羅智勇， 宋林波，丁增志， 成啟航， 王海倫

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031；2. 西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

近些年來，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵車站基坑工程呈現(xiàn)出顯著特點(diǎn)：工程規(guī)模越來越大；地鐵車站、地下停車場、地下?lián)Q乘和商業(yè)大廳一體化，基坑形狀越來越復(fù)雜；開挖深度超過20 m的基坑越來越多[2-4]。地鐵車站深基坑的施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，工程事故屢屢發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。

對于城市深基坑工程而言，因其周邊環(huán)境的復(fù)雜性和基坑工程的重要性，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)得到高度重視，基坑邊坡的穩(wěn)定性要求均能得到滿足。但由于基坑深度較大，開挖卸荷土體方量大，周圍環(huán)境對變形敏感，因此，基坑工程對變形控制越來越嚴(yán)格。深基坑變形分析一般采用理論方法和數(shù)值分析法。

在理論方法中，對深基坑工程中的變形預(yù)測和影響因素的研究尤為重要。其中，有學(xué)者利用數(shù)量化理論，配合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對基坑變形的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究；還有學(xué)者通過對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的趨勢性分析和對小波去噪、極限學(xué)習(xí)機(jī)等模型的使用，總結(jié)了基坑變形預(yù)測的理論方法。而對于相對復(fù)雜或者特殊地基的地下空間深基坑工程，也有不少人對其變形規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。這些都為后人提供了有效的科研經(jīng)驗(yàn)。

而在數(shù)值分析計(jì)算中，大多以運(yùn)用有限元分析軟件為主，對深基坑在不同工況下的變形特性進(jìn)行數(shù)值分析。例如運(yùn)用FLAC3D、ABAQUS等軟件對開挖過程中的基坑地表沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體變形等規(guī)律進(jìn)行分析；也可運(yùn)用PLAXIS3D、GTS等軟件對深基坑開挖支護(hù)過程進(jìn)行模擬，從而對工程各個(gè)階段基坑的地表沉降、支護(hù)位移、土體變形進(jìn)行分析研究。這些都是深基坑工程中對變形沉降進(jìn)行數(shù)值分析的有效方法。

本文以成都錦城廣場P+R地下停車場項(xiàng)目三線換乘區(qū)域基坑為依托，采用國際通用的巖土數(shù)值分析軟件FLAC3D開展復(fù)雜深基坑的變形分析。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

錦城廣場P+R地下停車場項(xiàng)目三線換乘區(qū)域基坑體系位于成都市環(huán)球中心東側(cè)，施工區(qū)域長591 m，寬213 m，占地面積約242 000 m2?；觾?nèi)規(guī)劃三條軌道交通線路，分別為16號、18號和29號線，其坑底深度分別為-24 m、-32 m和-41 m。三條軌道線路兩兩銳角相交形成坑底標(biāo)高-24 m的三角換乘大廳。換乘大廳區(qū)域基坑為坑中坑的形式，最深處達(dá)-41 m，基坑周邊環(huán)境復(fù)雜。基坑體系平面形態(tài)如圖1所示。

圖1 基坑體系平面

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地勘資料，施工區(qū)域表層為第四系全新新統(tǒng)人工填土(Q4ml)，以雜填土為主，其下為全新統(tǒng)沖積(Q4al)黏土、粉土、上更新統(tǒng)冰水沖積、沖積(Q3fgl+al)砂石及卵石土，下伏基巖為白堊系灌口組(K2g)泥巖，泥巖中有灰綠色斑點(diǎn)及條帶，局部不均勻夾條帶狀及團(tuán)塊狀石膏及芒硝。工程區(qū)內(nèi)施工期間持續(xù)降水，水位低于坑底1 m。地下水的補(bǔ)給類型主要為大氣降水補(bǔ)給。地下水主要包括賦存于黏土層之上的上層滯水、第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。

1.3 主要基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

錦城廣場站既有18號線主體結(jié)構(gòu)為地下四層的島式車站，南北走向，站臺位于地下四層，總長約367.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬約21.7 m，底板埋深約32.0 m。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括圍護(hù)樁、鋼支撐、格構(gòu)柱、預(yù)應(yīng)力錨索。圍護(hù)樁均為φ1200@1800 mm的鉆孔灌注樁，采用C35級混凝土。不同開挖區(qū)域分別具有不同的樁長和錨固深度。樁頂施作冠梁用以減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

支撐采用φ609 mm，壁厚16 mm的鋼管支撐，為Q235B級鋼。不同開挖區(qū)域分別具有不同的支護(hù)情況。預(yù)應(yīng)力錨索均采用M30級水泥砂漿作為灌漿材料，間距1.8 m，自由端頭施作圍檁用以減小支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。不同開挖區(qū)域分別具有不同的支護(hù)情況。

2 數(shù)值計(jì)算模型

綜合考慮實(shí)際工程的復(fù)雜性、周邊環(huán)境的敏感性、數(shù)值計(jì)算精度、計(jì)算速度等影響因素，建模范圍主要包括16號線、18號線、29號線基坑和三線所圍成的三角換乘區(qū)域基坑。三維實(shí)體模型尺寸為516 m×423 m×60 m。對三維實(shí)體模型進(jìn)行離散處理，網(wǎng)格劃分完成后，模型總計(jì)2 900 994個(gè)單元，507 542個(gè)節(jié)點(diǎn)。

主體結(jié)構(gòu)的樓板和外墻采用FLAC3D內(nèi)置的殼單元模擬，結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)梁、冠梁、支撐、格構(gòu)柱和圍檁采用梁單元模擬，圍護(hù)樁采用樁單元模擬，預(yù)應(yīng)力錨索采用錨索單元模擬?；芋w系三維數(shù)值模型和結(jié)構(gòu)空間位置如圖2、圖3所示。

計(jì)算邊界條件采用位移邊界，底部約束全部位移，側(cè)面約束相應(yīng)正向位移，切向位移不約束。

綜合考慮研究區(qū)內(nèi)土體的性質(zhì)，將地層簡化為硬塑黏土層、中密卵石土層和中風(fēng)化泥巖層。根據(jù)工程地勘資料并結(jié)合地區(qū)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，各地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

既有18號線結(jié)構(gòu)，樓板和側(cè)墻混凝土強(qiáng)度等級為C45，彈性模量E=33.5GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2500kg/m3。圍護(hù)樁混凝土強(qiáng)度等級為C35，鋼筋等級為HPB300，樁體配筋為32φ25 mm，彈性模量近似取值為E=31.5GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2500kg/m3。鋼支撐采用Q235B級鋼，彈性模量E=200 GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=7850kg/m3。預(yù)應(yīng)力錨索，對于6束15.2 mm的1 860級鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索，彈性模量取值為E=183.1GPa。對于4束15.2 mm的1 860級鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索，彈性模量取值為E=186.8GPa。

根據(jù)工程施工順序，總計(jì)分為4個(gè)計(jì)算工況。

3 計(jì)算成果分析

3.1 18號線主體結(jié)構(gòu)位移

基坑開挖完成后，主體結(jié)構(gòu)有最大合位移約2.14 mm，位于18號線主體結(jié)構(gòu)與換乘區(qū)域基坑北端相交處，如圖4所示。其中，18號線主體結(jié)構(gòu)的第一層樓板最大水平位移約2.12 mm，位于18號線主體結(jié)構(gòu)與換乘區(qū)域基坑北端相交處。18號線主體結(jié)構(gòu)的第五層樓板最大回彈位移約1.50 mm，位于18號線主體結(jié)構(gòu)與29號線基坑相交處。GJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)，水平及豎向位移預(yù)警值應(yīng)小于10 mm。主體結(jié)構(gòu)的位移在規(guī)范要求的安全控制指標(biāo)范圍內(nèi)。

(a)18號線主體結(jié)構(gòu)合位移

3.2 基坑體系土體位移

基坑開挖完成后，基坑土體最大合位移約9.33 mm，位于29號線基坑側(cè)壁頂部，如圖5所示。其中，29號線基坑底部最大豎向回彈位移約8.77 mm，29號線基坑側(cè)壁頂部最大水平位移約6.51 mm?；油馏w位移均在GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求的安全控制指標(biāo)范圍內(nèi)。因此，在基坑開挖、支護(hù)的全過程中，基坑土體都是安全穩(wěn)定的。

圖5 基坑體系合位移

3.3 圍護(hù)樁位移

基坑開挖完成后，圍護(hù)樁最大合位移約6.46 mm，位于29號線基坑中部，如圖6所示。該工況下圍護(hù)樁的最大合位移位置與基坑土體的最大水平位移位置相同。

圖6 圍護(hù)樁合位移

4 結(jié)束語

本文以成都錦城廣場地鐵深基坑工程為依托，建立復(fù)雜空間形態(tài)深基坑的數(shù)值計(jì)算模型，采用FLAC3D軟件模擬基坑開挖、支護(hù)全過程，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析基坑的變形。

計(jì)算結(jié)果表明，基坑完全開挖后，既有18號線主體結(jié)構(gòu)最大合位移約2.14 mm，基坑土體最大合位移約9.33 mm，圍護(hù)樁最大合位移約6.46 mm。根據(jù)規(guī)范要求，城市軌道交通結(jié)構(gòu)水平及豎向位移預(yù)警值應(yīng)小于10 mm，既有18號線地鐵結(jié)構(gòu)能夠得到有效保護(hù)。而基坑變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形也在規(guī)范允許范圍內(nèi)，基坑施工過程的邊坡安全穩(wěn)定可以得到保證。

對于既有地鐵主體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形態(tài)基坑體系，設(shè)計(jì)中不僅需要考慮基坑之間的相互作用，還要考慮基坑土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)以及主體結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，任何解析方法都不能進(jìn)行計(jì)算分析。本文采用FLAC3D程序，建立三維數(shù)值分析模型，模擬了基坑施工全過程，評價(jià)了基坑變形及對既有車站結(jié)構(gòu)的影響，論證了三維數(shù)值方法在復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)基坑工程分析中的有效性。