童爭(zhēng)光, 瞿海洋

(湖南致力工程科技有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410208)

1 工程概述

圖1為紹興地鐵鏡湖站的基坑平面圖，基坑寬30m，長(zhǎng)44m，開(kāi)挖深度為27m，是紹興市地鐵1號(hào)線和2號(hào)線的換乘車站，采用明挖順作法施工。2號(hào)線左線車站段基坑底部位于 ⑤2粉質(zhì)粘土層，該土層為軟塑土層，擬采用三軸攪拌樁柵格加固基底，加固深度為基坑底部以下土體3m?；硬捎?000mm厚的連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，深50m，插入比為1∶0.85，沿基坑深度方向設(shè)置8道支撐加1道換撐，第1道、第5道為800mm×1000mm鋼筋混凝土支撐，第2道至第4道為Ф 609(t=16mm)鋼支撐，第6道至第8道為Ф 800(t=20mm)鋼支撐，支撐設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 車站基坑平面圖

表1 支撐設(shè)計(jì)參數(shù)序號(hào)斜撐數(shù)量對(duì)撐數(shù)量形心標(biāo)高截面尺寸預(yù)加壓力/(kN·m-1)第1道砼支撐825.5800 mm×1 000 mm無(wú)第2道鋼支撐1641.4Ф609(t=16 mm)230第3道鋼支撐164-2.1Ф609(t=16 mm)370第4道鋼支撐164-5.4Ф609(t=16 mm)400第5道砼支撐82-8.7800 mm×1 000 mm無(wú)第6道鋼支撐164-11.9Ф800(t=20 mm)730第7道鋼支撐164-15Ф800(t=20 mm)300第8道鋼支撐164-17.8Ф800(t=20 mm)850

原設(shè)計(jì)地連墻深50m，插入比為1∶0.85，車站段左線地連墻入巖深度達(dá)到了5m，插入巖性較好的中風(fēng)化下段凝灰?guī)r約2.4m。因中風(fēng)化下段凝灰?guī)r的天然單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到了28.9MPa，成槽機(jī)難以挖動(dòng)，且使用沖擊鉆或雙輪銑成槽機(jī)速度極慢，對(duì)工期、成本及槽段的穩(wěn)定性都造成了極大的影響。1號(hào)線右線車站段情況與2號(hào)線左線車站段地質(zhì)情況相似，現(xiàn)擬對(duì)這兩側(cè)的地連墻入巖深度進(jìn)行優(yōu)化，減少地連墻入巖深度2m，優(yōu)化后地連墻深48m，插入比為1∶0.78，入中風(fēng)化下段凝灰?guī)r約0.4m。利用FLAC 3D軟件對(duì)深度優(yōu)化后的地連墻穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，如其變形受控，符合設(shè)計(jì)要求，則說(shuō)明此優(yōu)化是可行的[1-4]。

2 模型建立

FLAC是連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析方法(Fast lagrangian analysis of continua)的英文縮寫，采用顯式有限差分格式來(lái)求解場(chǎng)的控制微分方程，并應(yīng)用了混合單元離散模型，可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過(guò)程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 結(jié)構(gòu)單元和本構(gòu)模型的選用

模型由2部分組成:實(shí)體模型部分(包括土體和地下連續(xù)墻)、結(jié)構(gòu)單元部分(包括混凝土支撐和鋼支撐)。

支撐采用FLAC中的梁?jiǎn)卧?，樁土之間采用接觸單元。

巖土體本構(gòu)模型選用摩爾-庫(kù)侖彈塑性模型進(jìn)行計(jì)算；地連墻采用彈性各向同性模型進(jìn)行計(jì)算，

2.2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)的確定

基坑開(kāi)挖面積和深度較大；該段所處位置周邊管線眾多，對(duì)基坑變形要求大；工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜；設(shè)計(jì)中砼支撐的對(duì)撐位置不對(duì)稱。為了更好地分析基坑整體的穩(wěn)定性及開(kāi)挖對(duì)周邊土體的影響，也為了讓計(jì)算分析更具有實(shí)質(zhì)性價(jià)值，對(duì)基坑進(jìn)行整體建模。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家和地方規(guī)范的要求，參考已有的研究成果[5-7]，基坑開(kāi)挖的影響范圍為3～5倍開(kāi)挖深度，整個(gè)模型的尺寸為120 m×176 m×48 m；為減少不必要的網(wǎng)格，加快計(jì)算速度，網(wǎng)格劃分原則為基坑附近密集、遠(yuǎn)處稀疏，模型共有單元56000個(gè)。

土層的壓縮模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、密度由地勘報(bào)告獲取，不全的數(shù)據(jù)由參考文獻(xiàn)[8]獲取；泊松比、彈性模量由參考文獻(xiàn)[8-9]獲??；三軸攪拌樁水泥土由參考文獻(xiàn)[10]獲取。本研究選用42.5號(hào)礦渣硅酸鹽水泥，水泥摻量為21%，水泥土參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求(坑底加固所采用的水泥強(qiáng)度不低于PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥摻量不宜小于20%)。土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2；參考相關(guān)資料計(jì)算得到支撐物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表3。

表2 地質(zhì)土層參數(shù)土層編號(hào)類別厚度/m泊松比剪切模量/MPa體積模量/MPa內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/kPa密度/(kg·m-3)①1碎石填土1.50.152.72.92021 886①2素填土1.50.23.24.31231 835③1-1泥炭質(zhì)土2.50.40.251.25.07.01 529④1-2淤泥質(zhì)粘土40.420.32.016.510.21 723④2粉質(zhì)粘土50.252.13.421.640.91 998④3粉質(zhì)粘土夾粉土80.351.03.119.731.31 896⑤2粉質(zhì)粘土7.50.350.82.417.519.71 855⑦2粉質(zhì)粘土70.312.112221 845⑧1-1含砂粉質(zhì)粘土40.31.43.019221 957⑧2-1粉質(zhì)粘土30.252.13.617.5601 998⑨2-1含礫粉質(zhì)粘土10.41.77.818592 018⑨1全風(fēng)化凝灰?guī)r1.50.238.713.317431 906 2強(qiáng)風(fēng)化巖0.70.230.04027241 989 3-1中風(fēng)化上段凝灰?guī)r0.40.161.72×1041.96×104372502 720 3-2中風(fēng)化下段凝灰?guī)r2.40.13.63×1043.33×104455003 150

表3 支撐物理力學(xué)參數(shù)類別彈性模量/Pa泊松比截面積/m2截面慣性矩/m4截面慣性矩/m4截面慣性積砼支撐3×10100.20.84.27×10-26.67×10-20鋼支撐2×10110.33×10-21×10-31×10-30

2.3 模型優(yōu)化及邊界條件

1)土層參數(shù)按照車站左線地質(zhì)確定。

2號(hào)線右線車站段地連墻入巖深度最大為3.7m，最小為1.43m，平均入巖深度為2.48m；墻趾基本處于弱風(fēng)化凝灰?guī)r層，只有5.3m寬的地連墻插入中風(fēng)化上段凝灰?guī)r約0.4m。右線土層性狀比左線好，施工難度相比左線較小，故暫不考慮右線的優(yōu)化，1號(hào)線左線車站段與2號(hào)線右線車站段地質(zhì)狀況相似也暫不考慮。本研究以2號(hào)線左線車站段參數(shù)建模，計(jì)算主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如能保持穩(wěn)定，則說(shuō)明優(yōu)化是可行的，在此基礎(chǔ)上可以適當(dāng)考慮對(duì)另兩側(cè)主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化；如不能保持穩(wěn)定，則繼續(xù)確定適當(dāng)?shù)膬?yōu)化參數(shù)，直到優(yōu)化成功為止。

2)本次建模不考慮地下水的作用。

擬建場(chǎng)地承壓水主要分布于深部的④3層和⑧1-1層砂質(zhì)粉土，車站基坑范圍內(nèi)不存在這2種土層；孔隙潛水主要存在于表層填土和淺部粉土、粘土、淤泥質(zhì)土層中，基坑開(kāi)挖前會(huì)進(jìn)行降水處理，加上地連墻的隔斷作用，本次建模中可以不考慮地下水的作用。

3)確定邊界條件。

以基坑底面為x、y平面，基坑底面垂直方向?yàn)閦方向，基坑底面邊寬中點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)軸，如圖2所示。

圖2 模型坐標(biāo)示意圖

邊界條件為：x、y、z這3個(gè)方向上的位移設(shè)定為0；頂部取為自由邊界； 初始地應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力，場(chǎng)地?zé)o其他附加應(yīng)力。

建立的基坑模型如圖3所示。

圖3 基坑模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 基坑底部隆起

本次模擬分為8個(gè)工況，每一工況進(jìn)行一次開(kāi)挖加一道支撐，每一次開(kāi)挖完以后設(shè)定支撐參數(shù)，嚴(yán)格按實(shí)際施工順序進(jìn)行。

基坑底部z方向的位移見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 基坑z方向位移圖

圖5 z方向位移剖面圖

由圖4可知,基坑底部隆起的最大區(qū)域在基坑中心5×1.3m的橢圓區(qū)域，區(qū)域走向同基坑一致，z方向位移約為43cm；位移沿此區(qū)域向地連墻處依次遞減，至靠近地連墻約1m區(qū)域，位移減小至2mm；地連墻及周邊6m范圍內(nèi)土體的向上位移也約為2mm。由此可知，基坑隆起主要發(fā)生在基坑中心處，且位移等值區(qū)域呈橢圓形，長(zhǎng)寬軸線與基坑長(zhǎng)寬方向一致，地連墻及周邊土體的隆起值極小。由圖5可知，基坑隆起主要發(fā)生在基坑底部下面15m范圍內(nèi)，超過(guò)此區(qū)域基本沒(méi)有影響,影響深度與開(kāi)挖深度的比值為1∶1.8。

3.2 基坑水平位移

基坑x、y方向位移圖分別見(jiàn)圖6、圖7。由圖6、圖7可以看出,基坑整體水平位移向基坑開(kāi)挖區(qū)域移動(dòng)，且基本沿x、y軸對(duì)稱。就基坑底部來(lái)說(shuō)，位移最大區(qū)域在距離地連墻1m附近，此區(qū)域的大小與基坑開(kāi)挖面的寬度有直接關(guān)系，開(kāi)挖面寬度越大則對(duì)應(yīng)的位移最大區(qū)域面積越大；水平位移向基坑中心逐漸遞減。選取基坑中心點(diǎn)查看(見(jiàn)圖8)，基坑中心x方向位移約為4mm；y方向位移極小可以忽略不計(jì)；z方向位移為43cm，與前面基坑隆起結(jié)果一致。

圖6 基坑x方向位移圖

圖7 基坑y方向位移圖

圖8 基坑中心節(jié)點(diǎn)位移

從圖8可以看出,在基坑開(kāi)挖長(zhǎng)邊一側(cè)地連墻接近中心位置有一橢圓應(yīng)變集中區(qū)域，距離基底約4m，基頂約9.5m，左、右兩側(cè)地連墻約11m；其中心位置距離基坑頂部約15.5m，y方向位移約為6mm，正好是第5道砼支撐的位置。因此，可以推測(cè)第5道砼支撐的2個(gè)對(duì)撐受力相對(duì)較大，使地連墻在此處產(chǎn)生了相對(duì)其他位置較大的位移，雖在安全范圍之內(nèi)，實(shí)際施工時(shí)仍需加強(qiáng)對(duì)此處的監(jiān)控。而在x方向位移圖上沒(méi)看到此應(yīng)變集中區(qū)域，出現(xiàn)此種情況可能與基坑開(kāi)挖面的寬度和支撐的設(shè)置有關(guān)，開(kāi)挖面越小出現(xiàn)此種情況的幾率越小。對(duì)于出現(xiàn)此種情況的基坑開(kāi)挖面寬度臨界值，及其與開(kāi)挖深度、支撐數(shù)量、支撐位置的關(guān)系在以后研究考證。在此工程中，砼支撐對(duì)應(yīng)變的影響范圍約為7 m，可以為以后類似工程提供借鑒。

綜上所述，基坑的位移基本相對(duì)x、y軸對(duì)稱，在研究基坑的頂部位移時(shí)，可以選取基坑頂部y軸正方向的1個(gè)角點(diǎn)、1個(gè)長(zhǎng)邊中心點(diǎn)、1個(gè)寬邊中心點(diǎn)為控制點(diǎn)來(lái)進(jìn)行研究。這3個(gè)點(diǎn)隨著基坑開(kāi)挖的水平位移變化如表4所示。

表4 基坑頂部控制點(diǎn)水平位移m工況序號(hào)基坑角點(diǎn)基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)基坑短邊中點(diǎn)x方向y方向x方向y方向x方向y方向第1道2.2×10-52.5×10-5-9.6×10-73.7×10-42.0×10-41.6×10-6第2道-2.2×10-52.8×10-5-1.4×10-55.8×10-46.0×10-46.5×10-7第3道-1.7×10-54.0×10-5-5.7×10-67.9×10-45.9×10-46.6×10-8第4道-7.1×10-57.9×10-5-7.1×10-75.0×10-45.7×10-41.2×10-6第5道-8.4×10-58.6×10-5-8.2×10-66.7×10-45.1×10-4-2.4×10-5第6道-1.1×10-48.6×10-5-1.1×10-56.7×10-44.3×10-4-2.0×10-5第7道-1.2×10-48.8×10-5-1.2×10-67.0×10-43.5×10-4-1.7×10-5第8道-1.5×10-48.4×10-5-1.4×10-57.0×10-42.8×10-41.4×10-6

基坑開(kāi)挖到底時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移如表5所示。

表5 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移cmx方向最大位移y方向最大位移3.73.8

由表4、表5可以看出，基坑頂部整體位移極小，最大位移滿足設(shè)計(jì)位移不大于0.003H的要求。側(cè)邊法向位移都沿基坑開(kāi)挖方向，且總比切向位移大。角點(diǎn)在x、y方向上的位移相差不大，且方向?yàn)榛油獠糠聪?，說(shuō)明角點(diǎn)受張拉作用，這也使得角點(diǎn)處的應(yīng)力會(huì)增大，施工中需加強(qiáng)對(duì)此處的監(jiān)控。

3.3 圍護(hù)受力及穩(wěn)定性分析

圖9 y方向應(yīng)力圖

圖10 x方向應(yīng)力圖

x、y軸方向應(yīng)力圖分別見(jiàn)圖9、圖10。由圖可知，地連墻法向應(yīng)力變化起伏不大；切線方向墻體受兩側(cè)墻體及土壓力擠壓變化起伏較大，主要為壓應(yīng)力，在基坑底部時(shí)最大，最大值為2.7MPa，滿足結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度。值得注意的是，基坑角點(diǎn)出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中區(qū)域，雖然數(shù)值僅0.1～0.2MPa，但比周邊應(yīng)力大，基坑開(kāi)挖時(shí)需加強(qiáng)監(jiān)控，與前面基坑角點(diǎn)位移分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中水平位移、豎向位移及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)入巖深度2m是滿足基坑穩(wěn)定要求的。

2) 基坑隆起主要發(fā)生在基坑中心處，且位移等值區(qū)域呈橢圓形；基坑隆起主要發(fā)生在基坑底部下面15m范圍內(nèi)，超過(guò)此區(qū)域基本沒(méi)有影響，影響深度與開(kāi)挖深度的比值為1∶1.8。

3) 第5道砼支撐的2個(gè)對(duì)撐受力相對(duì)較大，使地連墻在此處產(chǎn)生了相對(duì)其他位置較大的位移，實(shí)際施工時(shí)需加強(qiáng)對(duì)此處的監(jiān)控。

4) 基坑角點(diǎn)受張拉作用，角點(diǎn)處應(yīng)力集中，施工中需對(duì)此處加強(qiáng)監(jiān)控。