93g/cm3，孔隙比0.813，压缩系数为0.171MPa-1，压缩模量11.06MPa，标贯击数平均值N=11.8。
④2粉砂夹粉土层：灰色，中密状为主，局部稍密，饱和，局部夹粉土，粉粒含量较高，颗粒分选性较好，集配不良。其含水量为29.8%，湿密度1.92g/cm3，孔隙比0.822，压缩系数为0.147Mpa-1，压缩模量12.71MPa，标贯击数平均值N=16.0。
2.3 围护结构设计情况
本车站主体基坑围护结构采用地下连续墙+内支撑围护形式。基坑标准段采用80cm厚钢筋砼地连墙+4道内支撑的围护方案，其中第一道为混凝土支撑，截面尺寸为800mm×1000mm，其余为φ609mm×16mm钢支撑。基坑端头井段采用80cm厚钢筋砼地连墙+5道内支撑的围护方案，其中第一道为混凝土支撑，截面尺寸为800mm×1000mm，其余为φ609mm×16mm钢支撑。车站附属结构采用明挖法施工，围护结构采用SMW工法桩+内支撑围护或混凝土灌注桩+内支撑围护两种形式，工法桩为φ850SMW工法桩，支撑为φ609mm×16mm钢支撑，混凝土灌注桩直径为φ1000mm。
3 基坑变形特性数值仿真分析
3.1 仿真模型建立
3.1.1 计算断面与模型尺寸
工业园站外包尺寸长488.7m宽20.7m，属于典型的特长车站，其基坑相比常规地铁车站更加狭长。根据相关文献和实践经验可知，基坑长边围护结构的纵向刚度约束作用明显弱于短边，长边围护结构的水平变形往往显著高于短边。故墙体结构长度越大，基坑围护结构的变形性态越接近平面应变状态。因此本文选取基坑长边围护结构作为分析对象，并取周边存在明欣建筑办公楼和高架桥桩基的位置作为计算断面。
采用Midas /GTS进行二维数值模拟分析，如图2所示，模型尺寸96.4m×52m，基坑左侧为高架桥桩基，右侧为明欣建筑五层办公楼。模型左、右边界与下边界仅约束边界面法向位移，上边界为自由表面。
（a）CX24测斜孔 （b）CX18测斜孔
图10 对应数值计算断面的现场实测数据
5 结论
本文结合苏州轨道交通3号线工业园站基坑工程，采用MIDAS/GTS有限元软件建立数值仿真模型，分析研究透水砂层地质情况下基坑施工过程中围护结构变形、坑底隆起、周边地表和建（构）筑物的变形规律，得到如下研究结论：
（1）墙体水平位移累计变形曲线整体显现“大肚状”特征，最大位移位置基本位于基坑开挖深度中部。
（2）基坑周边建筑物作为一种附加荷载，增加了围护结构背后土体的土应力，而桩基可发挥挡土墙的作用，承担分散了一部分原作用于围护结构的土压力。对于基坑周边建筑物进行保护时，其水平变形量测试监测也相当有必要。
（3）周边存在建（构）筑物对坑底隆起的影响较小。模拟计算出来的基坑周边地表沉降较小，一方面对于砂性地层下基坑开挖所产生的塑性区较少；另一方面由于计算软件或二维模型的局限性，在墙、土之间所设置的接触单元未能良好模拟工程实际情况。
（4）周边是否存在建筑物堆载或桩基结构对支撑轴力存在较大影响，在设计计算支撑轴力时必须考虑周边建（构）筑物情况。
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Study on deformation characteristics of foundation pit under complex environment
in permeable sand layer
Jun Yang1、Guangtao Fang1、Ziyang Cheng1、Hongfeng Jiang1
(1.The 5th Engineering Company Limited of CCCCTunnel Engineering Company Limited,Tianjin，300171，China)
Abstract：Deformation control of deep foundation pit and protection of surrounding structures are typical technical problem for urban underground space development to build subway station in urban dense area. Based on the foundation pit engineering of industrial park station of Suzhou rail transit line 3, numerical simulation model was established by using finite element software MIDAS/GTS, the deformation characteristics of retaining structure, bottom of the foundation pit, surrounding ground surface and building structures were studied under permeable sand geological condition. The simulation results were compared with the on-site monitoring data to evaluate the rationality of the design and construction of foundation pit engineering. The paper can provide reference for the design and construction of similar projects in the future.
Key words：Permeable sand layer; Complex environment; Enclosure structure; Excavation of foundation pit; Numerical simulation; Deformation characteristics.
论文作者:杨军,方广涛,程姿洋,姜红峰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/30
标签：基坑论文; 结构论文; 工业园论文; 工程论文; 车站论文; 标高论文; 土层论文; 《防护工程》2018年第19期论文;