本文是一篇建筑施工与管理论文，本文采用现场监测与数值模拟相结合的手段，深入系统研究了哈尔滨市某地铁车站基坑的变形特征。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着城市地下空间开发利用的不断加快，以地铁为代表的城市轨道交通迅速发展。自1971我国第一条地铁通车之后，截至2022年底，全国共有53个城市开通运营城市轨道交通线路290条，运营里程9584公里，车站5609座。城市地铁的快速发展为解决我国城市交通拥堵问题做出重要的贡献，因符合绿色环保理念，未来仍是主要发展的交通方式之一。地铁车站主要包括区间隧道和地铁车站，地铁车站的施工多涉及到基坑开挖问题。由于城市发展需求，地铁车站多修建于建筑密集的城市中心。因此，地铁车站基坑周围通常布满建筑物、地下管线、交通干道等既有构筑物，施工场地狭小、地质条件复杂、施工难度大、周边设施环境保护要求高，基坑工程面临的问题也愈加复杂。
地铁车站基坑开挖是一种应力卸荷过程，会引起支护结构及场地等的发生水平或竖向变形[2]，例如：支护结构水平位移、基底隆起、地表沉降及临近地下管线变形等。更有甚者，由于基坑开挖及支护方案设计不合理、现场监测不及时等，甚至会导致基坑坍塌、临近管线破裂及地表建筑物开裂等。例如，2005年武昌某基坑因强降雨导致坑内积水未及时排除，进而诱发基坑整体失稳[3]；2007年南京轨道二号线某基坑因严重渗水引起周围土体塌陷，导致输气、给水管线等大面积破裂[4]；2008年杭州地铁湘湖站因施工监测不及时导致地面出现大面积塌陷，造成重大人员伤亡和财产损失[5]；2009年广州某基坑因长期降雨导致岩土体强度弱化，使得基坑变形接近预警值[6]；2012年武汉某市政通道基坑工程因施工不规范，引起基坑周围管道破裂[7]；2020年昆明滇池之滨某基坑因施工不当、地面超载及地质勘察不充分等原因导致基坑坍塌[8]；2020年四川某基坑发生坍塌，同样导致管道破裂造成煤气泄露[9]；2022年南宁龙岗大道基坑由于坑外土体压力较大，造成支护结构变形过大，进而导致基坑坍塌。上述严重的基坑事故表明，超挖、支撑设置不合理、地表超载过大、监测不及时等可能导致基坑结构受力和变形特征发生显著变化，同时导致临近构筑物发生严重破坏。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 基于现场监测的基坑变形研究现状
基坑工程最早可以追溯到古代，由于还不具有地连墙、锚杆、钢支撑等支护手段，因此，放坡开挖或木桩支护较为普及。随着高层建筑、地下防空洞以及地下工程逐渐兴起，基坑工程迅速发展。随着基坑工程向“大”、“长”、“深”的不断发展，基坑工程的设计和施工难度显著地增大，基坑安全越来越引起重视。针对于基坑开挖引起的变形等问题，国内外学者根据现场监测结果展开了一系列的研究。
Peck[13] (1969)收集分析了挪威等地的基坑变形数据，认为可通过基坑开挖过程中的变形来评价基坑的稳定性和安全性，并提出了基坑稳定性的评价方法。
Goldberg 等[14] (1976)针对于基坑开挖导致的坑外地表沉降问题，统计了大量的深基坑施工监测数据，总结出地表最大沉降与围护结构最大水平位移的关系。
Mana等[15] (1981)统计了软弱 ～中硬粘土层地区的基坑工程的监测数据，数据分析表明，支护结构水平变形对基坑底部稳定性造成显著影响，并总结围护结构的最大偏移量与坑底抗隆起稳定系数之间的关系，为基坑工程的设计提供了重要参考。
O’Rourke [17] (1981)针对不同支护体系基坑开挖引起的变形问题，统计分析了不同支护体系的地表沉降与墙体水平位移之间的关系，结果表明，支撑式和悬臂式基坑的地表沉降与墙体水平位移的比值分别为 1.6 和 0.6。
Ou等[16] (1993)收集了台北软土地区基坑的监测资料，分析了支护结构的最大水平位移与开挖深度之间的关系，结果表明，基坑开挖过程中地表沉降曲线与围护结构变形的大小以及型式有关。
第二章 工程实例及监测结果分析
2.1 工程简介
2.1.1 工程概述
该地铁站共设4个出入口2组风井。其中1号风亭设于主体内部其余均为地下一层外挂式结构。车站周边地块均为商业住宅，基坑开挖影响范围内建筑物主要有：西北侧为A小区商住楼，距离车站主体结构最近距离为15.72m。西南侧为B住宅小区，距离车站主体结构最近距离为6.97m；东南为C商场，距基坑最小距离为9.31m，东北为D商场（在建），距基坑最小距离为18.65m。主体基坑影响范围的主要位置情况及与主体基坑的相对位置关系及实际现场照片如图 2-1、图2-2所示。
2.2 工程支护方案
综合考虑基坑的埋深、场地地质条件、施工条件和地区施工经验，由于该基坑开挖深度较大、围护结构较深，建议基坑支护方式采用：地下连续墙+内支撑结构设计支护体系，同时基坑内设置井点降水。坑底局部 (2-4-3)层粉砂承载力较低，宜采取地基处理方法加固。
车站有效站台宽度为14m。车站端头井基坑开挖深度为20.5m，标准段基坑开挖深度约18.5m，换乘节点处基坑开挖深度约27.5m ，车站顶板覆土厚约3.29m。采用明挖法施工，车站主体基坑主体结构标准段采用双柱三跨现浇混凝土支护方案，基坑支撑体系采用地下连续墙和内支撑支撑体系。基坑围护结构采用地下连续墙，地下连续墙墙幅间采用十字钢板接头连接，车站端头井采用800mm厚，地下连续墙墙长39.0米，入土比为0.98。车站换乘节点处采用1000mm厚度的地下连续墙，该墙长41.0米，入土比为0.59。地下连续墙混凝土强度等级为C30；冠梁、混凝土支撑、砼系杆、挡土墙混凝土强度等级为C30。钢管内支撑分别用Φ609钢管撑t=16mm及Φ800钢管撑t=20mm两种钢管内支撑。车站端头井及标准段均采用1道混凝土支撑和3道钢管内支撑以及1道换撑，换乘节点处采用2道混凝土支撑和4道钢管内支撑以及2道换撑。钢管内支撑横向间距约2.4~3.6m。第二道钢管内支撑与第三道钢管内支撑竖向间距约4.2~4.6m。第三道钢管内支撑与第四道钢管内支撑竖向间距约3.8~4.2m。
第三章 基坑开挖及支护的数值模拟分析.................................... 33
3.1 数值分析模型的建立 ........................... 33
3.1.1 模型尺寸 ....................................... 33
3.1.2 网格划分 ................................... 34
第四章 监测数据与模拟结果对比分析 ........................... 48
4.1 地下连续墙的水平位移对比 ........................... 48
4.2 地下连续墙竖向位移对比 ................................ 53
4.3 周边地表竖向位移对比 ........................... 55
第五章 支护方案对比研究 ................................. 60
5.1 支护方案 .......................... 60
5.2 临时钢管内支撑的设计方案 .......................... 60
第五章 支护方案对比研究
5.1 支护方案
数值计算结果与监测数据均表明，该基坑在通风井附近的墙体水平位移最大（约22mm），接近预警值（24mm）。图5-1给出了该位置处地下连续墙的水平位移云图、沿墙体长度和深度方向的水平变形局部放大云图。通风井附近墙体水平位移示意如所示。由图可知，通风井附近墙体发生较大的向基坑内侧的“弓字形”变形。因此，针对通风井附近墙体的水平位移过大的问题，需进一步对支护方案进行调整。
第六章 主要结论和展望
6.1 主要结论
本文采用现场监测与数值模拟相结合的手段，深入系统研究了哈尔滨市某地铁车站基坑的变形特征。发现了该基坑通风井附近墙体存在水平位移较大的问题。针对此问题，以修正后的三维数值分析模型为基础，分别提出增设临时钢管内支撑、提高第四道钢管内支撑的预应力和采用高强混凝土材料的设计方案，比较了不同设计方案的地下连续墙体的水平位移反应。并最终得出以下结论：
（1）基于现场监测，基坑变形特征可得出以下主要结论：
①基坑开挖及支护过程中，地下连续墙的水平位移呈现出“弓字形”的变形形状，其次，地下连续墙体产生向上位移。但通风井段的地下连续墙的墙顶部位会向基坑外侧偏移较大。现场监测结果表明该基坑通风井附近的地下连续墙的水平位移较大，因此建议对该区域的设计方案的参数进行调整。
②该组合支护结构中的钢管内支撑施加预应力后，均会产生预应力损失。而且预施加下一层钢管内支撑轴力后，上层或几层钢管内支撑轴力在短时间内呈现轻微下降趋势，缓慢增加直至稳定值，具有明显的时空效应。
③基坑开挖及支护过程中，大部分地表平面变化特征为“凹槽式”曲面，小部分地表平面变化特征为“波浪式”曲面。基坑周围地表在距离基坑10~20m的范围内变化较大。
④基坑开挖及支护过程中，该基坑周边高层建筑的建筑地面会产生沉降，高层建筑向基坑内测发生较小的偏移，发生“下凹式”变形，但监测数据结果表明基坑开挖对高层建筑的影响较小。
参考文献（略）
