馮勇慧 王躍軍 董建華(甘肅第三建設(shè)集團(tuán)公司，甘肅 蘭州 730030)

我國(guó)即將迎來(lái)地鐵工程及地下空間綜合開(kāi)發(fā)的高潮，目前全國(guó)建設(shè)地鐵城市20余個(gè)。許多學(xué)者對(duì)于地鐵車站深基坑的穩(wěn)定性及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律做出了諸多研究成果[1-7]。本文以某軌道交通車站為例，利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)其基坑分步開(kāi)挖、架設(shè)內(nèi)撐等施工全過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，研究車站深基坑整個(gè)支護(hù)體系及周圍地層的變形規(guī)律。另外王場(chǎng)等[9]主要研究了內(nèi)支撐安裝位置等參數(shù)的變化對(duì)深基坑變形的影響，本文利用數(shù)值模擬手段對(duì)擬采用的支撐方案提出優(yōu)化，以期指導(dǎo)今后的地鐵車站建設(shè)，并提供相關(guān)的技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 車站概況

本車站總長(zhǎng)163.4m，主體寬度約21.0m，為地下3層結(jié)構(gòu)，車站底板高程約1502.10-1502.43m，車站主體結(jié)構(gòu)底板埋深約20.9～21.4m。施工方法采用明挖法。車站西側(cè)南北各設(shè)通道出入口1個(gè)，車站東端設(shè)風(fēng)亭1組。

圖1 地鐵車站深基坑支護(hù)平面圖

1.2 工程地質(zhì)概況

車站場(chǎng)地地層分布穩(wěn)定，沉積韻律清晰，未發(fā)現(xiàn)有斷裂構(gòu)造發(fā)育，車站無(wú)河流穿過(guò)。明挖順做法施工中，擬建車站地質(zhì)勘察鉆探深度內(nèi)地層為 ：地表分布有素填土（Q4ml）、雜填土（Q4ml）；其下為卵石土（Q4al+pl）、底部為砂巖（N）。場(chǎng)地地層自上而下劃分為4層，各土層力學(xué)指標(biāo)參考表中對(duì)應(yīng)建議值。

地表人工填土為路面路基填土以及路旁局部人為回填土、棄土，成分復(fù)雜，含卵石、粉土、生活和建筑垃圾等，結(jié)構(gòu)較松散，工程性能差，對(duì)基坑坑壁穩(wěn)定和地面建筑地基有不利影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮。其下為卵石土，雜色，主要由花崗巖、石英巖、砂巖、礫巖等碎塊組成，呈亞圓形，一般粒徑30~90mm，鉆探揭露的最大粒徑約300mm，含少量漂石，充填物以粗礫砂為主，約占45%，級(jí)配不良。局部夾粉質(zhì)粘土、粉土和粉細(xì)砂透鏡體，中密～密實(shí)狀態(tài)。卵石土之下為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，分布穩(wěn)定，褐（棕）紅色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖芯破碎，礦物成份以長(zhǎng)石、石英為主，含少量云母，成巖作用差，遇水或擾動(dòng)易成散狀，不經(jīng)擾動(dòng)時(shí)強(qiáng)度較高。

1.3 水文地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)氣候?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候。四季分明，較干旱，多年平均降水量?jī)H287.6mm，年度分布不均，一般集中在7、8、9月?？辈炱陂g，車站地下水位埋深為5.50～5.90m，地下水位高程介于1517.49~1517.79m之間。地下水主要賦存于1-2雜填土、2-10-2卵石土及4-2-1強(qiáng)風(fēng)化砂巖中，屬潛水類型。其中2-10-2卵石層透性好，賦水性強(qiáng)，是車站的主要含水層，其次為4-2-1強(qiáng)風(fēng)化砂巖，富水性較弱。地下水主要受大氣降水、黃河河水側(cè)向徑流等補(bǔ)給，排泄方式主要為徑流排泄、人工開(kāi)采及蒸發(fā)消耗等。地下水位受季節(jié)影響變化較大，水位年變化幅度約1.0~2.0m。

1.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇需根據(jù)基坑深度、地層條件、周圍建筑物的變形要求、施工場(chǎng)地、降水條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)等進(jìn)行綜合比選。該車站位于繁華路段，交通發(fā)達(dá)，通訊光纜、地下電纜、城市給排水管線、雨水及污水管道等地下管線密布。擬建車站及附近建筑物密集，且高層建筑較多。除地表臨近建筑物外，本車站西端約30m范圍以下為人防設(shè)施，全長(zhǎng)約160m，總寬45m，埋深約6m。車站東端與步行街地下一層地下商場(chǎng)相連接，該地下商場(chǎng)埋深于現(xiàn)地表下約6.50m，寬19.0m，高4.0m。車站所在路段為東西向交通大動(dòng)脈，基坑邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案不合理有可能造成邊坡變形過(guò)大或坍塌，造成全市交通癱瘓。本工程車站基坑開(kāi)挖深度較深，約23m，不適合使用復(fù)合土釘墻支護(hù)形式，地下連續(xù)墻的造價(jià)又較高。結(jié)合以前的工程經(jīng)驗(yàn)，擬采取φ800鉆孔咬合樁＋四道φ600鋼管內(nèi)支撐，壁厚最大16mm。支撐位置分別為地下2m、8m、14m、20m處，水平間距3m。施加預(yù)應(yīng)力值100kn、200kn、200kn和150kn。

2 施工過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 選取計(jì)算軟件

采用美國(guó)ITASCA公司研發(fā)的FLAC3D軟件，以便能夠準(zhǔn)確的模擬分析施工的全過(guò)程。因最終基坑開(kāi)挖前已完成其降水工程，已使地下水水位維持在基坑底板以下1.0m，故在模擬中不再考慮地下水滲流的影響。

圖2 車站主體支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2 計(jì)算模型

依據(jù)該工程的實(shí)際情況，建立三維數(shù)值計(jì)算模型如圖3。計(jì)算邊界的范圍大小對(duì)模擬結(jié)果的精度有很大的影響，基坑標(biāo)準(zhǔn)段的寬度為22m，開(kāi)挖深度23m。依據(jù)圣維南原理，開(kāi)挖區(qū)域一般選開(kāi)挖尺寸的3-5倍比較合理。故取300m×50m×50m建立模型，共產(chǎn)生445600個(gè)單元，450143個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 本構(gòu)模型

利用FLAC3D進(jìn)行計(jì)算模擬時(shí)，采用空模型null來(lái)實(shí)現(xiàn)土體的開(kāi)挖；采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型模擬土體。

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算模型

表1 擬建車站場(chǎng)地主要地層的力學(xué)指標(biāo)

2.4 初始應(yīng)力

首先要明確土體中各點(diǎn)的初始應(yīng)力條件和位移條件，建立初始應(yīng)力場(chǎng)，才能模擬基坑的開(kāi)挖。對(duì)無(wú)限大的地表面，任一水平面和豎直面上剪應(yīng)力均為零，所以土體的初始應(yīng)力即可定義為距土層表面深度的函數(shù)。若其豎向應(yīng)力值隨縱坐標(biāo)線性變化，那么水平應(yīng)力分量即可定義為該點(diǎn)的豎向應(yīng)力與側(cè)壓力系數(shù)的乘積。

2.5 邊界條件

四周的側(cè)邊界為法向方向固定，切線方向自由，底邊邊界為固定邊界。

2.6 支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬

利用等效剛度原則，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用各向同性彈性模型的實(shí)體單元模擬為地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，在兼顧模擬精確度的前提下，盡量使模擬分析過(guò)程簡(jiǎn)化，墻體厚度為1000mm。鋼支撐采用FLAC3D自帶的beam單元，在端頭構(gòu)件處施加一對(duì)等大反向的力來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力，以便準(zhǔn)確的模擬鋼管內(nèi)支撐的實(shí)際受力狀態(tài)。

2.7 主要施工步驟

施工采用明挖順做法分層開(kāi)挖，根據(jù)工程特點(diǎn)，在數(shù)值模擬中將施工分為五種工況：

1）工況1：構(gòu)筑鉆孔咬合樁支護(hù)體系；開(kāi)挖至3m深，構(gòu)筑冠梁，并在2.0m深處架設(shè)第一道鋼管內(nèi)支撐并施加100KN的預(yù)應(yīng)力；

2）工況3：開(kāi)挖至9m深，在8.0m深處架設(shè)第二道鋼管內(nèi)支撐并施加200KN的預(yù)應(yīng)力；

3）工況4：開(kāi)挖至15m深，在14.0m深處架設(shè)第三道鋼管內(nèi)支撐并施加200KN的預(yù)應(yīng)力；

4）工況5：開(kāi)挖至21m深，在20.0m深處架設(shè)第四道鋼管內(nèi)支撐并施加150KN的預(yù)應(yīng)力；

5）工況6：開(kāi)挖至基坑底23m深。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

3.1 周圍地層的應(yīng)力及其位移分析

坑內(nèi)土體被開(kāi)挖后，即打破了土體自身原本具有的初始應(yīng)力平衡場(chǎng)，進(jìn)行內(nèi)力的重新分布，基坑兩側(cè)的地層有向下沉降的變形。隨著基坑開(kāi)挖深度的持續(xù)增加，坑周土體的豎向位移值也越來(lái)越大。基坑開(kāi)挖的底部有很明顯的向上隆起，基坑底部中點(diǎn)的隆起值達(dá)到最大?；觾蓚?cè)地表向下的沉降值則隨著與基坑距離的加大而逐漸降低，直到較遠(yuǎn)處沉降值為零。

在開(kāi)挖深度不斷增加的情況下，基坑周圍土體的水平位移也逐步增大?？觾?nèi)土體的開(kāi)挖使得坑壁的法向約束逐漸被消除，因此導(dǎo)致了周圍土體向坑內(nèi)的位移。前三次開(kāi)挖其水平位移值的變化較快，是由于內(nèi)力重分布而引起的較大位移。最后一次開(kāi)挖中土體應(yīng)力基本已達(dá)到平衡，所以位移值變化很小。以上所提到的橫向位移值當(dāng)開(kāi)挖全部完成后將達(dá)到最大值。在深基坑的施工中，運(yùn)用先支擋再開(kāi)挖的施工方法，在每下一次開(kāi)挖前先進(jìn)行坑壁的噴射混凝土，其粘結(jié)效應(yīng)可對(duì)坑壁土體起到良好地支護(hù)作用。

3.2 樁體水平位移分析

咬合樁是深基坑工程中最主要的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其變形的大小與基坑的穩(wěn)定和安全息息相關(guān)?；娱_(kāi)挖的過(guò)程中，起初樁體由于是懸臂開(kāi)挖，其變形極值點(diǎn)發(fā)生在最上部。隨著進(jìn)一步的開(kāi)挖，樁體變形呈“弓”字型，最大位移點(diǎn)逐漸向下移動(dòng)，當(dāng)基坑開(kāi)挖最終完成時(shí)（至23m），樁體最大變形為6.96mm，變形趨于穩(wěn)定，最大位移點(diǎn)大約發(fā)生在距離基坑頂部2/3深度的-13.0m處。

圖4 開(kāi)挖完成后整體豎向位移云圖

圖5 開(kāi)挖完成后整體水平位移云圖

圖6為各工況開(kāi)挖加撐并施加預(yù)應(yīng)力后圍護(hù)體系的水平位移曲線。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，首道內(nèi)支撐架設(shè)完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移約0.14mm，發(fā)生于樁頂；第二排內(nèi)撐架設(shè)完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移增大至2.86mm，發(fā)生部位位于樁體埋深約5m處，樁頂變形約為0.73mm；當(dāng)?shù)谌龑觾?nèi)撐架設(shè)完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移繼續(xù)增大至5.61mm，位于樁體埋深約10m處，樁頂變形約為0.91mm；當(dāng)?shù)谒牡纼?nèi)支撐架設(shè)完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移最終增大至6.96mm，發(fā)生于樁體埋深約13m處，樁頂變形約為0.99mm。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移圖

3.3 坑邊地表豎向沉降分析

圖7 基坑周邊土體豎向沉降圖

深基坑開(kāi)挖的進(jìn)程中，周圍土體會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的沉降。起始懸臂開(kāi)挖時(shí)，沉降曲線呈“三角形狀”，沉降最大值發(fā)生于坑邊；隨著支撐的架設(shè)，新增的沉降曲線分布逐漸變?yōu)椤皰佄锞€”型，最大沉降點(diǎn)距坑邊有一定距離。模擬分析表明，伴隨著基坑開(kāi)挖深度的加大，坑周土體的垂直沉降變形亦逐布增大，且各工況的沉降曲線形態(tài)類似。地表的整體變形規(guī)律是距離坑邊一定距離處發(fā)生最大的沉降變形，一般位于樁體外側(cè)4~10m的區(qū)域，最大沉降值約為6.65mm，隨著距離坑邊越來(lái)越遠(yuǎn)，沉降變形則慢慢減小，最終趨于穩(wěn)定，其形狀類似于勺形，總體的沉降量并不大，能夠滿足基坑設(shè)計(jì)中關(guān)于地面最大沉降的控制要求。而灌注樁的頂端則發(fā)生了一定的向上回彈，約1mm左右。伴隨著開(kāi)挖深度的加深，深基坑施工對(duì)地表沉降的影響范圍也越來(lái)越遠(yuǎn)，距離坑邊達(dá)開(kāi)挖深度2倍的地表也能受到施工帶來(lái)的影響，其范圍大于25m。所以在深基坑施工過(guò)程中，一定要密切注意基坑周邊可能要發(fā)生最大沉降的區(qū)域，必要時(shí)可進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，防止工程事故的發(fā)生。

3.4 鋼管內(nèi)支撐軸力分析

在深基坑施工開(kāi)挖的進(jìn)程中，各鋼管內(nèi)支撐的軸力均有明顯的增長(zhǎng)。而架撐后，各道支撐軸力稍微有一些回彈，然后再繼續(xù)增長(zhǎng)，一方面架設(shè)支撐以及施加預(yù)應(yīng)力起到了效果，另一方面說(shuō)明支撐在施加預(yù)應(yīng)力后，由于各種客觀因素的影響，一般會(huì)有應(yīng)力松弛的現(xiàn)象，當(dāng)開(kāi)挖至基底時(shí)，軸力變化基本趨于穩(wěn)定，第一道支撐軸力為199.6kn，第二道支撐軸力為916.4kn，第三道支撐軸力為945.3kn，第四道支撐軸力為404.6kn，說(shuō)明第三道內(nèi)支撐附近的圍護(hù)體系變形相對(duì)較大，軸力變化曲線見(jiàn)圖8。

圖8 鋼管內(nèi)支撐軸力圖

4 內(nèi)支撐方案的優(yōu)化分析

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，內(nèi)支撐的架設(shè)位置對(duì)圍護(hù)體系和周圍土體的內(nèi)力以及變形影響較大[8]，本文對(duì)第一道及第四道支撐的位置進(jìn)行調(diào)整。第一道支撐位置上移1m，第四道支撐位置下移1m。

為了驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性及合理性，特對(duì)新方案的整個(gè)施工過(guò)程同樣進(jìn)行一次數(shù)值模擬計(jì)算，并與原方案進(jìn)行對(duì)比，分析周圍土體的位移場(chǎng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移大小，旨在為改進(jìn)后架撐方案的優(yōu)越性提供技術(shù)論據(jù)。

表2 新舊方案支撐位置對(duì)比

圖9是優(yōu)化前后樁體水平位移沿深度分布的對(duì)比曲線，表3是兩方案樁頂、樁體最大位移以及地表最大沉降的對(duì)比。由此可得出第一道內(nèi)撐的架設(shè)位置越低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部的水平位移值越大，第四道內(nèi)撐的架設(shè)位置越低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移值則會(huì)隨之減小。優(yōu)化方案對(duì)基坑周圍地表的沉降影響較小。原方案支護(hù)體系頂部水平位移0.94mm，坑周地表最大沉降6.65mm，支護(hù)體系最大位移6.86mm；改進(jìn)后的方案支護(hù)體系頂部水平位移0.46mm，坑周地表最大沉降6.04mm，支護(hù)體系最大位移6.73mm。從控制變形的角度來(lái)評(píng)判，改進(jìn)后的方案各方面均優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案。綜上所述，以控制變形為主，同時(shí)兼顧工程造價(jià)為優(yōu)化目標(biāo)，在數(shù)值模擬的指導(dǎo)下，新方案的設(shè)計(jì)是安全可行的。

表3 兩方案周邊土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值的對(duì)比

5 結(jié)論

1）支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移量與施工開(kāi)挖的深度緊密關(guān)聯(lián)，當(dāng)深基坑懸臂開(kāi)挖至某一深度時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移曲線呈前傾型，樁體上部的水平位移值最大；隨著鋼管內(nèi)支撐的架設(shè)、預(yù)應(yīng)力的施加以及基坑的進(jìn)一步開(kāi)挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移曲線逐漸向“弓”字型轉(zhuǎn)變，發(fā)生最大位移的部位也隨之下移，大約在基坑開(kāi)挖深度的2/3處。坑邊最大沉降點(diǎn)距離坑邊有一定距離，離坑邊越遠(yuǎn)，沉降逐漸減小，沉降影響范圍大于25m。

圖9 兩方案支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移對(duì)比圖

2）根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算分析結(jié)果，該地鐵車站深基坑開(kāi)挖施工全過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為6.86mm，坑周地表最大沉降小于20mm，采用鉆孔咬合樁+鋼管內(nèi)支撐的方案是安全可行的。

3）深基坑支護(hù)的內(nèi)撐體系中，首道支撐的位置越低，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂端的水平位移就越大；末道支撐的位置越低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移就越小，而內(nèi)撐位置的微調(diào)對(duì)地表沉降的影響不大。故在深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)中應(yīng)適宜抬高首道內(nèi)撐、降低末道支撐的位置。在數(shù)值模擬計(jì)算分析的基礎(chǔ)上提出的改進(jìn)方案不僅滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和限制基坑變形的安全要求，且各個(gè)典型變形值均優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案，提高了基坑的穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期的目的。

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