臨河地鐵車站深基坑變形規(guī)律研究

舒 進(jìn)，丁春林，張思源

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海200092；2.合肥城市軌道交通有限公司，安徽合肥230001）

隨著城市軌道交通在我國的快速發(fā)展，很多城市的地鐵車站深基坑施工不可避免地要在臨河或臨江地段進(jìn)行，特別是在河網(wǎng)密布的沿江或沿海城市。深基坑施工是一個非常復(fù)雜的工程，尤其在離江河距離較近時，深基坑將會受到非對稱荷載作用，而非對稱荷載是一種非常不利的荷載，它嚴(yán)重影響車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地表及河岸邊坡的受力和變形，使得車站深基坑兩側(cè)出現(xiàn)非對稱變形，從而易造成深基坑結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，大大降低了地鐵車站的使用壽命[1-2]。因此，研究不同臨河距離下深基坑開挖對地表沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的影響規(guī)律，探討深基坑臨河距離多大時，深基坑兩側(cè)非對稱變形較小，對選擇合適的深基坑位置及在深基坑施工過程中控制局部地表沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部變形進(jìn)而保障施工安全并提高基坑使用壽命具有十分重要的指導(dǎo)意義。

本文采用有限元軟件Plaxis對合肥市軌道交通1號線及規(guī)劃2號線中某車站深基坑開挖及支護(hù)進(jìn)行模擬，分析并得到了不同臨河距離下深基坑坑周地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形規(guī)律及臨河距離對深基坑兩側(cè)非對稱變形的影響規(guī)律。

1 工程概況

合肥地鐵某車站是1號線與規(guī)劃2號線的換乘站（2號線車站沿長江東路方向布設(shè)），位于勝利路和長江東路交叉路口，道路西側(cè)為河濱公園綠地，東北角為古井假日酒店（5層裙樓離圍護(hù)結(jié)構(gòu)外皮約4 m），東南角為省交通研究所等多座高層建筑，2號線車站的東南角為18層的圣大國際（距離較近，離圍護(hù)結(jié)構(gòu)外皮約8 m）。南淝河從車站南側(cè)和西側(cè)繞過。其中1號線車站離河較近，約20～40 m，2號線車站離河相對較遠(yuǎn)（超過40 m）。

本次1號線車站與2號線車站同期施工，1號線車站初期規(guī)劃為地下4層、14 m寬島式車站，2號線車站初期規(guī)劃為地下3層、13 m寬島式車站。另外，根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果，該車站場地土以第四紀(jì)沉積物為主，深部為白堊紀(jì)基巖。土體在50 m深度范圍以內(nèi)地層自上而下依次為:4.5 m厚填土層、2.7 m厚粘土②層、2.3 m厚粉質(zhì)粘土②1層、7 m厚粉細(xì)砂②2層、5.5 m厚粉質(zhì)粘土②1層及28 m厚基巖。車站頂板覆土約為2.5 m，1號線基坑開挖深度約為29.5 m，座落在強風(fēng)化泥巖④層，進(jìn)入潛水位約25 m；2號線為地下3層，底板埋深約為22 m，座落在強風(fēng)化泥巖④層表面，進(jìn)入潛水位約18 m。各土層的物理力學(xué)參數(shù)如下表1所示。

表1 車站各土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical-mechanical parameters of the soil in the station

2 計算模型建立與基坑開挖過程模擬

2.1 本構(gòu)模型的選擇

土體是一種很復(fù)雜的復(fù)合體，在外力的作用下，土體不僅產(chǎn)生彈性變形，而且還會產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形[3]。土的彈塑性本構(gòu)模型能較好地反映土體應(yīng)力路徑、土的硬化和軟化特性。本文在采用有限元Plaxis模擬計算中，土體采用了硬化土模型，該模型是改進(jìn)的摩爾—庫倫模型，是最通用的巖土本構(gòu)模型。不同于理想彈塑性模型，硬化塑性模型的屈服面在主應(yīng)力空間中不是固定的，而是由于塑性應(yīng)變的發(fā)生而膨脹，適用于模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體[4]。

構(gòu)造Hardening-Soil模型的基本思想是三軸加載下豎向應(yīng)變ε1和偏應(yīng)力q之間為雙曲線關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗往往會得到如下表示的曲線

對q＜qf，在這里qa是抗剪強度曲線上的漸進(jìn)值，參數(shù)E50是主加載下與圍壓相關(guān)的剛度模量，它由下面的方程給出

當(dāng)q=qf時，破壞準(zhǔn)則得到滿足，土體發(fā)生塑性屈服。

圖1 計算模型斷面圖Fig.1 Section diagram of the calculation model

2.2 計算模型和計算參數(shù)

計算模型斷面如圖1所示，模型寬200 m，高100 m，模型左右兩側(cè)邊界為水平約束，下邊界為雙向鉸支約束，上邊界為自由邊。在開挖工況模擬中，每一步應(yīng)力全部釋放[5]?？又芡馏w用平面單元模擬，鋼支撐、鋼筋混凝土撐及雙拼鋼支撐用桿單元模擬，地下連續(xù)墻用板單元模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸行為用接觸面單元來模擬，南淝河邊坡受到的水壓力用等價大小的外荷載模擬[6-7]。

根據(jù)設(shè)計資料，土體的計算參數(shù)如表1所示，其中土體界面強度折減因子根據(jù)經(jīng)驗取為0.5，強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的彈性模量取為壓縮模量的10倍，其余土層彈性模量取為壓縮模量的3倍[8-9]。計算中支撐、墻單元主要計算參數(shù)見表2。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐計算參數(shù)Tab.2 Calculating parameters of envelope and support calculation

2.3 計算工況模擬

以臨河45 m 1號線標(biāo)準(zhǔn)段為例來模擬基坑的開挖與支護(hù)。根據(jù)施工工序，計算模型的開挖與支護(hù)模擬共分為10個步驟進(jìn)行，如表3所示。在模擬計算中，首先考慮土體在自重應(yīng)力下初始應(yīng)力平衡，然后分步進(jìn)行開挖和支護(hù)。

表3 基坑開挖施工數(shù)值模擬計算工況Tab.3 Numerical simulating calculation of pit excavation construction

3 計算結(jié)果分析

3.1 不同臨河距離下深基坑開挖對坑周地表變形影響分析

本文模擬了1號線和2號線在臨河距離為25 m，45 m，60 m，75 m四種工況下深基坑開挖對坑周地表變形的影響，其中，1號線深基坑開挖引起的坑周地表變形曲線見圖2（負(fù)值表示沉降變形，正值表示隆起變形。）所示。限于篇幅，2號線深基坑開挖引起的地表變形略去。由圖2可以得到:不同臨河距離下深基坑背河側(cè)地表變形差異較小。背河側(cè)坑周地表均出現(xiàn)沉降變形，且隨著臨河距離的增大，在一定范圍內(nèi)，地表沉降逐漸減小，地表沉降最大值均約在深基坑背河側(cè)10 m（基坑深度的1/3）處，在距離深基坑背河側(cè)40 m（約為基坑深度的1.5倍）外，地表沉降均在1 mm以內(nèi)；不同臨河距離下深基坑開挖臨河側(cè)地表變形差異較大。臨河25 m時，靠近深基坑處地表出現(xiàn)最大隆起變形，之后地表隨著離深基坑臨河側(cè)距離增大而隆起變形逐漸減小，至出現(xiàn)微小沉降。臨河45，60，75 m變形差異較小，靠近深基坑處有微小隆起，之后隨著離深基坑臨河側(cè)的距離增大而出現(xiàn)沉降，沉降值逐漸增大，沉降最大值約出現(xiàn)在離深基坑臨河側(cè)15 m（基坑深度的1/2）處；在距離深基坑兩側(cè)40 m（約為基坑深度的1.5倍）外，地表沉降均在1 mm以內(nèi)。

圖2 不同臨河距離下1號線標(biāo)準(zhǔn)段基坑坑周地表豎向變形Fig.2 Vertical deformation of foundation pits of Line 1 in different over-river distance

4.2 不同臨河距離下深基坑開挖對連續(xù)墻變形影響分析

本文模擬了1號線和2號線在臨河距離為25，45，60，75 m四種工況下深基坑開挖對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，其中，1號線深基坑開挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線見圖3所示（由于x軸的正方向向右，所以臨河側(cè)連續(xù)墻側(cè)向變形值為正，背河側(cè)為負(fù)。），限于篇幅，2號線深基坑開挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形略去。由圖3可以得到:不同臨河距離下連續(xù)墻臨河側(cè)變形的曲線一致，且均在深度約29 m處（即約在基坑開挖底面處），側(cè)向變形達(dá)到最大，但臨河25 m處的連續(xù)墻臨河側(cè)變形明顯小于45，60，75 m三種工況；不同臨河距離下連續(xù)墻背河側(cè)變形的曲線仍然一致，且均在深度約29 m處（即約在基坑開挖底面處），側(cè)向變形達(dá)到最大，但臨河25 m處的連續(xù)墻背河側(cè)變形明顯大于45，60，75 m三種工況。

圖3 不同臨河距離下1號線標(biāo)準(zhǔn)段基坑地下連續(xù)墻側(cè)向變形Fig.3 Lateral deformation of diaphragm wall in foundation pits of Line 1 in different over-river distance

4.3 不同臨河距離對坑周地表豎向變形最大值影響分析

1號線和2號線在不同臨河距離下深基坑坑周地表豎向變形最大值見圖4所示。由圖4可以得到，當(dāng)臨河距離為25 m時，臨河側(cè)地表最大豎向變形為隆起變形，另一側(cè)則為沉降變形，沉降最大值略大于隆起最大值；隨著臨河距離的增加，兩側(cè)變形最大值趨向相等，當(dāng)臨河距離大于45 m（基坑深度的1.5倍）時，兩側(cè)豎向最大變形皆為沉降變形，兩側(cè)沉降近似相等。

圖4 不同臨河距離下1號線和2號線深基坑坑周地表豎向變形最大值Fig.4 Maximum vertical ground deformation of foundation pits of line 1 and line 2 in different over-river distance

4.4 不同臨河距離對連續(xù)墻側(cè)向變形最大值影響分析

1號線和2號線在不同臨河距離下連續(xù)墻側(cè)向變形最大值見圖5所示。由圖5可以得到，當(dāng)臨河距離為25 m時，連續(xù)墻背河側(cè)的側(cè)向變形最大值比臨河側(cè)的要大5 mm左右，之后隨著臨河距離的增加，兩側(cè)最大值趨向一致；當(dāng)臨河距離為40 m時，兩側(cè)側(cè)向變形最大值差異縮小在1 mm以內(nèi)；當(dāng)臨河距離大于45 m（基坑深度的1.5倍）時，兩側(cè)最大值近似相等。

圖5 1號線和2號線深基坑地下連續(xù)墻的側(cè)向變形最大值Fig.5 Maximum lateral deformation of the diaphragm wall in deep foundation pits of line 1 and line 2

5 結(jié)論

通過使用有限元Plaxis軟件對合肥市地鐵1號線及規(guī)劃2號線中的某車站深基坑的計算分析，可以得到以下結(jié)論:

1）不同臨河距離下深基坑開挖坑周地表背河側(cè)變形規(guī)律一致，臨河側(cè)有一定差別。背河側(cè)地表均出現(xiàn)沉降變形，且沉降最大值均約在離基坑背河側(cè)10 m處（基坑深度的1/3處）。臨河側(cè)地表在臨河距離較小時，會出現(xiàn)大的隆起，較大時，出現(xiàn)微小隆起，且沉降最大值均約在離基坑臨河側(cè)15 m處（基坑深度的1/2處）。距基坑兩側(cè)45 m（基坑深度的1.5倍）以外，地表沉降值均在1 mm以內(nèi)。

2）不同臨河距離下深基坑開挖連續(xù)墻兩側(cè)變形的曲線規(guī)律基本一致，側(cè)向變形最大位置均約位于基坑開挖底面處。當(dāng)臨河距離很小時，臨河一側(cè)側(cè)向變形較小，另一側(cè)較大。當(dāng)臨河距離大于45 m（基坑深度的1.5倍）時，兩側(cè)連續(xù)墻的變形接近相等，非對稱變形可以忽略不計。

3）當(dāng)深基坑離河距離較近時，臨河側(cè)的坑周地表最大變形為隆起變形，另一側(cè)為沉降變形。臨河側(cè)地下連續(xù)墻的最大側(cè)向變形比另一側(cè)要小。之后隨著臨河距離的增加，兩側(cè)最大變形趨向一致。當(dāng)臨河距離大于45 m（基坑深度的1.5倍）時，深基坑兩側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和坑周地表最大變形接近相等，非對稱變形可以忽略不計。

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