羅光財，張 波，蔣 磊，王 偵

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長沙 410004;2.國防科學技術(shù)大學， 湖南 長沙 410072)

某深基坑支護結(jié)構(gòu)變形特性數(shù)值模擬研究*

羅光財1，張 波1，蔣 磊1，王 偵2

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長沙 410004;2.國防科學技術(shù)大學， 湖南 長沙 410072)

以長沙地鐵3號線為背景，針對火車站站深基坑開挖對圍護樁水平位移及支撐軸力產(chǎn)生的作用，采用FLAC3D軟件對分步開挖進行了數(shù)值模擬，分析了分層開挖下圍護樁的側(cè)移變形和復雜支撐結(jié)構(gòu)軸力變化規(guī)律，并探討了支撐安裝對圍護樁側(cè)移的影響。研究表明：隨著基坑開挖深度的增大，基坑維護結(jié)構(gòu)的水平位移呈現(xiàn)兩頭小，中間大，呈“弓”型；在第二道支撐架設(shè)完成后，樁頂?shù)乃轿灰期呌诜€(wěn)定，不再隨開挖深度而變化；支撐在安裝后軸力值有不斷增大的趨勢，而隨著下一層支撐的施加，軸力逐漸穩(wěn)定，并趨向平衡或有小幅度減少。

深基坑；支護結(jié)構(gòu)；變形特性；數(shù)值模擬

0 引 言

地鐵是解決城市交通擁堵問題和人們舒適出行的重要交通方式[1￣4]，北京、廣州、上海、深圳等大城市的地鐵已經(jīng)運行多年。隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，除北上廣深等大城市外，其他城市的地鐵建設(shè)也已大規(guī)模開展，長沙就在其列。目前長沙已開通1號、2號兩條地鐵線路，運營狀況良好。地鐵車站的修建產(chǎn)生了大量深基坑工程。地鐵深基坑工程場地環(huán)境條件復雜，影響深基坑穩(wěn)定性的因素眾多，研究分析基坑圍護結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)是判斷基坑是否安全的重要手段?；诨庸こ痰牡赜蛐院蛷碗s性，本文以長沙地鐵3號線火車站站深基坑為背景，對深基坑分層開挖進行了三維動態(tài)數(shù)值模擬，分析了圍護樁水平位移及支撐軸力變化狀況，得到了一些有意義的結(jié)論，可為以后長沙地區(qū)基坑設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

長沙火車站地處中心城區(qū)的繁華地帶，東臨火車站，西側(cè)為住宅、商場等，目前站位處車流量大，人流量極大。車站設(shè)計范圍為車站設(shè)計起點里程YCK23+440.920至設(shè)計終點里程YCK23+628.520，包括車站主體和出入口通道、風亭等設(shè)計。本車站為地下三層雙柱島式站臺車站，車站外包總長187.6 m，標準段外包總寬23.7 m。車站埋深23.61 m，頂板覆土3.3 m?；泳S護結(jié)構(gòu)采用圍護樁+內(nèi)支撐：其中第一道支撐均為鋼筋混凝土支撐；已建2號線車站兩側(cè)第二、三、四道支撐；北側(cè)盾構(gòu)井及已建2號線北側(cè)主體第二、三、四道支撐采用鋼支撐，水平間距為3 m。南側(cè)盾構(gòu)井第一、三道為鋼筋混凝土支撐，第二、四道為鋼支撐。根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果，基坑土層從上到下依次為：雜填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、粉質(zhì)粘土、強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖。

2 計算模型的建立

整個基坑被2號線車站截斷，分為南北兩處基坑。為簡化計算，選取車站南側(cè)基坑為建模對象，基坑分為盾構(gòu)井和一部分標準段，南側(cè)基坑平面圖形為一個不規(guī)則的多邊形，平均長度為24 m ，平均寬度為28 m，開挖深度為24 m。根據(jù)圣維南原理和參考已有的研究成果，影響范圍為3～5 倍開挖深度，整個模型的尺寸為 270 m×105 m×96 m。模型上表面為自由面，底面為固定約束，其余各表面添加法向約束。模型見圖1。

開挖部分采用null模型。土體采用實體單元模擬，土體共分6層，本構(gòu)模型采用理想彈塑性Mohr-Coulomb 模型，各計算參數(shù)由地質(zhì)詳勘報告及相關(guān)土工室內(nèi)試驗得到，見表1。鋼筋混凝土支撐和鋼支撐采用梁單元模擬，本構(gòu)模型采用線彈性材料，模擬中不考慮梁單元自重，在設(shè)置鋼支撐的同時對鋼支撐施加預應力，支撐參數(shù)見表2。圍護結(jié)構(gòu)為灌注樁，根據(jù)剛性等效原則簡化元，密度取為2200 kg/m3，彈性模量E取為 1.6 GPa，泊松比取為0.2。模型中不同結(jié)構(gòu)類型的支護結(jié)構(gòu)(包括內(nèi)支撐和鉆孔灌注樁)之間的連接通過共用節(jié)點的方法實現(xiàn)，限制6個方向的自由度，即認為不同類型的結(jié)構(gòu)單元之間采用剛結(jié)，從而實現(xiàn)6個自由度上力的傳遞[6]。

圖1 整體模型

表1 巖土物理力學參數(shù)

土層厚度/m重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)體積模量/MPa剪切模量/MPa填土5．217．510184．761．47粉質(zhì)粘土3．418．630154．441．81圓礫3．419．5032175．3粉質(zhì)粘土6．42030154．441．81強分化泥質(zhì)砂巖722．535253022．5中風化泥質(zhì)砂巖6825．53002815868．7

表2 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)基坑開挖及支護的實際施工過程，采用分析步的方法進行分步開挖卸載、分步支護。第一步：施工灌注樁，并進行地應力平衡；第二步：安裝第一層支撐結(jié)構(gòu)至-1 m處，開挖土方3 m;第三步:開挖土方2 m；第四步：開挖土方2 m，并安裝第二層支撐結(jié)構(gòu)至-7 m處，及時對鋼支撐施加預應力；第五步：開挖土方3 m；第六步：開挖土方2 m；第七步：開挖土方2 m,并安裝第三層支撐結(jié)構(gòu)至-14 m處；第八步：開挖土方3 m；第九步：開挖土方2 m；第十步：開挖土方2 m,并安裝第二層支撐結(jié)構(gòu)至-21 m處，及時對鋼支撐施加預應力；第十一步：開挖土方至基坑底部?；诱麄€支護結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 支護結(jié)構(gòu)

本文研究的對象為圍護結(jié)構(gòu)水平位移及支撐軸力變化，根據(jù)模擬基坑的幾何形狀，選取了代表性的盾構(gòu)井長邊中點及標準段1處作為圍護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測對象，選取了標準段1處共4根鋼筋混凝土支撐和盾構(gòu)井處1處共2根鋼支撐進行軸力監(jiān)測，監(jiān)測測點的分布情況見圖3。

圖3 監(jiān)測點位布設(shè)位置

3 計算結(jié)果分析

3.1 圍護結(jié)構(gòu)水平位移分析

基坑監(jiān)測兩處圍護樁水平位移沿墻身分布的曲線見圖4～圖5，基坑監(jiān)測兩處圍護樁水平位移見圖6～圖7。從圖4～圖5中可以看出，基坑維護結(jié)構(gòu)的水平位移呈現(xiàn)兩頭小，中間大，其原因為基坑開挖導致坑外土體對圍護樁形成主動土壓力，導致圍護樁向基坑內(nèi)移動。在剛開挖階段，水平位移變化很小，幾乎為零；隨著開挖深度的加大，水平位移逐漸增多，樁體變形為“弓”型，最大位移點有下降的趨勢。當基坑開挖最終完成時，樁體最大變形位移點出現(xiàn)，變形趨于穩(wěn)定。

圖4 盾構(gòu)井長邊中點截面圍護結(jié)構(gòu)

圖5 標準段截面圍護結(jié)構(gòu)水平位移沿墻身分布曲線圖

圖6 盾構(gòu)井圍護樁最終水平位移云圖

圖7 標準段圍護樁最終水平位移云圖

從圖4可以看出，首道支撐架設(shè)對盾構(gòu)井中點圍護樁樁頂?shù)膫?cè)移約束有相當大的作用，第二道支撐架設(shè)前，樁頂?shù)奈灰茷?.3 mm,支護結(jié)構(gòu)最大水平位移約為10.2 mm，發(fā)生部位位于樁體埋深約為10 m處，同時，圍護樁水平位移變化的幅度較大，最大值從5.9 mm變到了10.2 mm，其原因為第二層支撐結(jié)構(gòu)未及時架設(shè)，圍護樁承受主動土壓力負荷增大，導致水平位移變化較大。在第三道支撐假設(shè)前，樁頂位移變?yōu)?.9 mm,支護結(jié)構(gòu)最大水平位移約為13.6 mm，發(fā)生部位位于樁體埋深約為11 m處。在第四道支撐架設(shè)前，樁頂位移為1.8 mm,支護結(jié)構(gòu)最大水平位移約為17.3 mm，發(fā)生部位位于樁體埋深約為13 m處。開挖至基坑底部時，樁頂位移為1.7 mm，支護結(jié)構(gòu)最大水平位移達到18.3 mm，發(fā)生部位位于樁體埋深約為14 m處。

從圖5可以看出，對于標準段樁頂水平位移，由于基坑開挖后，第一層用鋼筋混凝土支撐，導致土體向坑外移動。對比盾構(gòu)井中點的水平位移，標準段每次支護引起圍護樁最大水平位移點位置與盾構(gòu)井中點處一致，基坑開挖完成時，最大水平位移都發(fā)生于樁體埋深約14 m處，但由于空間效應，盾構(gòu)井長邊長于標準段邊，相對的支護約束作用弱，導致標準段每次支護引起圍護樁最大水平位移值比盾構(gòu)井處都小，基坑開挖完成時，最大水平位移值為16.1 mm。

結(jié)合盾構(gòu)井中點和標準段支撐結(jié)構(gòu)架設(shè)對圍護樁的影響得出規(guī)律：

(1) 在第二道支撐架設(shè)后，樁頂?shù)乃轿灰埔掩呌诜€(wěn)定；

(2) 當土方開挖至基坑底部及基坑開挖完成時，圍護樁水平位移最大值點才出現(xiàn)，大約位于埋深0.58H處(H為基坑開挖深度)。

3.2 支撐結(jié)構(gòu)軸力分析

由圖8可知，在第一層混凝土支撐以后，其軸力值不斷地增大，第三次開挖結(jié)束后，其軸力值達到最大值995.3 kN,隨著坑內(nèi)土體繼續(xù)開挖，第二層支撐后，軸力值慢穩(wěn)定下來，最后趨于平衡。同樣，在第三層支撐沒安裝前，第二層混凝土監(jiān)測點軸力值呈現(xiàn)上升趨勢，直達最大值點，隨著下一道支撐的安裝，軸力值趨于穩(wěn)定。第三層鋼筋混凝土監(jiān)測點軸力變化趨勢亦同于前兩層。隨著基坑的開挖，最大軸力值2983.5 kN出現(xiàn)在基坑完成時第三層混凝土支撐布設(shè)點中。

圖8 標準段混凝土支撐布設(shè)點開挖軸力

由圖9可知，第四次開挖后，第二層布點鋼支撐的軸力值為314 kN,較第二層混凝土支撐軸力值小許多，其原因是安裝鋼支撐的同時對鋼支撐添加相應的預應力。跟混凝土支撐軸力變化情況一樣，第二道鋼支軸力值在下一道支撐架設(shè)后出現(xiàn)緩和并逐漸穩(wěn)定現(xiàn)象。第二、四道鋼支撐布點軸力隨著開挖的進行，與混凝土布點軸力總體變化情況一致。

綜上所述可得：

圖9 鋼支撐開挖軸力圖

(1) 隨著基坑開挖深度的加深，支撐的軸力逐漸變大，其中第二、三、四道支撐的軸力明顯較大，這與圍護結(jié)構(gòu)水平位移量的變化趨勢基本吻合，均呈現(xiàn)出兩頭小，中間大的趨勢。

(2) 支撐軸力在施加后軸力值有不斷增大的趨勢，而隨著下一層支撐的施加，軸力又慢慢穩(wěn)定下來，最后趨向平衡或有小幅度減少。

4 結(jié) 論

基于FLAC3D有限差分軟件，建立模擬基坑施工過程的三維計算模型，分析了復雜支撐結(jié)構(gòu)下地鐵車站深基坑開挖的工程實例，并進行了相關(guān)的變形和受力特性研究。主要結(jié)論如下:

(1) 在第二道支撐架設(shè)完成后，樁頂?shù)乃轿灰期呌诜€(wěn)定，不再隨開挖深度而變化。

(2) 隨著基坑開挖深度的增大，基坑維護結(jié)構(gòu)中間部分受到土體測壓力較大(最大水平位移點也出現(xiàn)在第二、三道支撐之間)，易使圍護結(jié)構(gòu)變形嚴重，造成危害。建議在施工工程中，增強第二、三道支撐的剛度或加大支撐數(shù)量。

(3) 由于影響基坑穩(wěn)定性的因素眾多，如地下水位上升、施工擾動等，建議在施工過程中加強監(jiān)測工作，及時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)修正施工方案，對于發(fā)現(xiàn)的問題，要及時提出解決方案，保證施工的正常進行和結(jié)構(gòu)的安全性。

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湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳重點支持項目(XJS201535).

2017￣01￣14)