魏飛翼,張向陽(yáng),羅光財(cái),哈吉章

(1.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.中國(guó)建筑第五工程局有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

隨著城市交通需求的日益增長(zhǎng),地鐵成為解決城市交通擁堵的主要手段之一。學(xué)者對(duì)地鐵車站建設(shè)過(guò)程中的深基坑穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究,其中許多學(xué)者將研究重點(diǎn)聚焦于基坑變形特征以及支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。謝樂(lè)等[1]對(duì)車站基坑開(kāi)挖全過(guò)程進(jìn)行施工模擬計(jì)算,探討了圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)基坑變形的影響;商兆濤等[2]分析了考慮孔隙水壓力條件下的深基坑變形規(guī)律,探討了地連墻的嵌入深度對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響;劉建強(qiáng)等[3]以深圳地鐵8號(hào)線為例,對(duì)車站深基坑周圍的地表沉降現(xiàn)象和地連墻的側(cè)移規(guī)律進(jìn)行了探究;趙麗華等[4]、雷霆等[5]探討了車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。部分學(xué)者意識(shí)到地層的差異對(duì)基坑的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生影響,如:臧延偉等[6]分析了軟土層厚度對(duì)基坑變形的影響,并發(fā)現(xiàn)在不同的基坑寬度下,地表最大沉降與軟土層厚度呈線性關(guān)系;謝錫榮等[7]總結(jié)了土巖復(fù)合地層下車站基坑變形特性,并對(duì)基坑變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

換乘車站作為城市地鐵中的小型交通樞紐,與普通車站相比增加了換乘節(jié)點(diǎn)部分。部分學(xué)者針對(duì)換乘車站深基坑的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了研究,如:胡安峰等[8]以某換乘車站為例,通過(guò)建立三維基坑開(kāi)挖模型,將地連墻側(cè)移的模擬值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較分析;丁勇春等[9]針對(duì)斜“十”字形的換乘車站,通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法重點(diǎn)分析了換乘節(jié)點(diǎn)基坑在開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)墻的變形特點(diǎn),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化有一定的參考價(jià)值;劉美麟等[10]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),探討了基坑開(kāi)挖對(duì)與之呈十字交叉的既有車站的影響,總結(jié)出既有車站發(fā)生豎向上浮、水平外凸、水平變形等的變形規(guī)律;侯新宇等[11]從土體的應(yīng)力路徑角度研究了換乘站基坑中存在的坑中坑開(kāi)挖對(duì)基坑變形的影響;羅智勇[12]利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了逆作法施工階段中轉(zhuǎn)運(yùn)站連續(xù)墻的側(cè)向形變、墻頂沉陷、柱體隆起和表面沉降等的特征;張光建等[13]探討了深基坑開(kāi)挖對(duì)支撐軸力的影響,并將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比。

對(duì)于換乘車站的研究,大多數(shù)學(xué)者忽視了對(duì)換乘節(jié)點(diǎn)這樣特殊位置的基坑變形特性的研究。由于換乘節(jié)點(diǎn)處往往涉及多個(gè)方向上的基坑開(kāi)挖,其變形特性可能會(huì)有所不同。本文探討換乘地鐵車站深基坑的變形規(guī)律,重點(diǎn)分析換乘節(jié)點(diǎn)陽(yáng)角處的土體沉降、地連墻的水平位移、坑底土隆起等變形特點(diǎn),為相關(guān)工程提供一定的參考。

1 工程背景

某地鐵車站位于二級(jí)階地部位,地形平坦,地表水不發(fā)育,地表主要為市政道路、綠化、房屋建筑。該站7號(hào)線與S1號(hào)線交會(huì)車站呈“T”形換乘。車站主體基坑安全等級(jí)為一級(jí),車站主體結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的土體主要為素填土層、可塑黏土、硬塑黏土。7號(hào)線和S1號(hào)線分別沿東西向敷設(shè)和南北向敷設(shè),7號(hào)線總長(zhǎng)293.21 m,S1號(hào)線總長(zhǎng)302.10 m(含換乘節(jié)點(diǎn)部分)。車站采用明挖法施工,利用灌注樁+內(nèi)支撐的組合支護(hù)形式來(lái)保證深基坑在開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性。7號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度約16.7 m,灌注樁嵌入坑底土層8.0 m;端頭井段開(kāi)挖深度約18.2 m,灌注樁嵌入坑底土層8.5 m;豎向設(shè)置1道混凝土支撐+2道鋼支撐。S1號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度約23.32 m,灌注樁嵌入坑底土層11.0 m;豎向設(shè)置1道混凝土支撐+3道鋼支撐。換乘節(jié)點(diǎn)段開(kāi)挖深度約25.35 m,灌注樁嵌入坑底土層11.5 m。

2 數(shù)值模型建立

2.1 模型建立

本文主要研究換乘節(jié)點(diǎn)處基坑的變形情況,利用數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS NX建立換乘節(jié)點(diǎn)及部分標(biāo)準(zhǔn)段基坑開(kāi)挖模型,如圖1所示?？紤]到基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地層影響范圍一般為開(kāi)挖深度的3～5倍,故模型尺寸設(shè)置為255 m×170 m×60 m。利用軟件自有的固定邊界對(duì)模型進(jìn)行邊界約束,為格構(gòu)柱添加抗扭轉(zhuǎn)約束,以保證其只在Z方向產(chǎn)生位移。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格生成器,生成以六面體為主、四面體和五面體為過(guò)渡網(wǎng)格的混合網(wǎng)格,模型共計(jì)劃分網(wǎng)格74 828個(gè),節(jié)點(diǎn)41 424個(gè)。

圖1 地鐵車站計(jì)算模型

2.2 參數(shù)選擇

計(jì)算模型中土層采用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu),根據(jù)地質(zhì)勘察資料以及工程經(jīng)驗(yàn),割線模量和切線模量取1倍壓縮模量,卸荷模量取3～5倍壓縮模量,具體物理性能指標(biāo)如表1所示。車站開(kāi)挖過(guò)程中所用到的支擋構(gòu)件,包括地下連續(xù)墻、鋼桁架和格構(gòu)柱等都采用彈塑性的本構(gòu)關(guān)系,其主要材質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

車站的基坑開(kāi)挖施工周期較長(zhǎng),為便于計(jì)算,模擬中將施工工況簡(jiǎn)化,同時(shí)利用軟件中設(shè)有的“激活-鈍化”功能,可以較為方便地模擬車站基坑從土體開(kāi)挖到施加支護(hù)的過(guò)程,如表3所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 分析路徑的選擇

選取基坑典型路徑進(jìn)行分析,如圖2所示。其中路徑1距離換乘節(jié)點(diǎn)50 m處,與S1號(hào)線垂直分布;路徑2位于S1號(hào)線和7號(hào)線換乘節(jié)點(diǎn)處的陽(yáng)角,與S1號(hào)線的夾角為45°;路徑3位于換乘節(jié)點(diǎn)中部。路徑A位于S1號(hào)線短邊中點(diǎn);路徑B位于7號(hào)線與S1號(hào)線的地連墻連接處;路徑C位于換乘節(jié)點(diǎn)陽(yáng)角處;路徑D位于S1號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段中部(路徑A、B、C、D走向均為從地連墻頂部到地連墻底部)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型選取路徑

3.2 周圍地表沉降分析

路徑1處基坑周圍地表沉降曲線如圖3所示。分析圖3可知,在最初開(kāi)挖時(shí),基坑周圍土體的最大沉降位于基坑邊緣處,但此時(shí)沉降較小且沉降曲線呈線性,這是初始階段支護(hù)不足所導(dǎo)致的。隨著開(kāi)挖深度的增加,以及后續(xù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施加,基坑沉降曲線逐漸呈現(xiàn)“勺形”分布,并且基坑開(kāi)挖深度越大,基坑周圍地表沉降越大。地表沉降峰值發(fā)生在距離基坑邊緣一定距離處。當(dāng)S1號(hào)線挖掘結(jié)束后,在距離基坑18 m左右,最大下沉為13.42 mm,為0.8倍的開(kāi)挖深度。

圖3 路徑1處基坑周圍地表沉降曲線

考慮到基坑開(kāi)挖具有明顯的空間效應(yīng),換乘節(jié)點(diǎn)處存在陽(yáng)角,為進(jìn)一步探究?jī)陕窂较碌某两涤绊懛秶?選取路徑1和路徑2在基坑開(kāi)挖至底部時(shí)的沉降曲線。為更直觀地觀察兩路徑下基坑地表沉降的影響區(qū)域,引入影響系數(shù)δ=δr/δvm,式中δr為沉降值,δvm為最大沉降值。兩路徑沉降影響范圍如圖4所示。δ=1時(shí),沉降達(dá)到最大值,路徑2在距離基坑36 m處產(chǎn)生最大沉降,最大沉降發(fā)生位置與基坑的距離是路徑1的2倍。參考文獻(xiàn)[14],以最大沉降的10%(即δ=0.1)作為主影響區(qū)域和次影響區(qū)域的轉(zhuǎn)折點(diǎn),可以發(fā)現(xiàn)路徑2主影響區(qū)域在距離基坑160 m左右,而路徑1主影響區(qū)域在距離基坑80 m左右,路徑2的沉降主影響區(qū)域是路徑1的2倍。原因是路徑2位于陽(yáng)角,受到S1號(hào)線和7號(hào)線兩個(gè)方向上基坑開(kāi)挖的影響,產(chǎn)生了疊加效應(yīng)。

圖4 兩路徑沉降影響范圍

3.3 地連墻變形分析

幾種典型工況下S1號(hào)線地連墻X方向水平位移云圖如圖5所示。由圖5可以看出,地連墻的位移云圖整體呈橢圓形,向基坑內(nèi)撓曲,左右兩邊位移趨勢(shì)呈對(duì)稱分布。隨開(kāi)挖深度的逐漸增加,地連墻的水平位移也逐漸增大。S1號(hào)線地連墻X方向上的最大水平位移發(fā)生在標(biāo)準(zhǔn)段,達(dá)到了27.04 mm。

(a)工況4

(b)工況6

(c)工況8

(d)工況10

(e)工況11圖5 S1號(hào)線地連墻X方向水平位移云圖

以向基坑內(nèi)為正向,繪制路徑C在基坑開(kāi)挖過(guò)程中的位移曲線圖(見(jiàn)圖6)。在工況4下,地連墻水平位移變化曲線與地連墻深度呈負(fù)線性相關(guān),在地連墻的頂端發(fā)生最大水平變形,這與此階段基坑周圍地表沉降呈線性分布相統(tǒng)一。隨著坑內(nèi)土體不斷被開(kāi)挖,基坑整體呈現(xiàn)卸荷狀態(tài),主要表現(xiàn)在坑外土體側(cè)向卸荷,產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力增大,地連墻的水平位移隨著開(kāi)挖深度的增加逐漸呈“弓形”分布的變形規(guī)律,各典型工況下的最大位移分別是0.83 mm、2.20 mm、6.39 mm、12.03 mm、17.19 mm,位置分別在地連墻的頂部,距地連墻頂部7 m、13 m、19 m、24 m,不難發(fā)現(xiàn)最大位移總是發(fā)生在開(kāi)挖深度H附近。

圖6 路徑C處地連墻變形曲線

選取路徑A、路徑B、路徑C、路徑D分析換乘節(jié)點(diǎn)處基坑各位置的地連墻變形情況(以向基坑內(nèi)為正向),如圖7所示。從圖7中可以發(fā)現(xiàn),換乘式地鐵車站基坑地連墻最大水平位移發(fā)生在車站標(biāo)準(zhǔn)段處,這是由于標(biāo)準(zhǔn)段較長(zhǎng),更易發(fā)生變形;在車站換乘節(jié)點(diǎn)處,地連墻最大水平位移發(fā)生在S1號(hào)線短邊處,最大水平位移為20.30 mm;在7號(hào)線與S1號(hào)線地連墻連接處,由于受到兩個(gè)方向支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束作用,地連墻的變形速率明顯小于換乘節(jié)點(diǎn)的其他位置,同時(shí)其最大變形也明顯小于其他位置,最大水平位移僅有3.81 mm。

圖7 不同路徑下地連墻水平位移變化曲線

3.4 坑底隆起分析

基坑開(kāi)挖前,原地層處于應(yīng)力平衡狀態(tài),而隨著基坑坑內(nèi)土體的開(kāi)挖,基坑處于卸荷狀態(tài),這一過(guò)程嚴(yán)重破壞了原有地層應(yīng)力平衡,卸荷過(guò)程中引起應(yīng)力釋放,使得坑底土產(chǎn)生回彈現(xiàn)象。選取路徑3,得到換乘節(jié)點(diǎn)處坑底隆起曲線,如圖8所示。在換乘節(jié)點(diǎn)處,隨著基坑開(kāi)挖深度的增加,坑底土的隆起量也隨之增加,這是由于開(kāi)挖深度越大,基坑內(nèi)外土體產(chǎn)生的壓力差越大,不同開(kāi)挖深度下坑底土的最大隆起量依次為6.24 mm、22.36 mm、50.36 mm、62.04 mm。在同一開(kāi)挖深度下,基坑中軸線處基坑隆起量較小,越靠近基坑側(cè)壁基坑隆起量越小,這是由于格構(gòu)柱以及抗拔樁的存在,樁土界面之間產(chǎn)生摩阻力,對(duì)周圍土體有一定的約束作用,因此中部隆起量比附近小,隆起趨勢(shì)整體呈現(xiàn)“馬鞍形”,而非是因?yàn)榭拥淄廉a(chǎn)生塑性回彈。工況6和工況8下由于開(kāi)挖深度較小,受到格構(gòu)柱的影響較小,導(dǎo)致曲線的“馬鞍形”不明顯。工況11曲線的“馬鞍形”比工況10明顯,這是因?yàn)榛娱_(kāi)挖完成后是抗拔樁起主要約束作用,而開(kāi)挖過(guò)程中起主要約束作用的是格構(gòu)柱。由于抗拔樁的樁徑明顯大于格構(gòu)柱,根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知,樁徑影響了樁土接觸面的大小,直接影響摩阻力的大小,樁徑越大摩阻力越大,樁對(duì)土的約束作用也越明顯。

圖8 路徑3坑底隆起曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 監(jiān)測(cè)方案

為實(shí)現(xiàn)信息化設(shè)計(jì)、為施工提供依據(jù),同時(shí)保證車站建設(shè)過(guò)程中的施工安全,在工程施工期間重點(diǎn)針對(duì)車站周邊的土層沉降變化、圍護(hù)樁的側(cè)向位移等項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。換乘節(jié)點(diǎn)處局部監(jiān)測(cè)布置方案如圖9所示。

圖9 局部監(jiān)測(cè)布置方案

4.2 模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比

換乘節(jié)點(diǎn)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQT-12和ZQT-13的地表沉降監(jiān)測(cè)值和模擬值對(duì)比曲線如圖10所示。由圖10可以看出,ZQT-12和ZQT-13的觀測(cè)數(shù)據(jù)最大沉降分別為13.81 mm和13.53 mm,整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQT-12處的地表沉降都要大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQT-13處,這是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQT-12位于換乘節(jié)點(diǎn)的陽(yáng)角位置,土體更容易產(chǎn)生較大的變形。監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQT-12和ZQT-13處最大沉降的模擬值與監(jiān)測(cè)值分別有2.97 mm和3.46 mm的差值,這是因?yàn)槟M計(jì)算時(shí)忽略了部分可能對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響的現(xiàn)場(chǎng)條件。地鐵車站基坑周圍地表沉降的監(jiān)測(cè)值與模擬值的地表沉降曲線都呈現(xiàn)出“勺形”發(fā)展趨勢(shì),說(shuō)明本文的模擬計(jì)算結(jié)果是相對(duì)可靠的,進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元計(jì)算模型在基坑中的實(shí)用價(jià)值。

圖10 監(jiān)測(cè)值與模擬值地表沉降對(duì)比曲線

5 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬,對(duì)T形換乘式地鐵車站深基坑的開(kāi)挖、支護(hù)全過(guò)程進(jìn)行了模擬,對(duì)其變形特征進(jìn)行了分析,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論:

(1)地鐵車站深基坑地表沉降曲線規(guī)律呈“勺形”分布特征,并且地表最大沉降發(fā)生在距離基坑一定位置處,結(jié)合本文所選取的路徑1,最大沉降發(fā)生位置與基坑距離大約為0.8倍的開(kāi)挖深度。在換乘節(jié)點(diǎn)的陽(yáng)角處,地表沉降的主影響區(qū)域明顯大于其他位置,這是因?yàn)殛?yáng)角位置存在兩個(gè)方向的臨空面,對(duì)基坑周圍土體的約束作用弱于其他位置,說(shuō)明施工過(guò)程中對(duì)于換乘節(jié)點(diǎn)處的陽(yáng)角位置應(yīng)做更大范圍的土體沉降監(jiān)測(cè)。

(2)地連墻的水平位移呈“弓形”分布特征,最大水平位移總是發(fā)生在開(kāi)挖面附近,在換乘節(jié)點(diǎn)處最大水平位移發(fā)生在S1號(hào)線短邊處,最大位移為20.30 mm。在換乘節(jié)點(diǎn)的陽(yáng)角處即路徑B和路徑C,地連墻水平變形速率和最大水平位移明顯小于其他位置,對(duì)施工人員在換乘節(jié)點(diǎn)處合理布置支護(hù)結(jié)構(gòu)和確定支護(hù)強(qiáng)度具有參考價(jià)值。

(3)由于抗拔樁和格構(gòu)柱對(duì)坑底土的約束作用,導(dǎo)致基坑坑底隆起最大值沒(méi)有發(fā)生在基坑中軸線處,隆起曲線反而呈現(xiàn)“馬鞍形”分布特征,對(duì)維持基坑的穩(wěn)定具有一定意義。