地下结构施工过程中土体变形与结构稳定性研究

一、引言

随着城市化进程加速，地下空间开发规模不断扩大，各类地下工程数量持续增加。在地下结构施工期间，土体原有应力平衡被打破，极易引发土体变形，对周边环境与结构稳定性构成威胁。深入探究土体变形机制与结构稳定性，对保障施工安全、控制环境影响及提升工程质量具有关键意义，已成为当下地下工程领域的研究热点。

二、土体变形影响因素

2.1 施工工艺因素

不同施工工艺对土体的扰动程度差异显著。以明挖法为例，大规模土体开挖会瞬间改变土体应力状态，导致应力重分布，引发土体变形。而盾构法施工中，盾构机的推进、切削、出土等操作会对周围土体产生挤压、剪切等作用，若盾构机姿态控制不佳或推进参数不合理，将加大土体变形幅度。在某地铁盾构区间施工时，因盾构机推进速度过快，出土量控制不当，致使盾构机周围土体产生较大位移，地面沉降超出允许范围。

2.2 土体特性因素

土体自身特性是影响变形的内在因素。软黏土具有高压缩性、低抗剪强度等特点，在施工荷载作用下，易产生较大压缩变形与剪切变形。相比之下，砂土的颗粒结构使其具有较好的透水性和较高的内摩擦角，变形特性与软黏土截然不同。在复杂地质条件下，如土层分布不均、存在软弱夹层时，土体变形更为复杂。某深基坑工程穿越多种土层，由于不同土层变形模量差异大，导致基坑围护结构出现不均匀变形，进而影响周边建筑物安全。

2.3 地下水作用因素

地下水对土体变形影响重大。地下水位下降会使土体有效应力增加，引发土体压缩变形，导致地面沉降。基坑降水过程中，若降水井布局不合理或降水速度过快，会加剧这种变形。此外，地下水的渗流作用可能引发土体渗透变形，如流砂、管涌等，严重破坏土体结构，影响地下结构稳定性。在沿海地区的地下工程中，因地下水丰富且水位变化频繁，地下水作用引发的土体变形问题尤为突出。

三、土体变形分析方法

3.1 理论分析法

理论分析法基于土力学基本原理，通过建立数学模型对土体变形进行计算。常用的有弹性力学方法、塑性力学方法和流变学方法等。弹性力学方法适用于小变形情况，可通过求解拉普拉斯方程或泊松方程得到土体应力应变分布。塑性力学方法考虑土体屈服后的塑性变形，采用屈服准则和流动法则进行分析。流变学方法则针对土体的流变性，研究土体变形随时间的发展规律。在浅基坑变形分析中，可运用弹性力学方法计算围护结构的水平位移和坑底隆起，为工程设计提供初步参考。

3.2 数值模拟法

数值模拟法借助计算机软件，对地下结构施工过程进行模拟分析。有限元法是目前应用最广泛的数值方法，可将复杂的土体和结构离散为有限个单元，通过求解单元方程得到整体的应力应变状态。在数值模拟中，能考虑多种因素，如土体非线性特性、施工顺序、结构与土体相互作用等。利用有限元软件对某大型地下综合体施工过程进行模拟，可直观展示不同施工阶段土体变形情况，预测潜在风险区域，为施工方案优化提供依据。

3.3 现场监测法

现场监测法通过在施工现场布置监测点，实时获取土体变形数据。常用的监测手段有沉降观测、位移监测、孔隙水压力监测等。沉降观测通过水准仪测量地面或结构物的沉降量；位移监测采用全站仪、测斜仪等设备监测土体水平位移和围护结构倾斜；孔隙水压力监测则利用孔隙水压力计测量土体中孔隙水压力变化。现场监测数据能真实反映土体变形实际情况，及时发现异常并采取相应措施。在某高层建筑深基坑施工中，通过严密的现场监测，成功预警了一次因土体变形过大导致的围护结构局部失稳事件，避免了事故发生。

四、结构稳定性评估

4.1 结构稳定性影响因素

地下结构稳定性受多种因素影响。除了前文提及的土体变形外，结构自身的设计参数，如结构形式、尺寸、材料强度等，对稳定性起关键作用。不合理的结构设计可能导致结构在施工荷载或土体变形作用下发生破坏。施工过程中的临时支撑设置、施工荷载大小及分布等因素也不容忽视。临时支撑布置不当可能无法有效分担结构荷载，增加结构失稳风险。在某大型地下车库施工中，因临时支撑拆除过早，结构尚未形成稳定体系，导致部分顶板出现裂缝，影响结构安全。

4.2 结构稳定性评估方法

结构稳定性评估方法多样。传统的极限平衡法通过分析结构在极限状态下的力平衡条件，计算结构的安全系数。如在边坡稳定性评估中，常用瑞典条分法、毕肖普法等计算边坡的抗滑稳定安全系数。可靠度分析法考虑结构参数的不确定性，采用概率统计方法评估结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能的概率。有限元极限分析法结合有限元数值模拟与极限分析理论，通过逐步增加荷载，寻找结构的极限承载状态。在实际工程中，可根据具体情况选择合适的评估方法。对于地质条件简单、结构形式常规的地下工程，可采用极限平衡法进行初步评估；对于复杂工程，则需结合多种方法进行综合评估。

4.3 提升结构稳定性措施

为提升地下结构稳定性，可从多方面采取措施。在设计阶段，优化结构选型与设计参数，确保结构具有足够的强度、刚度和稳定性。增加围护结构入土深度、加大支撑刚度等措施可有效抵抗土体变形对结构的影响。在施工过程中，严格按照设计方案进行施工，合理安排施工顺序，确保临时支撑设置及时、稳固。加强施工监测，根据监测数据及时调整施工参数，如发现结构变形异常，可采取加固措施，如增设支撑、进行土体加固等。在某地铁车站施工中，通过对基坑围护结构进行桩锚联合支护设计，并在施工过程中实时监测与动态调整，有效保障了结构稳定性。

五、结论

本文系统研究了地下结构施工过程中土体变形与结构稳定性问题。明确了施工工艺、土体特性、地下水作用等是土体变形的主要影响因素，通过理论分析、数值模拟和现场监测等方法可有效分析土体变形。结构稳定性受土体变形、结构设计参数、施工因素等多方面影响，采用极限平衡法、可靠度分析法、有限元极限分析法等可评估结构稳定性。为保障地下结构施工安全与稳定，需从设计优化、施工控制和监测预警等多方面采取措施。未来研究可进一步深化对复杂地质条件下土体变形与结构稳定性的认识，完善相关理论与方法，提高地下工程建设水平。

参考文献

[1]刘晓东.增湿条件下黄土区地下结构变形稳定性研究[D].西安理工大学，2023.

[2]瞿天亮，张世杰，孟啸，等.超大深基坑地下结构逆作施工内力与变形规律[C]//《施工技术（中英文）》杂志社，亚太建设科技信息研究院有限公司.2023 年全国工程建设行业施工技术交流会论文集（下册）.中铁建设集团有限公司;北京工业大学;，2023：408-413.

[3]周生辉.基于柔度比-惯性力法的地下结构抗震性能评价研究[D].北京建筑大学，2023.