張 君（上海三維工程建設(shè)咨詢有限公司， 上海 200060）

1 概 述

1.1 工程指標(biāo)體系的重要性

地鐵施工處于城市環(huán)境中，其地質(zhì)條件和周邊環(huán)境復(fù)雜，施工方法較難模擬，因而人們對地鐵施工的工況研究及理論分析結(jié)果很難與實際情況完全相吻合。為了確?；庸こ淌┕みM展平順，有效實施安全監(jiān)控，避免發(fā)生安全事故，建立一個定量化的預(yù)報警指標(biāo)體系尤為重要。

基坑工程指標(biāo)體系的建立，是指在基坑施工動態(tài)下，通過監(jiān)測一些項目，采集不同階段的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)的變化情況，并設(shè)定相應(yīng)的定量化警示值。若量測值在其規(guī)定范圍，則表示基坑狀態(tài)是正常的、安全的，周圍環(huán)境也處于正常狀態(tài)；反之，若超出警戒值，則表示有可能會發(fā)生安全事故。

工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，既能反映施工方法對工程的適用性，也能用來判斷工程風(fēng)險狀況。在監(jiān)測中，一般將設(shè)計給定值設(shè)定為監(jiān)測指標(biāo)警戒值，以此作為安全警戒值的理論依據(jù)。這種定值方法雖然明確、簡單，但多個工程實例表明，規(guī)范和規(guī)程所規(guī)定的指標(biāo)控制值較小、標(biāo)準(zhǔn)值偏高，在實際監(jiān)控量測過程中可執(zhí)行性差，量測結(jié)果超過警戒值的情況非常普遍，也就不能有效地對基坑施工進行安全風(fēng)險管理。為了解決這一矛盾，有必要引入咨詢指標(biāo)值作為參照。咨詢指標(biāo)值源自對規(guī)范施工和安全性評判的綜合考慮和對監(jiān)控數(shù)據(jù)的深度挖掘，其數(shù)值在總體上要比設(shè)計給定的指標(biāo)值略大。

1.2 研究現(xiàn)狀

許多國內(nèi)外學(xué)者和研究人員運用理論和實測等多種方法與手段，在地鐵隧道和基坑的風(fēng)險分析與評估方面做出了一定的貢獻，取得了許多成果。例如：制定風(fēng)險評估方法，通過現(xiàn)場實測進行驗證，提出安全風(fēng)險指標(biāo)管控體系及采取相應(yīng)的措施；運用理論和數(shù)值等方法與實測值進行對比檢驗，給出在風(fēng)險的定量分析上以及控制方面的一些建議；等等。

1.3 制定原則

（1）根據(jù)基坑跨度、設(shè)計深度及地質(zhì)與環(huán)境條件等諸多因素進行綜合考慮。

（2）基于規(guī)范和設(shè)計要求。

（3）考慮施工水平的影響，借鑒已完成的同類工程經(jīng)驗。

1.4 研究內(nèi)容

（1）基坑本體支護結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)。圍護墻：墻頂?shù)呢Q向位移和水平位移。支撐：軸力日變化量和變化速率。

（2）周邊環(huán)境控制指標(biāo)。地表沉降：沉降量和沉降速率。建（構(gòu)）筑物沉降：沉降量、沉降速率和傾斜度。地下管線：位移和沉降。地下水位：變化量和變化速率。

2 指標(biāo)值的制定

2.1 具體步驟

（1）收集和比較相關(guān)規(guī)范和規(guī)程。以國家及地區(qū)的規(guī)范和規(guī)程作為研究的理論基礎(chǔ)，對基坑、周邊建筑物及周邊管線的安全控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的監(jiān)測指標(biāo)警戒值進行比較和歸納。

（2）調(diào)研和總結(jié)類似工程經(jīng)驗。調(diào)研類似基坑工程的相關(guān)案例，總結(jié)安全風(fēng)險監(jiān)控的影響因素，分析監(jiān)控數(shù)據(jù)變化與安全風(fēng)險狀況的關(guān)系。

（3）咨詢值的形成。運用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，對基坑施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行歸類；結(jié)合計算機輔助計算，分析數(shù)值變化特征，研究基坑變形將到達的安全邊界，并設(shè)定此時該變形指標(biāo)的警戒值，形成安全監(jiān)控指標(biāo)體系咨詢值方案。

2.2 安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值的形成

經(jīng)過以上步驟，建立本套基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值。具體如表 1～表 3 所示。

表1 基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)體系的監(jiān)測結(jié)果

表2 基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)體系的評定指標(biāo)

表3 基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)體系的咨詢值

3 指標(biāo)體系咨詢值的驗證

指標(biāo)體系咨詢值的驗證步驟：制定監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表格，收集施工過程中不同時期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)歸類、分析，研究墻體測斜、地表沉降、管線、支撐軸力等數(shù)據(jù)的變化，繪制變化曲線，分析不同指標(biāo)之間的關(guān)系；通過計算機進行數(shù)值分析，選用模擬軟件，建立基坑的受力模型，分析基坑位移及墻體內(nèi)力等變形情況，并與實測數(shù)據(jù)比對，驗證前文建立的指標(biāo)值。

3.1 工程案例分析

3.1.1 工程概況

江蘇無錫軌道交通1號線新光路站車站主體長 200.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬 19.20 m。頂板覆土 3 m，底板厚度 1 m，埋深15.91 m～17.61 m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑埋深16.7 m，采用明挖法施工工藝。圍護結(jié)構(gòu)形式為地下連續(xù)墻，墻厚 800 mm。標(biāo)準(zhǔn)段共設(shè)置4道支撐并加設(shè) 1 道換撐，第一道采用 800 mm×800 mm 混凝土撐，其余 3 道加 1 道換撐，使用 Φ609 鋼管支撐，壁厚 t＝16 mm。基坑變形控制保護等級為一級。

（1）地形地貌。地貌單元屬太湖流域沖湖積平原。區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度大。范圍內(nèi)地層分布較穩(wěn)定，為中軟土。在勘察深度范圍內(nèi)可劃分成 8 個工程地質(zhì)層和 17 個工程地質(zhì)亞層。

（2）地基水文情況。地表水：無錫地表水系發(fā)育旺盛，屬太湖水系，常年水位（黃海標(biāo)高）為 1.40 m～1.70 m，年變幅約 1.0 m，并受人控制，百年一遇洪水位達3.82 m。地下水：在場地深度范圍內(nèi)分淺層含水層、淺層承壓水層和深層承壓水層。

3.1.2 墻體水平位移

基坑開挖過程中墻體的最大水平位移，如圖 1 所示。累計位移值均未超過警戒值，統(tǒng)計數(shù)據(jù)后可知測點最大水平位移值約是 1.87‰ 倍的基坑開挖深度，發(fā)生墻體最大水平位移的位置約在 0.85 H 處。

圖1 墻體最大水平位移統(tǒng)計圖

3.1.3 地表沉降

基坑開挖過程中各監(jiān)測斷面最大地表沉降，如圖 2 所示。共有 5 個測點累計最大位移大于警戒值，最大沉降（D03-3）達到 －67.23 mm，各監(jiān)測斷面最大沉降量約為開挖深度的 0.5‰～4‰。

圖2 各監(jiān)測斷面最大地表沉降統(tǒng)計圖

由圖 3 可知，距基坑水平距離約 17 m 處，地表易出現(xiàn)最大沉降，此距離與基坑開挖深度大致相等。

圖3 最大地表沉降與基坑相對位置關(guān)系圖

圖4 揭示了基坑墻體最大水平位移與最大地表沉降的相對關(guān)系，除了 CXD09 斷面墻體最大水平位移遠超地表沉降量以外，其余各監(jiān)測斷面墻體水平位移 與墻后地表沉降大致相等，統(tǒng)計數(shù)據(jù)后可得出 。

圖4 最大水平位移與最大地表沉降關(guān)系圖

為了研究工程影響區(qū)表面基坑施工對周邊巖土體及環(huán)境的影響程度及影響范圍，可以對受施工影響的區(qū)域?qū)嵤┯行ПO(jiān)測，在把控施工風(fēng)險的同時做到經(jīng)濟合理。選取實測地表沉降點 D11、D12 和 D17，對監(jiān)測斷面上各沉降數(shù)據(jù)進行擬合，得出此基坑的影響區(qū)范圍為 38 m，約為基坑開挖深度的 2.4 倍。

3.1.4 支撐軸力分析

警戒值為設(shè)計軸力值的 80%，由實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，大約有 21% 的軸力實測值超過警戒值，平均支撐軸力值為警戒值的 70.1%。

3.1.5 地下管線分析

運用監(jiān)測數(shù)據(jù)，對在工程施工階段沉降累計值最大及超過允許曲率半徑的管線監(jiān)測點進行重點分析，結(jié)果表明：管子變形曲率半徑超過允許曲率半徑，其累計沉降值小，未超過指標(biāo)值；管子沉降累計值最大，超過指標(biāo)值，但其變形曲率半徑未超過允許曲率半徑，沉降均勻。

3.2 基坑模擬計算分析

3.2.1 基坑工程數(shù)值分析中的常用土體本構(gòu)模型

通過數(shù)值分析法分析基坑工程的受力情況，是基坑工程研究的重要方法之一，常用的基坑開挖計算分析方法有規(guī)范公式計算取值、彈性抗力法和有限元法。在基坑工程數(shù)值分析中，土體本構(gòu)模型的選取及其參數(shù)的確定會對基坑工程數(shù)值分析的結(jié)果產(chǎn)生重要影響，目前雖然本構(gòu)模型的數(shù)量較多，但還沒有出現(xiàn)能夠模擬土體一切特性的萬能本構(gòu)模型，因而在基坑工程的計算分析中還需要根據(jù)土體的特性及實際的應(yīng)力路徑來確定。對于參數(shù)的確定，如果采用復(fù)雜的本構(gòu)模型，會增加參數(shù)確定的難度，因而需要進行高精度的室內(nèi)試驗和原位測試。

3.2.2 土體本構(gòu)模型及其參數(shù)確定

目前大多數(shù)的本構(gòu)模型以數(shù)學(xué)表達式方式體現(xiàn)。在巖土工程有限元的分析中，基于應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型及其參數(shù)多建立在三軸試驗的基礎(chǔ)上，參數(shù)的選取對數(shù)值分析的計算結(jié)果非常重要。因此，有必要選用合理的本構(gòu)模型，將合理的參數(shù)應(yīng)用于本地鐵車站的基坑工程數(shù)值模擬中，以獲得正確的結(jié)論，指導(dǎo)施工單位合理施工。

考慮到基坑土體的收縮回彈特性，采取土體的硬化模型進行建模分析，各參數(shù)根據(jù)設(shè)計圖紙取得。

3.2.3 模擬計算

運用 Plaxis 軟件，建立平面受力模型，將實測數(shù)據(jù)與有限元模擬分析結(jié)果進行比較。根據(jù)地堪資料取得本基坑土體參數(shù)，由軟件計算出基坑開挖后的地下連續(xù)墻橫向位移、樁頂沉降和墻體軸力等。通過建模分析，證實本基坑開挖后的變形滿足安全控制要求。

3.3 模擬計算和實測數(shù)據(jù)的分析對比

3.3.1 深層水平位移

圖5 為基坑開挖底板時墻體深層水平位移變化實測值與模擬計算值的比較結(jié)果，圖線的變化趨勢基本吻合，實測水平位移最大值為 44 mm，模擬計算墻體最大水平位移為 38.21 mm。

圖5 深層水平位移模擬計算和實測結(jié)果對比圖

3.3.2 軸力值

實測支撐最大軸力為 1 677.29 kN。按目前較為普遍的測試結(jié)果，圍護結(jié)構(gòu)支撐軸力的實測值往往超過設(shè)計預(yù)警值，甚至達到設(shè)計值的數(shù)倍之多，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)失去了指導(dǎo)工程施工及驗證設(shè)計的作用。究其原因主要有以下 3個方面。

（1）圍護結(jié)構(gòu)變形及支撐自重產(chǎn)生彎矩。支撐存在彎矩，導(dǎo)致同一截面鋼筋受力不均，實測值結(jié)果偏大。

（2）混凝土的漸變。在長時間的外力作用下，混凝土結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)漸變過程，而鋼筋不會。因此，混凝土的漸變會使鋼筋產(chǎn)生附加應(yīng)力，使實測值偏大。

（3）溫度的附加應(yīng)力。溫度的改變直接對支撐產(chǎn)生影響，即金屬的熱脹冷縮。當(dāng)溫度上升時，鋼管受熱膨脹，而地下連續(xù)墻會約束其變形，導(dǎo)致支撐受力增加。同時鋼筋的熱膨脹系數(shù)大于混凝土，更進一步加劇了測試結(jié)果的偏高。

在實際施工過程中，支撐軸力受諸多非荷載因素的影響，導(dǎo)致實測值大幅度超過設(shè)計值。而數(shù)值模擬往往是在未考慮上述非荷載因素的理想狀態(tài)下進行的，因而模擬結(jié)果通常會比實測結(jié)果小得多?？梢哉J(rèn)為，模擬結(jié)果準(zhǔn)確客觀地反映了支護體系的安全狀況，未出現(xiàn)因軸力測試結(jié)果偏大而出現(xiàn)不可控風(fēng)險，基坑整體仍處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論與展望

（1）由基坑施工監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示基坑位移基本在警戒值內(nèi)，地表沉降最大的位置大致在與基坑開挖深度相等的地方，各指標(biāo)實測值與咨詢值方案預(yù)設(shè)基本吻合。通過計算機軟件輔助模擬基坑受力分析，基坑實測變形值與模擬情況基本一致。

（2）從內(nèi)力和形態(tài)上看，基坑的變形過程是一個比較復(fù)雜的變化過程，變形程度受到許多因素的影響。本文引入基坑施工安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值，主要是以無錫地鐵1號線新光路站基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行定量分析，所用的歸納方法及其研究成果雖經(jīng)該地區(qū)實踐檢驗有效，但其局限性和適用性仍有待在其他地區(qū)同類工程施工實踐中做進一步驗證。

（3）用 Plaxis 軟件模擬，只進行了簡單的建模受力分析，對工程實測數(shù)據(jù)和軟件模擬分析值之間的對應(yīng)關(guān)系未作進一步探討，有待今后通過數(shù)值分析進行深入研究。

（4）設(shè)立基坑安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值，既可為工程施工過程中安全監(jiān)控提供依據(jù)，又可對類似的基坑工程進行指標(biāo)修正，對指導(dǎo)實際基坑工程施工具有積極意義。通過深入研究，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)的形式定量化基坑工程的安全狀態(tài)，從而為設(shè)計人員提供信息反饋，修正后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，從節(jié)能降耗上達到一定的經(jīng)濟價值。