吳仲瑞，宋智勇，陸何，周貴貴

（1.中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100；2.合肥工大共達(dá)工程檢測試驗有限公司，安徽 合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

近些年來，為解決城市土地資源緊張和交通擁擠問題，城市地下空間得以大規(guī)模開發(fā)，而基坑工程作為地下空間開發(fā)必不可少的一環(huán)，其安全問題也越來越受到人們的重視。在實際施工過程中，鋼支撐架設(shè)滯后這種不規(guī)范的操作將給基坑施工帶來安全隱患。湯瑞[1]利用有限元軟件MIDAS對基坑施工過程進(jìn)行仿真模擬，以超挖厚度表征錨索安裝不及時程度，研究了錨索滯后安裝對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形以及地表沉降的影響規(guī)律。胡之鋒[2]采用有限元軟件PLAXIS，建立有限元分析模型，以超挖厚度大小表征鋼支撐滯后架設(shè)的程度，研究了不同位置鋼支撐出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形及基坑周圍地表沉降影響。代祥[3]以武漢地鐵2號線機(jī)場線盤龍城車站出入口基坑為例，采用有限元軟件PLAXIS 2D建立有限元模型，模擬分析基坑開挖過程有無架設(shè)鋼支撐，對圍護(hù)樁內(nèi)力變化規(guī)律。

本文以合肥市軌道交通5號線黃河路車站基坑為例，采用有限差分軟件FLAC3D對其進(jìn)行三維建模，以超挖厚度的不同表征鋼支撐架設(shè)滯后程度的不同，模擬計算基坑開挖過程中鋼支撐架設(shè)滯后的不利工況，分析鋼支撐架設(shè)滯后程度不同對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地表沉降的影響大小。

1 工程概況

黃河路車站主體結(jié)構(gòu)總長158m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)寬度21.9m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為23.11～23.50m，南側(cè)端頭井段基坑深度為24.87m，北側(cè)端頭井段基坑深度為25.44m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用Φ1000@1300鉆孔灌注樁排樁，標(biāo)準(zhǔn)段支撐體系為一道鋼筋混凝土支撐和三道鋼支撐，南北兩側(cè)端頭井段為一道鋼筋混凝土支撐和四道鋼支撐。

根據(jù)黃河路站巖土工程勘察報告，車站土體參數(shù)如表1所示。

地下水主要有上層滯水以及基巖孔隙、裂隙水。淺部地下水主要賦存于素填土中，以上層滯水為主，水量微弱。勘探期間測得水位埋深為0.20～3.80m。基巖裂隙水主要賦存于巖石強(qiáng)、中風(fēng)化帶中，本車站基巖孔隙水埋藏較深，層頂埋深48.20～49.00m。地下水徑流形式主要為孔隙間滲流。黏土和全風(fēng)化巖富水性及透水性較差，連通性差，因此地下水徑流一般。

2 基坑模型建立與工況設(shè)置

2.1 模型建立

以黃河路地鐵車站基坑為工程背景，通過有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值分析模型。根據(jù)基坑幾何尺寸，擬定模型尺寸為280.2m×148.6m×73m(X×Y×Z)。模型共劃分為514580個單元、546256個節(jié)點，模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格示意圖

土體本構(gòu)采用莫爾-庫倫模型，土體介質(zhì)均假設(shè)為非線性、彈塑性介質(zhì)材料[4-5]，模型中土體參數(shù)見表1。模型中排樁深度為37m，冠梁寬為1.5m，高1m。冠梁和排樁都采用實體單元，選取各向同性彈性模型，支撐體系采用beam結(jié)構(gòu)單元[6]。模型材料參數(shù)如表2所示。

根據(jù)基坑整體變形受力特點，確定模型邊界條件為：在模型的底面（Z=-36m)處施加豎向約束，在模型的四個側(cè)面（X=-60.8m，X=219.4m，Y=-60.8m，Y=87.8m）處施加水平約束，模型的頂面（Z=37m）為自由面，不施加任何約束。

土體參數(shù) 表1

模型材料參數(shù) 表2

鋼支撐滯后架設(shè)工況設(shè)置 表3

2.2 工況設(shè)置

第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，第二、三、四道支撐均為鋼支撐，為便于研究各道鋼支撐架設(shè)滯后的影響幅度，因此以土體超挖厚度大小表征鋼支撐滯后架設(shè)程度(超挖厚度越大，鋼支撐滯后架設(shè)程度越大)，工況設(shè)置如表3所示。

3 計算結(jié)果分析

利用FLAC3D分別模擬計算三道鋼支撐在不同滯后程度 (超挖1m、2m、3m、4m)下，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和基坑外土體地表沉降的變化情況。

3.1 樁體側(cè)向位移

由于工況1模擬的是正常按設(shè)計架撐，故將工況2、工況3、工況4的數(shù)值模擬結(jié)果與工況1進(jìn)行對比分析，工況2、工況3、工況4的樁體側(cè)向位移沿深度方向的分布如圖2所示，圖中超挖0m均是工況1計算得到的樁體側(cè)向位移。

在工況1下，所有支撐均按設(shè)計架設(shè)，此時樁體最大側(cè)向位移為23.4mm。在工況2下，第二道支撐架設(shè)滯后，當(dāng)超挖厚度為1m時，樁體最大側(cè)向位移為26.2mm，當(dāng)超挖厚度達(dá)到4m時，樁體最大側(cè)向位移增至35.4mm。樁體側(cè)向位移隨超挖厚度的增加而增大，在樁體深度方向中部增長得較多，在兩端增長較小。

由圖2可以看出，在工況3和工況4下，第三、四道支撐架設(shè)滯后時，樁體側(cè)向位移變化規(guī)律與工況2類似，但隨超挖厚度的改變，樁體最大側(cè)向位移有所不同。在工況3下，第三道支撐架設(shè)滯后，當(dāng)超挖厚度為1m時，樁體最大側(cè)向位移為26.7mm，當(dāng)超挖厚度達(dá)到4m時，樁體最大側(cè)向位移增至36.4mm。在工況4下，第四道支撐架設(shè)滯后，當(dāng)超挖厚度為1m時，樁體最大側(cè)向位移為25.6mm，當(dāng)超挖厚度達(dá)到4m時，樁體最大側(cè)向位移增至34.7mm。

以超挖厚度為x軸，以樁體最大側(cè)向位移為y軸，數(shù)據(jù)分布接近于直線，采用一次多項式y(tǒng)=ax+b來擬合超挖厚度與樁體最大側(cè)向位移的關(guān)系，擬合的結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在超挖厚度為0～4m的范圍內(nèi)，各工況下超挖厚度與樁體最大側(cè)向位移均有著良好的線性關(guān)系。在工況2下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與樁體最大側(cè)向位移的線性回歸線為y=2.97x+23.28，由此可得出，在第二道支撐滯后時，超挖厚度達(dá)到2.26m時，樁體最大側(cè)向位移剛好達(dá)到控制值30mm。在工況3下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與樁體最大側(cè)向位移的線性回歸線為y=3.22x+23.46，由此可得出，在第三道支撐滯后時，超挖厚度達(dá)到2.03m時，樁體最大側(cè)向位移剛好達(dá)到控制值30mm。在工況4下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與樁體最大側(cè)向位移的線性回歸線為y=2.82x+22.96，由此可得出，在第四道支撐滯后時，超挖厚度達(dá)到2.50m時，樁體最大側(cè)向位移剛好達(dá)到控制值30mm。

圖2 樁體側(cè)向位移

圖3 超挖厚度與樁體最大側(cè)向位移的關(guān)系

圖4 地表沉降

圖5 超挖厚度與地表沉降最大值的關(guān)系

3.2 地表沉降

將工況2、工況3、工況4的數(shù)值模擬結(jié)果與工況1進(jìn)行對比分析，工況2、工況3、工況4的地表沉降的分布如圖4所示，圖中超挖0m均是工況1計算得到的地表沉降。

由圖4可以看出，三種工況下基坑外土體地表沉降呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律：地表沉降曲線都呈現(xiàn)為先增大后減小的“勺型”分布；各個工況下在距坑邊5m以外的地表沉降量都是隨超挖厚度的增加而增大的，而在距坑邊5m以內(nèi)的土體由于靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地表沉降量隨超挖厚度的增加變化很小。

各工況隨超挖厚度的改變，地表沉降最大值是不同的。與研究樁體最大側(cè)向位移類似，以超挖厚度為x軸，以地表沉降最大值為y軸，采用一次多項式y(tǒng)=ax+b來擬合超挖厚度與地表沉降最大值的關(guān)系，擬合的結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，在超挖厚度為0～4m的范圍內(nèi)，三種工況下超挖厚度與地表沉降最大值均有著良好的線性關(guān)系。在工況2下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與地表沉降最大值的線性回歸線為y=0.444x+4.144。在工況3下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與地表沉降最大值的線性回歸線為y=0.469x+4.168。在工況4下，利用最小二乘法得到的超挖厚度與地表沉降最大值的線性回歸線為y=0.401x+4.072。在三種工況下，地表沉降最大值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制值30mm。

4 總結(jié)

以黃河路地鐵車站基坑工程為研究對象，基于FLAC3D軟件，以超挖厚度表征鋼支撐架設(shè)滯后程度，分析鋼支撐滯后架設(shè)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和地表沉降的影響程度，得出以下結(jié)論：

①三種工況下樁體側(cè)向位移隨超挖厚度的增加而增大，在沿樁體深度方向中部增長得較多，在兩端增長較??；

②在超挖厚度為0～4m的范圍內(nèi)，三種工況下超挖厚度與樁體最大側(cè)向位移均有著良好的線性關(guān)系；樁體最大側(cè)向位移達(dá)到控制值30mm時，第二、三、四道支撐超挖厚度分別不得超過2.26m、2.03m、2.50m；

③三種工況下基坑外土體地表沉降均呈現(xiàn)為先增大后減小的“勺型”分布，在距坑邊5m以外的地表沉降量都是隨超挖厚度的增加而增大的，而在距坑邊5m以內(nèi)的土體由于靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地表沉降量隨超挖厚度的增加變化很??；

④在超挖厚度為0～4m的范圍內(nèi)，三種工況下超挖厚度與地表沉降最大值均有著良好的線性關(guān)系，在三種工況下，地表沉降最大值都遠(yuǎn)小于控制值30mm。