滨海花岗岩残积土地层地铁车站SMW工法施工稳定性研究

宋勤

1 引言

地铁作为解决城市交通拥堵的重要工具，其施工的安全性受到人们的广泛关注。当前，大中城市都在进行地铁建设，车站基坑规模[1，2]越来越大，穿越复杂地质的情况越来越多，对于位处复杂地质的基坑变形性状的研究成为车站建设过程中的重要研究问题。

目前，很多学者对地铁车站基坑开挖施工中的桩顶水平位移、支撑轴力、地下水位、地下连续墙水平位移和围护结构水平位移实测数据进行了分析。庄海洋[3]等分析了对不同基坑开挖深度对基坑变形速度的影响规律；高胜君等[4]分析了成都砂卵石地层基坑的变形规律。吴意谦[5]等分析了湿陷性黄土地围护结构及周围土体随着基坑开挖深度和时间变化的位移规律。杜会芳[6]研究了漫滩区地铁深基坑围护结构的沉降规律。周顺华[7]等提出了预制桩作为劲性材料的新型SMW工法基坑围护结构。夏江涛[8]等研究了支护桩不同的参数对SMW围护结构变形的影响。张璞[9]等介绍了SMW在深基坑工程中的应用。曹慧[10]等介绍了SMW加斜撑在软土地区基坑施工中的应用。张忠苗[11]等分析了过江隧道深基坑中SMW工法加钢支撑围护结构的变形规律。但厦门滨海花岗岩残积土地层中采用SMW工法桩施工的基坑分析较少，相关基坑的变形规律研究也不充分。本文以厦门地铁蔡厝站基坑施工为工程背景，结合基坑开挖的现场监测数据和数值模拟结果，分析基坑变形规律，并为以后相似的实际工程案例提供借鉴和参考。

2 工程概况

车站概况：

蔡厝站周边现状为空地，周边无控制性建、构筑物，其周边平面图如图1所示。本站采用明挖顺做法施工，基坑深约6.46m，宽度为21.7m，围护结构采用SMW工法桩+内支撑形式，SMW工法桩采用φ850@600水泥搅拌桩，内插H700×300×13×24型钢。围护结构设一道支撑，采用φ609mm壁厚16mm的钢管支撑，标准段钢支撑间距4m。

图1 蔡厝站周边平面图

3 施工过程的数值模拟分析

为了全面研究基坑的变形特性，采用有限差分软件FLAC3D模拟基坑开挖施工的全过程。

3.1 基坑数值计算模型

因基坑开挖前已完成降水，故在模拟中不再考虑地下水的影响，三维数值计算模型如图2所示。根据圣维南原理，计算边界一般取基坑实际开挖尺寸的2～5倍为宜，即模型土体尺寸设置为长320m，宽140m，高度为24m，共产生25536个单元，28500个节点。

图2 基坑数值计算模型

3.2 土层和支护结构的模拟

（1）土层划分及参数

为了简化模拟过程，把性质相近的土层简化为同一土层，故土层划分为四层，从上到下依次为素填土、残积砂质黏性土（可塑）、残积砂质黏性土（硬塑）和全风化花岗岩。土体的本构模型取为摩尔-库伦模型，土层从上到下分布情况和根据详细地质勘察资料获得基坑周围土体的基本物理力学参数如表1所示。

（2）支护结构的模拟

在保证模拟精度的同时，采用等效刚度原则，把围护结构用地下连续墙代替。根据经验其材料参数采用C30混凝土，弹性模量E为25GPa，泊松比ν取0.20，重度为25kN/m3。钢支撑采用结构单元beam模拟，弹性模量E取200GPa，泊松比ν取0.30。

表1 各土层物理力学参数

（3）初始应力

在基坑开挖施工过程中，由于外部条件的干扰，致使基坑周边会产生一定的初始荷载。为了提高数值模拟计算的准确性，在基坑模型垂直方向施加15kPa均布初始应力。

3.3 计算结果分析

根据现场施工过程将基坑开挖的关键过程模拟分为：①初始地应力模拟；②围护结构施工；③设置钢支撑；④土层每8m分段开挖；⑤每16m分段浇筑基坑底板。分别取监测对应点进行基坑开挖全过程的变形分析。

3.3.1 地表沉降

图3 地表沉降值与开挖步的关系

由图3所示，DBC-2、DBC-3和DBC-4与DBC-1和DBC-5相比沉降值要大，主要是由于基坑开挖后卸荷效应引起的。各地表沉降监测点在基坑开挖前期沉降值较小，开挖时沉降值急剧增大，随后趋于稳定。

3.3.2 桩顶水平位移

图4 桩顶水平位移与开挖步的关系

由图4可以看出，在基坑开挖前期桩顶水平位移值较小，至开挖时，桩顶水平位移急剧增大，ZQS-2和ZQS-3值最大，之后稳定在5mm左右，但未超出设计允许值。

3.3.3 支撑轴力

图5 支撑轴力值与开挖步的关系

由图5所示，在基坑开挖之前轴力值较小保持在70kN左右，至开挖时，轴力急剧增大，而后稳定在350kN附近。

4 现场监测分析

厦门滨海地区花岗岩残积土具有明显的遇水软化崩解、土的抗剪强度迅速下降的特性，再加上渗流作用，极易导致滑坡、崩塌等工程危害[12]。现场实际监测是研究地铁车站基坑变形性状最直接有效的方法。

4.1 监测控制标准

基坑的监测工作一直持续到工程结束，且监测的频率随着基坑的开挖进度、工程措施及基坑变形量进行调整。

基坑工程监测安全警戒值应该由各个监测项目的变化速率和累积变化量共同控制[13]。目前我国关于报警体系没有统一的标准，根据规范可以把设计容许值的80%作为警告值，设计容许值得1/3作为基准值，将警告值和容许值之间的范围称为警告范围[14]。当实测值落在警告范围之内时，应提出警告，加大监测频率。

4.2 监测项目分析

蔡厝站基坑各监测项目的布设及监测要求如表2所示。根据本车站基坑的实际情况，并综合各方面因素，现选取地表沉降、桩顶水平位移、支撑轴力作为重点监测项目，监测点平面布置图如图6所示。

5 现场监测结果与模拟结果对比分析

5.1 地表沉降监测结果对比分析

本节选取五个典型的地表沉降监测点分析。如图7地表沉降累计曲线图所示，基坑开挖前期地表沉降较缓慢，随着基坑开挖深度的增加，地表沉降速率及沉降值急剧增大，但沉降值和沉降速率均没有超过设计值。基坑开挖施工中后期地表沉降值趋于稳定。现场监测地表沉降规律与数值模拟结果比较接近，变化规律吻合。

表2 监测项目

图6 蔡厝站监测点平面布置图

图7 地表沉降累积曲线图

5.2 桩顶水平位移监测结果对比分析

本节选取具有代表性的监测点进行分析，图8桩顶水平位移累计曲线图中位移为正表示位移向基坑内方向发生偏移，位移为负则表示位移向基坑外方向发生偏移。

由图8所示，在基坑开挖前期围护桩向基坑外方向发生了较小的偏移。随着开挖深度的不断增大，围护桩逐渐向基坑内方向发生偏移，最终偏移量趋于稳定。

实际监测数据与数值模拟结果对比分析表明，桩顶水平位移的变化规律是相似的，而且其变化累积量也十分接近。

图8 桩顶水平位移累积曲线图

5.3 支撑轴力监测结果对比分析

支撑轴力监测结果如图9所示。在基坑开挖时轴力值急剧增大到400kN，随着基坑开挖深度的加大，轴力值处于-300～-350kN之间，基坑开挖完成后，轴力基本稳定。基坑开挖完成后，轴力值达到基本稳定。现场实际监测值与数值模拟计算结果差距很小，变形规律拟合。

6 结论

通过对厦门地铁蔡厝站基坑工程的实际监测数据和数值模拟的计算结果分析，得到以下结论：

图9 支撑轴力值变化曲线

（1）由现场监测数据可知，基坑周边地表沉降和桩顶水平位移的累计值及变化速率均没有超过设计值；支撑轴力值在350kN附近波动，没有超过设计值。说明蔡厝站基坑采用SMW工法桩+内支撑设计方案是安全有效的。

（2）现场监测数据和模拟结果表明在基坑开挖之后由于施工扰动的原因，轴力值急剧增大，此时应加大监测频率，保障施工安全。

（3）通过分析现场监测数据和数值模拟计算结果可知，各监测项目的监测数据和数值模拟计算结果的变化规律大致相同，总体变化趋势一致，说明模型的建立、参数的选取是合理的，数值模拟计算结果能够体现基坑变形的一般规律。

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