張?zhí)斐?方詩圣 應(yīng)克忠 趙 旭

1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 安徽 合肥 230002；

2.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司 安徽 合肥 230011

對于地鐵深基坑的研究而言，數(shù)值模擬是一個重要的方法。

王峰等[1]以成都某地鐵深基坑為實例建立了二維數(shù)值模型，采用分層開挖方法。結(jié)果表明樁體變化曲線呈現(xiàn)弓形，樁體最大位移值也隨著開挖深度的增加而下降。

吳意謙等[2]以蘭州市某地鐵深基坑為依托，采用分層開挖方法并將圍護(hù)樁等效成地下連續(xù)墻建立三維數(shù)值模型。結(jié)果表明鉆孔灌注樁＋內(nèi)支撐能夠有效地抑制基坑的變形，同時也提出了如何改進(jìn)計算精度、提高結(jié)果的真實性是今后需要進(jìn)一步解決的問題。

深基坑工程是一個三維空間結(jié)構(gòu)，具有空間效應(yīng)特性[3]，因此采取二維數(shù)值模擬，無法很好地反映其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)變化。同時學(xué)者在建立基坑圍護(hù)樁時大多利用等效剛度法將其替換成地下連續(xù)墻，且對于地鐵開挖方式的模擬大多采用的是將土體分層開挖，與實際工程有一定的區(qū)別[4-7]。

本文結(jié)合合肥某地鐵深基坑，利用Midas/GTS有限元軟件對比了圍護(hù)樁在土體分層開挖和土體臺階后退式開挖下的區(qū)別，同時結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出一些關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨臺階后退式開挖的變形規(guī)律。

1 工程概述

1.1 工程概況

合肥某地鐵車站主體為地下三層三跨島式站臺車站，結(jié)構(gòu)形式為三層三跨矩形框架結(jié)構(gòu)。車站主體總長度167.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬度22.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度25.03～25.14 m。其中南方端頭處與另一條地鐵線路相匯，本文中不對其進(jìn)行討論。車站位置和尺寸如圖1所示，其中1、2、3、4代表4個斷面。

圖1 地鐵車站結(jié)構(gòu)平面示意

1.2 工程地質(zhì)條件

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，根據(jù)沿線勘察揭露的地層沉積年代、成因類型和巖性特征，將本勘察單元范圍內(nèi)的巖土層劃分為6個單元層和若干個亞層（表1）。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 支護(hù)方案

支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁＋內(nèi)支撐?；訃o(hù)樁采用φ1 200 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁，圍護(hù)樁間采用網(wǎng)噴混凝土（砂漿）護(hù)壁，基坑兩側(cè)圍護(hù)樁上方采取鋼筋混凝土擋土墻圍護(hù)。內(nèi)支撐采用鋼支撐與混凝土支撐，第1道為混凝土支撐，第2、3、4、5道為鋼支撐（其中，第2、3、5道為φ609 mm、壁厚16 mm的鋼管支撐，第4道為φ800 mm、壁厚18 mm的鋼管支撐。

第1道混凝土支撐位于地下－1 m處，基坑兩側(cè)有擋土墻；第2道鋼支撐位于地下－6 m處；第3道鋼支撐位于地下－9.8 m處；第4道鋼支撐位于地下－13.6 m處；第5道鋼支撐位于地下－19.4 m處。鋼支撐預(yù)加軸力如表2所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意

表2 鋼支撐預(yù)加軸力

2 計算模型

2.1 模型的建立

采用有限元軟件Midas/GTS對此地鐵站深基坑開挖過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。圣維南原理和目前大量工程經(jīng)驗表明：地鐵車站基坑開挖對周圍土體影響的范圍大致為3～5倍開挖寬度、3倍開挖深度。所以取土體邊界長為187 m、寬為220 m、深度為75 m。有限元計算模型如圖3所示。邊界條件為土體模型側(cè)面約束法向位移和底部約束3個方向的位移。

圖3 有限元計算模型

土的本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫侖模型，圍護(hù)樁、鋼支撐、混凝土支撐、格構(gòu)柱和鋼圍檁均采用梁單元來模擬；抗拔樁采用直插式梁單元來模擬；擋土墻以及樁間噴射的混凝土采用板單元來模擬；土體采用實體單元來模擬。

2.2 施工工況模擬

實際施工時，首先將基坑開挖至地下－1 m處，進(jìn)行鉆孔灌注樁、格構(gòu)柱、抗拔樁、冠梁、混凝土支撐和擋土墻施工。第1層土體開挖完成后，剩余采用臺階后退式開挖方法施工，鋼支撐隨挖隨撐。實際開挖步驟如圖4所示。

圖4 實際開挖步驟（單位：m）

針對本工程的開挖方案，在數(shù)值模擬中將其簡化為分層開挖和臺階后退式開挖這2種方式，以研究不同開挖方式下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能空間效應(yīng)。

2.2.1 分層開挖

1）工況0：初始地應(yīng)力平衡，計算完成后將位移清零。

2）工況1：開挖至地下－1 m處， 鉆孔灌注樁、格構(gòu)柱、抗拔樁、冠梁、混凝土支撐和擋土墻開始施工。

3）工況2：開挖至地下－6 m處，將整層土體全部挖完，同時激活第2道鋼支撐和鋼圍檁并施加預(yù)應(yīng)力。

4）工況3；開挖至地下－11 m處，將整層土體全部挖完，同時激活第3道鋼支撐和鋼圍檁并施加預(yù)應(yīng)力。

5）工況4：開挖至地下－16 m處，將整層土體全部挖完，同時激活第4道鋼支撐和鋼圍檁并施加預(yù)應(yīng)力。

6）工況5：開挖至地下－21 m處，將整層土體全部挖完，同時激活第5道鋼支撐和鋼圍檁并施加預(yù)應(yīng)力。

7）工況6：開挖至地下－25.1 m處，將整層土體全部挖完。

2.2.2 臺階后退式開挖

將基坑土體分成12個開挖部分，具體如圖5所示。其中網(wǎng)噴混凝土護(hù)壁隨挖隨噴，鋼支撐隨挖隨撐，預(yù)應(yīng)力隨撐隨加。

圖5 基坑簡化開挖示意（單位：m）

1）工況0：初始地應(yīng)力平衡，計算完成后將位移清零。

2）工況1：開挖第1部分土體至地下－1 m處，將整層土體全部挖完，鉆孔灌注樁、格構(gòu)柱、抗拔樁、冠梁、混凝土支撐和擋土墻開始施工。

3）工況2：開挖第2部分土體至地下－6 m處，基坑向后開挖長度為8.5 m。

4）工況3：開挖第3部分土體至地下－11 m處，基坑向后開挖長度為8.5 m。

5）工況4：開挖第4部分土體至地下－16 m處，基坑向后開挖長度為8.5 m。

6）工況5：開挖第5部分土體至地下－21 m處，基坑向后開挖長度為8.5 m。

7）工況6：開挖第6部分土體至地下－25.1 m處，基坑向后開挖長度為8.5 m。

8）工況7：開挖第7部分土體，基坑向后開挖長度為8.5m。

9）工況8：開挖第8部分土體，基坑向后開挖長度為16m。

10）工況9：開挖第9部分土體。

11）工況10：開挖第10部分土體。

12）工況11：開挖第11部分土體。

13）工況12：開挖第12部分土體。

3 數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測對比

3.1 2種開挖方案的對比

監(jiān)測點位置分布如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點位置分布

圖7為圍護(hù)樁在2種模擬開挖方案下的ZQT12側(cè)移計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比曲線。設(shè)沿基坑長度方向為y方向，沿基坑寬度方向為x方向。當(dāng)開挖完成后，測點ZQT12監(jiān)測最大值為18.65 mm，所處深度為－13 m；圍護(hù)樁分層式開挖的最大側(cè)移值為27.38 mm，誤差為46.8%，所處深度為－12.55 m，誤差為3.5%；圍護(hù)樁臺階后退式開挖的最大側(cè)移值為17.66 mm，誤差為5.3%，所處深度為－12.52 m，誤差為3.7%。

圖7 ZQT12側(cè)移計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比曲線

結(jié)果表明：在數(shù)值模擬中圍護(hù)樁采用分層式開挖的側(cè)移峰值和其所處深度要遠(yuǎn)大于采用臺階后退式開挖，這說明土體卸載量大小對于圍護(hù)樁的影響十分明顯；采用臺階后退式開挖的數(shù)值模擬結(jié)果曲線與實際監(jiān)測曲線趨勢相近，因此下文的數(shù)值分析中采用的是圍護(hù)樁臺階后退式開挖。

3.2 圍護(hù)樁y方向側(cè)移分析

圖8為端頭井處ZQT12各工況下數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比曲線。從圖8中可以看出：當(dāng)開挖的土體距離未開挖處的圍護(hù)樁較遠(yuǎn)時，未開挖處的圍護(hù)樁所受到的影響較??；隨著開挖土體逐漸靠近未開挖處的圍護(hù)樁，圍護(hù)樁的側(cè)移值逐漸增大，側(cè)移的峰值深度逐漸增大，直至未開挖處的圍護(hù)樁周圍土體全部開挖完成后達(dá)到最大值。當(dāng)開挖完成后，ZQT12監(jiān)測值最大值為18.65 mm，最大值位于－13 m處，計算值最大值為17.66 mm，最大值位于－12.52 m處。結(jié)果表明：端頭井處圍護(hù)樁監(jiān)測值曲線與計算值曲線趨勢相近。說明該數(shù)值計算模型、參數(shù)的選取和開挖方式的簡化是合理的，并且精確程度高的計算結(jié)果可以更好地優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，確保施工的安全性。

圖8 ZQT12各工況下數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比曲線

圖9為基坑兩側(cè)y方向上的側(cè)移云圖，圖10為標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁同一深度y方向上的側(cè)移曲線（深度為－10.5 m）。

圖9 基坑兩側(cè)y方向上的側(cè)移云圖

圖10 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁同一深度y方向上的側(cè)移曲線

結(jié)果表明：圍護(hù)樁隨著臺階后退式開挖呈現(xiàn)明顯的時空效應(yīng)。隨著開挖的進(jìn)行，圍護(hù)樁存在y方向上的側(cè)移，且側(cè)移方向與臺階后退式開挖的方向相反，側(cè)移的最大值隨著臺階后退式開挖向后移動，同時當(dāng)開挖的土體遠(yuǎn)離已開挖完成的圍護(hù)樁時，y方向上的側(cè)移達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定。

兩側(cè)圍護(hù)樁y方向側(cè)移呈現(xiàn)橢圓形分布，橢圓形中間處側(cè)移最大并隨后退開挖方向移動，直至開挖至端頭井處，橢圓形分布變?yōu)榘霗E圓形分布。

3.3 圍護(hù)樁x方向側(cè)移分析

圖11為標(biāo)準(zhǔn)段ZQT10關(guān)鍵工況下數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比曲線。當(dāng)開挖完成后，監(jiān)測值最大值為16.89 mm，深度為－11.5 m，數(shù)值計算結(jié)果中x方向最大側(cè)移值為15.92 mm，深度為－10 m，通過對比曲線可以看出數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測曲線的趨勢相近。

圖11 ZQT10關(guān)鍵工況下數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比曲線

圖12為標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁同一深度x方向上的側(cè)移曲線（深度為－10.5 m），圖13為標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁x方向上的側(cè)移云圖。結(jié)果表明：圍護(hù)樁隨著臺階后退式開挖呈現(xiàn)明顯的時空效應(yīng)。隨著開挖的進(jìn)行，基坑兩側(cè)圍護(hù)樁x方向側(cè)移呈半橢圓形擴散，其側(cè)移值隨著周圍土體開挖深度的增加而增加，直至周圍土體全部挖完，開挖土體遠(yuǎn)離該圍護(hù)樁時趨于穩(wěn)定。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁同一深度x方向上的側(cè)移曲線

圖13 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁x方向上的側(cè)移云圖

圖14為端頭井處圍護(hù)樁同一深度x方向上的側(cè)移曲線，通過曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土體開挖至端頭井處時端頭井開始出現(xiàn)x方向上的側(cè)移，鄰近端頭井拐角處的圍護(hù)樁x方向上的側(cè)移較大，并且端頭井處圍護(hù)樁x方向上的側(cè)移值呈現(xiàn)對稱分布。

圖14 端頭井處圍護(hù)樁同一深度x方向上的側(cè)移曲線

4 結(jié)語

以合肥某地鐵車站深基坑為實例，通過對圍護(hù)樁分層開挖和臺階后退式開挖數(shù)值的模擬計算，同時結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得出以下幾點結(jié)論：

1）通過對比計算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁分層開挖側(cè)移峰值的誤差為46.8%，圍護(hù)樁臺階后退式開挖側(cè)移峰值的誤差為5.3%。采用圍護(hù)樁臺階后退式開挖側(cè)移曲線與監(jiān)測曲線趨勢相近，采用圍護(hù)樁臺階后退式開挖進(jìn)一步提高了計算的精確度和真實性，可供后續(xù)類似工程參考。

2）基坑兩側(cè)圍護(hù)樁隨著臺階后退式開挖呈現(xiàn)明顯的時空效應(yīng)，沿基坑寬度方向上的側(cè)移近似呈半橢圓形向后擴散，沿基坑長度方向上的側(cè)移呈橢圓形向后擴散，直至開挖至端頭井處呈現(xiàn)半橢圓形狀。

3）基坑圍護(hù)樁呈現(xiàn)明顯的空間效應(yīng)，圍護(hù)樁的側(cè)移值及其深度隨著周圍土體開挖深度的增加而增加，直至開挖土體遠(yuǎn)離該圍護(hù)樁時趨于穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)段最大側(cè)移值為15.92 mm，端頭井最大側(cè)移值為17.66 mm，二者都位于基坑深度的1/2處。