周 濤，徐楊青

(1.武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430205；2.中煤科工集團(tuán) 武漢設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)利用，基坑開挖深度越來越深，開挖面積也越來越大；越來越多的超深基坑、超大基坑，各種特殊巖土介質(zhì)(如長江一級階地、濱海地區(qū)高承壓水頭及富水地層，深厚軟土、黃土及膨脹性巖土地層)和各種嚴(yán)峻環(huán)境條件下地鐵建設(shè)中的深基坑工程更是給廣大巖土工程技術(shù)人員帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，深基坑工程問題也越來越多，成為工程建設(shè)中的難點、熱點問題[1-3]。同時，由于地鐵基坑多數(shù)位于城市中心，建設(shè)場地周邊環(huán)境復(fù)雜。鑒于此，已有不少學(xué)者通過數(shù)值軟件來模擬研究地鐵深基坑開挖對周邊環(huán)境及基坑本身的影響。例如，謝樂等[4]采用Midas軟件建立地鐵車站三維模型，針對基坑不同圍護(hù)型式進(jìn)行敏感性分析，研究表明圍護(hù)樁+內(nèi)支撐支護(hù)型式對基坑變形有較強(qiáng)的限制作用；高彥斌[5]通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對基坑立柱隆起進(jìn)行分析，結(jié)果表明基坑開挖方式和底板澆筑工序?qū)α⒅∑鹩休^大影響，且基坑立柱隆起具有明顯的空間效應(yīng)；郭抗美等[6]依托天津某軟土地區(qū)深基坑工程,對基坑開挖過程進(jìn)行監(jiān)測，并利用FLAC 3D軟件對基坑開挖支護(hù)進(jìn)行模擬，得到了最大側(cè)向位移的公式；岳云鵬等[7]通過三維有限元模型，研究分塊開挖基坑對下臥盾構(gòu)隧道保護(hù)的有效性，結(jié)果表明分塊數(shù)量越多對隧道豎向位移控制效果越好；郜新軍等[8]通過有限元分析方法，分析了深基坑開挖過程中鄰近管線的位移變化規(guī)律，提出了注漿法、微型樁法及二者聯(lián)合的三種管線加固措施，結(jié)果表明二者聯(lián)合方法可很好地控制管線的水平及豎向位移。本文以武漢地鐵某車站深基坑工程為背景，結(jié)合土體開挖過程中基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Midas GTS NX軟件建立車站深基坑的三維數(shù)值仿真模型，對基坑的開挖和支護(hù)施工過程進(jìn)行模擬，對比研究數(shù)值仿真計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)深基坑工程在施工過程中的變形規(guī)律。

1 工程概況

1.1 車站基本情況

擬建車站為地下兩層米島式車站。車站總建筑面積17 609.8 m2，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.3 m，車站主體基坑開挖深度20.49～23.49 m，開挖面積5 347 m2，車站采用明挖法施工，主體采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+五道內(nèi)支撐。圍護(hù)樁布置方案為1 000 mm@1 200 mm，插入深度36 m?；又ёo(hù)及監(jiān)測平面圖如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)及監(jiān)測平面圖Fig.1 Plan of foundation pit support and monitoring

1.2 場區(qū)地質(zhì)條件

車站地貌單元主要為剝蝕堆積壟崗狀平原(長江Ⅲ級階地)，局部為湖泊堆積平原(長江Ⅱ級階地)、剝蝕丘陵區(qū)。場地覆蓋層主要有人工填土、第四系粉質(zhì)粘土、長江古河道地層。各巖土層工程特征情況如下：

2 基坑監(jiān)測

根據(jù)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)型式及周邊環(huán)境，本項目主要對周邊地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測。由于本文篇幅有限，僅對部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和地表沉降進(jìn)行分析。

3 基坑有限元模型建立

采用有限元軟件Midas GTS NX建立基坑模型，對基坑開挖和支護(hù)各階段進(jìn)行模擬分析[9]。從圖1可知，擬建車站基坑為長條形，由勘察報告可知，地層分布沿車站縱向起伏不大，按各土層水平建模，基坑所處地層自上而下分別為雜填土、粘土、粉土、粉細(xì)砂、砂巖，各土層厚度和物理參數(shù)見表1。同時，場地1～2倍基坑深度范圍內(nèi)無建筑物和對分析造成明顯影響的外荷載，基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬為21 m，開挖深度取22 m，考慮邊界效應(yīng)的影響，土體模型尺寸沿基坑水平方向取4倍的基坑開挖深度，沿深度方向取3倍的基坑開挖深度。因此模型尺寸為360 m×184 m×65 m，將圍護(hù)樁按剛度等效成地下連續(xù)墻，采用板單元模擬、混凝土支撐，鋼支撐采用彈性本構(gòu)、梁單元模擬，土體采用修正摩爾庫倫本構(gòu)，修正摩爾庫倫本構(gòu)采用不同的加荷與卸荷模量，能夠反映土體應(yīng)力路徑的影響，比較適合用于基坑開挖數(shù)值分析[10]。支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2，有限元模型如圖2。為考慮施工開挖和支撐架設(shè)的動態(tài)性，對不同開挖過程建立如下六種工況:

圖2 有限元模型圖Fig.2 Model diagram of finite element

表1 土層參數(shù)表Table 1 Table of soil parameters

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表Table 2 Material parameters of supporting structure

工況一圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，基坑開挖至-0.6 m，設(shè)置第1道混凝土支撐；

工況二基坑開挖至-7 m，設(shè)置第2道鋼支撐；

工況三基坑開挖至-11.4 m，設(shè)置第3道鋼支撐；

工況四基坑開挖至-15.9 m，設(shè)置第4道鋼支撐；

工況五基坑開挖至-17.4 m，設(shè)置第5道鋼支撐；

工況六開挖至坑底，即-22 m。

4 模擬值與監(jiān)測值比較

4.1 地下連續(xù)墻變形分析

通過提取墻體水平位移模擬結(jié)果，圖3為斷面1位置，從圖中可以看出，在基坑開挖初期，如工況一條件下，基坑開挖深度較淺，水平變形的最大位置出現(xiàn)在圍護(hù)墻的頂端，而在墻底部水平位移值趨于0，曲線呈現(xiàn)出上大下小“三角形”形狀。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移實測曲線和模擬曲線兩者變形趨勢基本一致。隨著基坑施工進(jìn)行，開挖深度不斷增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形不斷增加，模擬值與實測值差值逐漸增加，當(dāng)基坑開挖結(jié)束后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到最大變形，實測結(jié)果比模擬結(jié)果大5 mm，但最大水平位移的位置均隨著開挖深度的增加逐漸向下移動，最大位移值在基坑開挖面附近。

圖3 斷面1圍護(hù)墻變形圖Fig.3 Deformation of the retaining wall at position 1

圖4為基坑沿長邊方向斷面2位置的圍護(hù)墻水平變形曲線。該位置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形與斷面1的規(guī)律類似，但模擬值和實測值都略小于斷面1，基坑開挖結(jié)束后，模擬值最大值較斷面1減小約12%，實測值減小8%。從圖1可以看出，斷面2更接近基坑角部位置，基坑角部位置提供的約束作用增強(qiáng)，因此導(dǎo)致其水平位移小于基坑中部的水平位移。

圖4 斷面2圍護(hù)墻變形圖Fig.4 Deformation of the retaining wall at position 2

圖5、圖6為基坑沿短邊方向上的圍護(hù)墻水平變形曲線。從圖5-圖6可以看出，斷面4圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形規(guī)律和斷面3變形規(guī)律基本一致，同時基坑短邊方向變形規(guī)律與基坑長邊方向變形規(guī)律也基本類似。對于實測值和模擬值，在各工況下，斷面3墻體水平位移明顯小于斷面4墻體水平位移，這是因為斷面3位于坑角，其受約束作用更強(qiáng)，因此其水平變形小于斷面4水平變形。

圖5 斷面3圍護(hù)墻變形圖Fig.5 Deformation of the retaining wall at position 3

圖6 斷面4圍護(hù)墻變形圖Fig.6 Deformation of the retaining wall at position 4

由上述曲線可以看出，隨著基坑開挖的進(jìn)行，對于基坑的長邊和短邊，當(dāng)開挖較淺時，圍護(hù)墻的變形均較小，其時空效應(yīng)不太明顯。隨著基坑開挖深度的增加，圍護(hù)墻的變形逐漸增加，時空效應(yīng)越來越明顯。此外，對于基坑長邊，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移實測值大小和模擬值略微有差距；對于基坑短邊，實測值和模擬值吻合度較高?；娱L邊方向的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形大于短邊方向，跨中部位的變形大于端部拐角部位。因此，基坑短邊的時空效應(yīng)較明顯，長邊的空間作用較弱；且基坑端部作用明顯，基坑跨中部位的作用較弱。基坑具有三維的特點，而二維分析則無法體現(xiàn)基坑的這種特點。

4.2 基坑周邊土體沉降分析

圖7為開挖一至開挖六施工過程的坑外土體沉降曲線。整體來看，采用軟件能夠較好地模擬基坑開挖引起的周邊地表沉降，模擬結(jié)果表明，墻后地表沉降符合凹槽型分布模式，符合內(nèi)撐式基坑開挖變形特點，地表沉降隨基坑開挖深度的增加而增加；在工況三條件下，對坑外地表沉降進(jìn)行不間斷監(jiān)測，每隔24 h讀取一次監(jiān)測值，沉降隨時間變化曲線如圖8所示，由圖可知，在基坑開挖深度不變條件下，隨著施工進(jìn)行，各監(jiān)測點沉降值不斷改變，但總體變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)凹槽型，當(dāng)基坑剛開挖結(jié)束，沉降實測值為9 mm，模擬值為12 mm，實測值略小于模擬值。但隨著時間的推移，周圍土體受擾動后在第10天重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，地表沉降穩(wěn)定在15 mm，比模擬值大3 mm。因此，在基坑開挖過程中，控制施工速率，減少基坑暴露時間，及時架設(shè)支撐以避免周邊土體的不可逆塑性變形的積累。施工時在此范圍內(nèi)的建筑(構(gòu))物、地下管網(wǎng)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，保證基坑的安全，減少對周邊環(huán)境的影響[11]。

圖7 坑外地表沉降曲線Fig.7 Surface settlement curve outside the pit

圖8 工況三坑外地表沉降變化曲線Fig.8 Change curve of surface settlement outside the three pits under workingcase Ⅲ

5 結(jié)論

(1) 圍護(hù)墻水平變形數(shù)值模擬規(guī)律與監(jiān)測規(guī)律基本吻合，四個斷面墻體位移均沿著墻身先增大后減小，最大變形處均在基坑開挖面附近，符合基坑開挖特征。

(2) 圍護(hù)墻最大水平變形發(fā)生在基坑長邊且為跨中部位，其中短邊方向變形較小，且基坑角部變形最小。

(3) 地表沉降曲線近似呈凹槽型，坑外土體受基坑開挖的影響范圍主要在基坑邊1～2倍基坑深度范圍內(nèi)，且地表沉降隨基坑開挖深度的增加而增加，與數(shù)值模擬沉降規(guī)律基本一致。

(4) 在同一工況下，隨著時間的推移，不同位置監(jiān)測點的位移值呈現(xiàn)不斷重分布的過程，但整體曲線仍大致呈凹槽型。