武漢地鐵名都車站基坑開挖監(jiān)測與數(shù)值分析

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(1.廣州城建職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，廣州 510925； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,武漢 430074)

1 研究背景

地鐵現(xiàn)已成為人類出行的重要城市交通工具,但是由于地鐵基坑及隧道的開挖，必然引起周圍土體及巖體的應(yīng)力發(fā)生變化，從而造成周邊地表沉降，地下管線沉降，周邊建筑物沉降、變相、傾斜、甚至倒塌，從而造成嚴(yán)重的工程事故[1-3]。

對于地鐵開挖引起的工程問題已經(jīng)成為巖土工程問題的熱點(diǎn)之一，20世紀(jì)30年代，Terzaghi和Peck等人提出了支撐荷載大小的總應(yīng)力法以及預(yù)估挖力穩(wěn)定程度的理論[4]；我國學(xué)者王霆等[5]利用Peck方法對北京地鐵車站和區(qū)間淺埋暗挖法施工引起地表沉降問題進(jìn)行了研究；韓煊[6]將Peck方法和隨機(jī)介質(zhì)理論方法進(jìn)行了對比分析，并給出了我國部分城市的沉降槽寬度建議值[7-9]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析方法被引入基坑工程的研究工作，成為一種研究基坑工程較為有效的方法。

本文利用三維有限差分軟件FLAC3D建立武漢地鐵名都車站開挖模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對比現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，為地鐵開挖過程中時(shí)空效應(yīng)預(yù)測以及信息化施工，提供有效合理的依據(jù)。

2 工程概況

武漢地鐵二號線名都車站深基坑工程，采用半挖法施工，在該基坑的開挖深度2倍范圍內(nèi):北側(cè)分布有在建的約20層住宅樓保利華都，住宅樓基礎(chǔ)為樁基基礎(chǔ)；南側(cè)分布有層高約5～6層的西藏中學(xué)學(xué)生公寓樓，采用條型淺基礎(chǔ)(圖1)。車站主體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平受力體系采用鋼管內(nèi)支撐方案(圖2)。

圖1 基坑位置及監(jiān)測點(diǎn)

圖2 鋼支撐現(xiàn)場照片

3 數(shù)值分析模型

模型采用國際大型通用軟件ANSYS 的前處理平臺建立，取該基坑開挖范圍2～3倍，長240 m，寬140 m，高50 m(圖3)。

圖3 ANSYS模型圖

在樁土接觸區(qū)域細(xì)化模型網(wǎng)格，并導(dǎo)入FLAC3D軟件中，模型共270 968個(gè)單元，167 928個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖4)。將計(jì)算模型底面和4個(gè)側(cè)面固定，頂面自由。模型計(jì)算參數(shù)如表1。在模擬樁-土共同作用的實(shí)際情況時(shí)，需考慮樁體與土體之間的接觸與滑移，因此，在兩者之間設(shè)置樁土接觸面。土體、墻、樓板、基礎(chǔ)采用摩爾-庫倫模型，樁、鋼支撐、冠梁采用彈性模型?？够瑯逗屯馏w之間的摩擦角取樁周土0.6～0.7倍，黏聚力取相鄰?fù)翆?.7～0.8倍(表2)。

圖4 FLAC3D模型圖

表1模型計(jì)算參數(shù)

Table1Parametersformodelcalculation

巖土及結(jié)構(gòu)名稱密度/(g·cm-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)剪切模量/MPa體積模量/MPa雜填土1.86541.798.3粉質(zhì)黏土1.9718356.672.00碎石土1.9342141.752.33灰?guī)r2.672 000489.02×1031.31×104冠梁2.501.17×1041.56×104樁2.501.00×1023.00×102鋼支撐7.808.33×1041.11×105墻2.501 250472.98×1031.53×103樓板2.501 800484.46×1032.29×103淺層基礎(chǔ)2.501 800484.46×1032.29×103

表2 接觸面計(jì)算參數(shù)

4 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

武漢地鐵二號線名都車站深基坑工程，對基坑側(cè)壁采用測斜管監(jiān)測，周圍建筑物埋設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)如圖1所示。測斜管的監(jiān)測數(shù)據(jù)YCX-2，ZCX-5如圖5、圖6所示，第1層鋼支撐架設(shè)穩(wěn)定后最大位移出現(xiàn)在基坑頂部，第2、3層鋼支撐架設(shè)穩(wěn)定后最大位移出現(xiàn)在基坑中下部呈“弧狀”;基坑周圍建筑物的監(jiān)測點(diǎn)J1，J9，J31，J34監(jiān)測成果如圖7所示，可以看出在同一地鐵開挖基坑兩側(cè)的建筑物沉降位移有很大差異，采用條型淺基礎(chǔ)的西藏中學(xué)監(jiān)測點(diǎn)J1和J9沉降明顯大于采用樁基礎(chǔ)保利華都監(jiān)測點(diǎn)J31和J34。

圖5 YCX-2水平方向位移監(jiān)測成果

圖6 ZCX-5水平方向位移監(jiān)測成果

圖7 建筑物沉降監(jiān)測成果

4.2 水平位移(Y方向) 數(shù)值模擬分析

開挖至2.9 m穩(wěn)定后(第1層鋼支撐位置)，從圖8(a)可以看出y負(fù)方向最大位移為1.2 mm，y正方向最大位移為0.8 mm。這與現(xiàn)場實(shí)測監(jiān)測成果(圖5、圖6)在數(shù)值以及位置上都相符。

圖8 鋼支撐穩(wěn)定后Y方向位移圖

開挖至8.1 m穩(wěn)定后(第2層鋼支撐位置)從圖8(b),可以看出y負(fù)方向最大位移31.6 mm，y正方向最大位移為6.1 mm，最大位移發(fā)生在基坑中部位置，且靠近西藏中學(xué)的基坑測斜點(diǎn)YCX-2較靠近保利華都高層建筑物的測斜點(diǎn)ZCX-5位移絕對值較大。

開挖至13.2 m穩(wěn)定后(第3層鋼支撐位置),從圖8(c)可以看出y負(fù)方向最大位移為39.9 mm，y正方向最大位移為12.1 mm，最大位移發(fā)生在基坑垂直向中部位置，且靠近西藏中學(xué)的基坑測斜點(diǎn)YCX-2較靠近保利華都高層建筑物的測斜點(diǎn)ZCX-5位移絕對值較大，這與現(xiàn)場實(shí)測監(jiān)測成果(圖5、圖6)在數(shù)值以及位置上都相吻合。

4.3 沉降位移數(shù)值模擬分析

從第3層開挖加鋼支撐穩(wěn)定后地表沉降位移圖(圖9)可見，基坑周圍建筑物的位置與基礎(chǔ)形式不同沉降位移也不同，西藏中學(xué)處最大沉降位移為20.6 mm，保利華都處最大沉降位移為10 mm左右。

圖9 第3層鋼支撐穩(wěn)定后地表沉降位移圖

圖10 地表沉降數(shù)值模擬監(jiān)測位移及擬合結(jié)果

在數(shù)值模型中，基坑與周圍建筑物之間設(shè)置一系列等距的數(shù)值模擬監(jiān)測點(diǎn)，在第三層鋼支撐穩(wěn)定后地表沉降數(shù)值模擬監(jiān)測結(jié)果如圖10。保利華都處最大地表沉降位移約6 mm，西藏中學(xué)處最大沉降位移約21 mm，這與圖7中現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合?；又苓叡＠A都側(cè)，地表沉降曲線擬合關(guān)系為：Y1=1.01×10-5-1.73×10-5X-7.72×10-6X2+4.13×10-7X3；基坑周邊西藏中學(xué)側(cè)，地表沉降曲線擬合關(guān)系為：Y2=1.24×10-4+1.68×10-4X-6.39×10-5X2+2.94×10-6X3。從地表數(shù)值模擬監(jiān)測曲線來看西藏中學(xué)側(cè)地表沉降位移較大，應(yīng)在施工中注意防護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)測。

5 結(jié) 論

(1) 運(yùn)用國際巖土數(shù)值軟件FLAC3D建立武漢地鐵二號線名都車站基坑模型，對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究地鐵基坑開挖引起的變形規(guī)律，數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測成果吻合。

(2) 高樓層的保利華都因其基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，故地鐵基坑開挖后沉降位移僅約5 mm，其側(cè)基坑地表沉降曲線呈“三角形”，擬合公式為Y1=1.01×10-5-1.73×10-5X-7.72×10-6X2+4.13×10-7X3；低矮樓層的西藏中學(xué)因其基礎(chǔ)為條形淺基礎(chǔ)，故地鐵基坑開挖后沉降位移較大約21 mm，其側(cè)基坑地表沉降曲線呈“階梯狀”，擬合公式為Y2=1.24×10-4+1.68×10-4X-6.39×10-5X2+2.94×10-6X3。

(3) 從現(xiàn)場監(jiān)測成果和數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析來看，利用數(shù)值仿真模擬可以實(shí)現(xiàn)對基坑開挖、支護(hù)過程中的各個(gè)施工工序，以及基坑支護(hù)過程中重點(diǎn)部位的超前時(shí)空預(yù)測，較好地了解地鐵開挖基坑對其周圍建筑物的相互影響，從而為信息化施工、指導(dǎo)基坑支護(hù)方案的修正，提供有效合理的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 江曉峰,劉國彬,張偉立，等.基于實(shí)測數(shù)據(jù)的上海地區(qū)超深基坑變形特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(增2):570-573. (JIANG Xiao-feng, LIU Guo-bin, ZHANG Wei-li,etal. The Research on Deformation Characteristics of Super Deep Foundation Pit Based on the Measured Data in Shanghai[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(Sup.2): 570-573.(in Chinese))

[2] 劉寶琛.綜合利用城市地面及地下空間的幾個(gè)問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1999，18(1):109-111. (LIU Bao-chen. A Few Questions about the Comprehensive Utilization of the Urban Ground and Underground Space[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999，18(1):109-111. (in Chinese))

[3] 柳建國,程良奎.北京地區(qū)基坑支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與工程實(shí)踐[J].巖土力學(xué),2009,30(4):1013-1017. (LIU Jian-guo, CHENG Liang-kui. Pit Support Technology Development and Engineering Practice in Beijing[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(4):1013-1017. (in Chinese))

[4] Terzaghi. K,Peck R B. Soil Mechanics Engineering Practice[M]. New York ,1948.

[5] 王 霆，劉維寧，張成滿，等. 地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降規(guī)律研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(9)：1855-1861. (WANG Ting，LIU Wei-ning，ZHANG Cheng-man，etal. Study of Ground Settlement Induced by Shallow Metro Station Constructions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(9)：1855-1861.(in Chinese))

[6] 韓 煊. 隧道施工引起地層位移及建筑物變形預(yù)測的實(shí)用方法研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2006. (HAN Xuan. The Analysis and Prediction of Tunneling-induced Building Deformations[D]. Xi’an：Xi’an University of Technology，2006. (in Chinese))

[7] 孟 丹，臧曉光，于廣明，等.地鐵車站開挖引起地表沉降分析方法的對比研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(6): 1169-1178. (MENG Dan，ZANG Xiao-guang，YU Guang-ming,etal. Comparative Study of Analytical Methods for Round Surface Settlement Induced by Subway Station Construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(6): 1169-1178. (in Chinese))

[8] 張愛英.基坑開挖對鄰近建筑物影響的數(shù)值模擬分析[D].西安：西安科技大學(xué)，2008. (ZHANG Ai-ying. Numerical Analysis of the Adjacent Structure in Foundation Excavation Engineering[D]. Xi’an：Xi’an University of Science and Technology,2008.(in Chinese))

[9] 曾 遠(yuǎn), 李志高, 王毅斌. 基坑開挖對鄰近地鐵車站影響因素研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2005, 8(4): 642-645. (ZENG Yuan, LI Zhi-gao, WANG Yi-bin. Research on Influencing Factors of Deep Excavation Adjacent to Subway Station[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2005, 8(4): 642-645. (in Chinese))