丁猛猛,曹廣勇,笪 偉，吳 超

(安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

近年來(lái)，隨著城市化的快速發(fā)展，地下建筑和地鐵等深基坑工程越來(lái)越多地出現(xiàn)在工程中。國(guó)內(nèi)外對(duì)基坑工程施工引起的地表沉降規(guī)律和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和優(yōu)化的研究眾多。張尚根[1]提出了按正態(tài)分布密度函數(shù)擬合基坑周圍地表的沉降曲線的方法。楊敏等[2]基于 4 種不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本變形模式，發(fā)現(xiàn)基坑周圍地表沉降量與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移之間呈線性關(guān)系。李淑等[3]通過(guò)整理分析北京多個(gè)地鐵車站基坑的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出地表沉降變形曲線最終為“凹槽形”。聶宗泉等[4]根據(jù)上海、南京等多個(gè)地區(qū)的深基坑周圍地表沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給出了軟土深基坑偏態(tài)分布的地表沉降表達(dá)式。莫海鴻等[5]對(duì)基坑支護(hù)樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，對(duì)各施工工況以支護(hù)樁變形曲線面積為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)施工工藝、圈梁截面進(jìn)行控制變量分析，進(jìn)而完善整個(gè)支護(hù)樁優(yōu)化設(shè)計(jì)體系。劉毓氚等[6]對(duì)地鐵中間井基坑進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選出兩種優(yōu)化方案通過(guò)模擬技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出將兩道鋼管內(nèi)支撐改為預(yù)應(yīng)力錨桿的方案為最佳方案。

本文結(jié)合合肥地鐵創(chuàng)新大道站車站基坑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)有限元模擬軟件Midas GTS/NX對(duì)車站基坑進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)模擬計(jì)算，將模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。基于模擬結(jié)果，將基坑現(xiàn)有4道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化為3道，經(jīng)計(jì)算后，新的設(shè)計(jì)方案能夠在保證安全可靠的前提下，節(jié)約一定的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本，同時(shí)能夠提高空間效應(yīng)，便于施工。

1 工程概況

創(chuàng)新大道站位于合肥地鐵四號(hào)線沿望江西路走向，橫跨創(chuàng)新大道，地下兩層單柱雙跨島式站臺(tái)，站臺(tái)長(zhǎng)為120 m、寬為11 m，共設(shè)4個(gè)出入口，2組風(fēng)亭。車站周圍建筑物密集，有部分為高層建筑。由于車站基坑受上下班通勤車輛和人群的影響，在跨路口處局部采用蓋挖順作法施工，其他區(qū)域采用明挖法施工。

車站采用“鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐”的圍護(hù)體系，標(biāo)準(zhǔn)段支護(hù)樁采用直徑800 mm鉆孔灌注樁，樁間距1 m，樁長(zhǎng)23.3 m，端頭井部位支護(hù)樁直徑800 mm鉆孔灌注樁，樁間距為1.1 m，樁長(zhǎng)26.6 m。內(nèi)支撐采用0.8 m×1 m尺寸，材料規(guī)格為C35等級(jí)的混凝土，鋼筋規(guī)格為HPB300、RB400鋼，砼支撐之間距離為9 m。鋼支撐采用A609鋼，直徑609 mm，壁厚16 mm，鋼支撐之間的距離為3 m。

2 數(shù)值分析計(jì)算模型

2.1 基本假設(shè)

假定各層土體水平均勻分布,材料均質(zhì)各項(xiàng)同性,不考慮基坑地下水對(duì)土體開(kāi)挖的影響。[7]

2.2 模擬方案

建模過(guò)程中為了提高模型計(jì)算速度，根據(jù)抗彎等效剛度并結(jié)合工程實(shí)例，將鉆孔灌注連續(xù)樁轉(zhuǎn)換為等剛度的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)[8]，材料力學(xué)等剛度轉(zhuǎn)換理論原則如公式(1)：

(1)

式中：D為灌注樁直徑；t為灌注樁之間的間距；h為地下連續(xù)墻厚度。

直徑800 mm樁間距為1.1 m的咬合樁轉(zhuǎn)換為602 mm厚的地連墻。本文主要對(duì)端頭井部分進(jìn)行模擬分析，基坑土體開(kāi)挖施工工況分為5次開(kāi)挖，每次開(kāi)挖深度為2.3 m、6 m、4 m、3 m、3 m。每次開(kāi)挖到內(nèi)支撐位置下0.5 m再做支撐，共一道砼支撐和三道鋼支撐，四道內(nèi)支撐分別位于地下-1.8 m、-7.8 m、-11.8 m、-14.8 m的位置。

2.3 模型建立

車站基坑利用Midas GTS NX軟件建立三維有限元模型。車站結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)272.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m，開(kāi)挖最深處達(dá)20.8 m。一般基坑模擬開(kāi)挖會(huì)對(duì)外圍2倍到3倍的土體范圍造成影響，故模型尺寸建為長(zhǎng)400 m、寬160 m、高45 m的大尺寸模型。基坑土體分為7層采用修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。整體模型如圖1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 整體基坑模擬示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖施工工況的數(shù)值模擬，得到了基坑周邊地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，通過(guò)把模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模擬結(jié)果是否符合實(shí)際情況。

3.1 地表沉降對(duì)比分析

基坑開(kāi)挖過(guò)程會(huì)引起周圍土體的擾動(dòng)，開(kāi)挖后的土體應(yīng)力釋放會(huì)造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土壓力差，不僅引起土層水平位移，也會(huì)引起基坑周圍地表沉降。截取模型的二分之一剖面，如圖2所示。提取工況1到工況5的東段工作井附近的沉降數(shù)據(jù)做曲線圖，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比對(duì)，如圖3所示。

圖2 模型二分之一剖面

圖3 地表沉降模擬與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

結(jié)果表明：地鐵基坑開(kāi)挖引起的地表變形趨勢(shì)基本上相似，地表沉降隨著距基坑邊的距離增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，表現(xiàn)為“凹槽形”。其中基坑地表最大沉降發(fā)生在第五次開(kāi)挖，數(shù)值為11.6 mm，最大沉降點(diǎn)距離坑邊8 m-12 m。通過(guò)實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果對(duì)比圖可以看出，實(shí)測(cè)沉降最大值在距坑邊10 m附近，數(shù)值為10 mm，比模擬數(shù)值偏小14%。

3.2 地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)比分析

截取模型中東端工作井側(cè)面的二分之一剖面，如圖4所示。提取其工況1到工況5的工作井側(cè)面地連墻的水平變形數(shù)據(jù)做曲線圖，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比對(duì)，如圖5所示。

結(jié)果表明：地鐵基坑開(kāi)挖引起地連墻結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢(shì)基本上類似，水平位移隨著開(kāi)挖的開(kāi)展，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最終表現(xiàn)為“拋物線形”。最大水平位移發(fā)生在第5次開(kāi)挖，數(shù)值為20.6 mm，最大變形中心位于地下12 m-15 m位置處。通過(guò)實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果對(duì)比圖可以看出，實(shí)測(cè)水平位移最大值在-12 m附近，數(shù)值為19 mm，比模擬數(shù)值偏小7.9%。

圖4 東端工作井側(cè)面二分之一剖面

圖5 地連墻結(jié)構(gòu)水平變形模擬與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

4.1 優(yōu)化目標(biāo)

通過(guò)圖5可以看出，地表沉降和地連墻水平變形的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值之間仍然存在著誤差，導(dǎo)致誤差的原因可能是沒(méi)有考慮基坑降水及地面荷載對(duì)模擬計(jì)算的影響。但是數(shù)據(jù)基本上吻合，并且表現(xiàn)為相同的變化趨勢(shì)，從而驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性，進(jìn)而為支護(hù)方案優(yōu)化做準(zhǔn)備。

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目標(biāo)是“安全”和“經(jīng)濟(jì)效應(yīng)”[9]?？梢钥闯?，現(xiàn)有的支護(hù)方案能夠滿足基坑設(shè)計(jì)的“安全”要求。但是支護(hù)方案設(shè)計(jì)過(guò)于保守，會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)和施工工期的延后。因此，在保證基坑施工安全的前提下，能夠使工程造價(jià)降低和施工工期的提前，仍然是人們主要的關(guān)心問(wèn)題。

4.2 優(yōu)化方案

基于基坑設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)“安全”、“經(jīng)濟(jì)效益”兩個(gè)主要優(yōu)化目標(biāo)，現(xiàn)對(duì)創(chuàng)新大道站東端頭井內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)：第二道內(nèi)支撐沿Z方向下調(diào)整0.5 m，第三道內(nèi)支撐沿Z方向下調(diào)整-2 m。所有鋼支撐預(yù)加軸力增大50%，去掉第四道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，增加開(kāi)挖步驟，從第二道內(nèi)支撐的位置到坑底土體改為四步開(kāi)挖。

4.3 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

提取的優(yōu)化后的地表最大沉降如圖6所示。地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移的模擬變形圖如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后的地表最大沉降

圖7 優(yōu)化后地連墻結(jié)構(gòu)最大水平位移

與之前的支護(hù)方案得到的結(jié)果作對(duì)比分析，結(jié)果表明：優(yōu)化后新方案的地表最大沉降為13.9 mm，比原方案地表沉降增大了2.3 mm。優(yōu)化后新方案的地連墻最大水平位移為24.6 mm，比原方案水平位移增大了4 mm。這是由于去掉了第3道鋼支撐之后的，導(dǎo)致“地連墻+內(nèi)支撐”體系整體剛度降低，隨著土體的向下開(kāi)挖，地連墻兩側(cè)產(chǎn)生的應(yīng)力差比之前的要大，導(dǎo)致地連墻外側(cè)土體應(yīng)力進(jìn)一步釋放，進(jìn)而引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和地表沉降的變大，但是變化范圍仍能滿足《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求。說(shuō)明優(yōu)化后的支護(hù)方案具備可實(shí)施性。在保證基坑安全可靠的前提下，由于減少了一道內(nèi)支撐，節(jié)約了施工成本，達(dá)到了一定的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)優(yōu)化了基坑的空間效應(yīng)，增大了可操作的空間，便于施工，能夠有效的縮短工期，節(jié)約時(shí)間成本。合理的開(kāi)挖順序、步驟和深度，能夠降低開(kāi)挖時(shí)土體應(yīng)力釋放對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，保證在開(kāi)挖的時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于有限元分析軟件MidasGTSNX對(duì)創(chuàng)新大道站地鐵基坑，進(jìn)行了深基坑開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程的數(shù)值模擬分析，并與現(xiàn)監(jiān)測(cè)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比及支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的對(duì)比，得出以下主要結(jié)論:

深基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中地表沉降曲線最終表現(xiàn)為“凹槽形”。最大沉降發(fā)生在第五次開(kāi)挖，數(shù)值為11.6 mm。實(shí)測(cè)沉降最大值為10 mm，比模擬數(shù)值偏小14%。

深基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中地連墻結(jié)構(gòu)水平位移變形曲線最終表現(xiàn)為“拋物線形”。地連墻最大水平位移發(fā)生在第5次開(kāi)挖，數(shù)值為20.6 mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的最大水平位移值為19 mm，比模擬數(shù)據(jù)偏小7.9%。

優(yōu)化后新方案的地表最大沉降為13.9 mm，比原方案地表沉降增大了2.3 mm。優(yōu)化后新方案的地連墻最大水平位移為24.6 mm，比原方案水平位移增大了4 mm。但是變化范圍仍能滿足《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)在保證安全可靠的前提下，節(jié)約了基坑施工成本，便于施工，能夠有效的縮短施工工期，節(jié)約了施工時(shí)間成本。