西安地鐵車站深基坑變形規(guī)律的有限差分法模擬*

任建喜 王 江 孟 昌 陳 江 朱元偉 王 松

(西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安∥第一作者，教授)

地鐵深基坑圍護結(jié)構(gòu)較一般基坑需要解決的問題多而復雜，尤其是在確保深基坑的安全穩(wěn)定方面［1－3］。許多專家和學者對深基坑變形影響規(guī)律進行了研究，并且取得許多成果［4－7］。但對黃土地區(qū)地鐵車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和周圍環(huán)境穩(wěn)定的研究成果還不多，研究深基坑變形規(guī)律及加強施工過程圍護結(jié)構(gòu)變形和周圍環(huán)境變形的監(jiān)測，對地鐵車站深基坑安全施工意義重大［8－9］。盡管基坑監(jiān)測方法和手段得到了很大提高，監(jiān)測項目也更加完善，但是，監(jiān)測單位大多只注重數(shù)據(jù)采集，而未能做到結(jié)合施工方案、水文地質(zhì)等對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析［10］。本文以西安地鐵大差市車站深基坑為工程背景，對黃土地區(qū)深基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律進行分析研究，目的是為西安地區(qū)地鐵車站建設(shè)中的深基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，從而確保施工過程中深基坑的安全穩(wěn)定。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

1.1 工程概況

大差市車站深基坑屬于西安地鐵4號線特長、特大深基坑，地處市中心繁華地段，周圍環(huán)境十分復雜。該車站為地鐵4號線與6號線換乘車站，地鐵4號線車站站臺中心里程為YCK15+598.500，車站總長501.30 m，標準段寬22.70 m，高15.01 m，車站總建筑面積為27 822.94 m2。車站主體結(jié)構(gòu)采用3跨2層結(jié)構(gòu)，換乘節(jié)點處3跨3層，基坑開挖深度16～24 m。根據(jù)現(xiàn)場交通組織情況采用明挖順作法施工，換乘節(jié)點處采用全鋪蓋順作法施工。

擬建車站位于西安市東西與南北兩條繁華商業(yè)大街的十字交叉處，呈南北走向布置。車站站址周圍商業(yè)繁華、建筑密集，其中距車站較近處就有多座2～13層混凝土結(jié)構(gòu)建筑物。

1.2 水文地質(zhì)條件

場區(qū)地下水為第四系松散層孔隙潛水，地下水潛水位埋深7.0～8.8 m，水位年變幅2.0 m 左右。含水層主要為弱透水的黏性土夾砂層透鏡體，潛水含水層厚度大于50 m。

地下水位的變化主要受降水、蒸發(fā)以及人工開采等因素的影響，一般每年7～9月為枯水期，地下水位最低，12月至次年2月為豐水期，地下水位最高。

2 深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)場監(jiān)測方案

根據(jù)大差市車站深基坑工程的重要性、施工難易程度、圍護結(jié)構(gòu)強度以及周圍鄰近建筑物的變形控制要求等因素，確定該深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測內(nèi)容，主要包括圍護樁水平位移、支撐軸力、基坑周圍地面沉降。車站支撐平面布置與部分監(jiān)測點位置詳見圖1。

圖1 車站支撐平面布置與部分監(jiān)測點位置圖

3 深基坑開挖過程FLAC數(shù)值模擬

FLAC(有限差分法)數(shù)值計算軟件基于有限差分法原理，主要適用巖土工程的力學分析。本文計算采用FLAC軟件進行數(shù)值計算，研究深基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。該車站深基坑屬于特長、特大深基坑，由2個標準段和1個換乘段組成，其中靠近南段的標準段周圍環(huán)境較復雜，有高樓存在。為了能夠更好地研究深基坑內(nèi)的圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律以及建模方便，選取基坑南段的標準段作為研究對象。

3.1 模型建立

深基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)和基坑周圍地表變形的影響范圍取決于基坑形狀、土方的開挖深度以及地質(zhì)條件等因素。為了能夠真實地模擬開挖過程，選取大差市地鐵車站標準段南段基坑實際尺寸，開挖寬度為22.7 m，開挖深度為16.0 m。根據(jù)圣為南原理，影響區(qū)域應(yīng)為開挖尺寸的3～5倍。因此，本節(jié)在進行數(shù)值計算時選取80 m×60 m×50 m(長×寬×高)的區(qū)域建立深基坑FLAC計算模型。進行網(wǎng)格劃分后，模型產(chǎn)生245 032個單元，249 911個節(jié)點。計算模型見圖2?？紤]到深基坑邊緣可能存在的施工堆載等因素，在距基坑坑壁10 m范圍內(nèi)施加均布超載q=20 kPa;模型表面為自由面，其余五面均設(shè)法向約束。

3.2 本構(gòu)模型

土體的本構(gòu)模型體現(xiàn)了土的應(yīng)力應(yīng)變特性，要研究基坑開挖對圍護結(jié)構(gòu)的擾動影響，就必須建立適當?shù)谋緲?gòu)關(guān)系，通過本構(gòu)關(guān)系可以反映出基坑周圍土體在土方開挖擾動下的變形特性，進而可以分析圍護結(jié)構(gòu)的變形特性。摩爾－庫侖本構(gòu)模型能夠很好地反映土體在擾動作用下的應(yīng)力應(yīng)變特性，因此，本文計算采用摩爾－庫侖本構(gòu)模型。

圖2 深基坑計算模型及單元劃分

3.3 計算參數(shù)和計算工況

根據(jù)大差市地鐵車站巖土工程勘察報告和工程地質(zhì)剖面圖，將深基坑所處位置的地層劃分為7層，土層分布及其物理力學參數(shù)見表1。

結(jié)合大差市地鐵車站深基坑的施工工序，將每一階段土方開挖當做1個計算工況，則整個土方開挖過程可以分為4個計算工況。工況1計算前，首先要進行自重應(yīng)力求解以及鉆孔灌注樁施作計算。

(1)工況1:開挖至3 m，施做第一道鋼筋混凝土支撐;

表1 各層土物理力學參數(shù)表

(2)工況2:開挖至7 m，施做第二道鋼支撐;

(3)工況3:開挖至12 m，施做第三道鋼支撐;

(4)工況4:基坑開挖直至設(shè)計標高16 m處，清槽。

3.4 土方開挖的模擬

深基坑土方開挖之前，土體的初始應(yīng)力場只為重力場，運用FLAC軟件進行土方開挖施工模擬時，一般多采用空單元法，通過改變單元剛度矩陣執(zhí)行空單元法的開挖;在此基礎(chǔ)上還要假定被挖單元的質(zhì)量、荷載等效果也為零，以此來實現(xiàn)單元的開挖。運用空單元法模擬深基坑土方開挖時，在重力場作用下，得到的應(yīng)力場即為開挖后土體的實際應(yīng)力場。但是，開挖后的位移場則不同，減去初始位移場之后才是開挖后的土體實際位移場。

空模型代表從建立的模型中移去深基坑實際開挖斷面的那部分單元，開挖過程就是土方開挖面周圍土體的卸載過程，因而挖掉其內(nèi)部的單元后，開挖區(qū)域的單元應(yīng)力自動清零，即:

式中:

N——節(jié)點;

σij——點的應(yīng)力狀態(tài)(包含9個應(yīng)力分量)。

3.5 支護結(jié)構(gòu)的模擬

利用等效剛度原則，圍護結(jié)構(gòu)采用各向同性彈性模型的實體樁單元模擬鉆孔灌注樁，在兼顧模擬精確度的前提下，盡量使模擬分析過程簡化，樁徑為1 000 mm?；炷梁弯撝尾捎肍LAC自帶的實體Beam單元，臨時立柱采用Beam單元，在端頭構(gòu)件處施加一對等大反向的力來模擬預(yù)應(yīng)力，以便準確地模擬鋼管內(nèi)支撐的實際受力狀態(tài)。

3.6 深基坑變形規(guī)律FLAC模擬計算結(jié)果分析

地鐵車站深基坑采用明挖法施工時，基坑開挖面下部土層受開挖的影響很大，基坑周圍土體在不同開挖階段擾動下發(fā)生的水平位移如圖3所示。

FLAC計算嚴格按照土方開挖及支護的施工工藝進行真實的施工模擬，能夠比較真實地預(yù)測基坑開挖帶來的基坑穩(wěn)定問題。從圖3可以看出，隨著基坑開挖的深度不斷增大，基坑水平位移逐漸增大，這是因為土方開挖卸載，打破了土體的初始應(yīng)力狀態(tài)，使得基坑附近的土體在主動土壓力作用下向坑內(nèi)發(fā)生位移。在內(nèi)支撐作用下，前三種工況下基坑周圍土體向坑內(nèi)發(fā)生的水平位移量較小，介于3.51～4.95 mm，但是當基坑開挖至設(shè)計標高時，基坑水平位移增大到7.42 mm。工況3、工況4坑底與坑壁交界處附近的土體受到向坑內(nèi)的水平位移，這是因為該區(qū)域的土體受到主動土壓力較大，導致坑底土體出現(xiàn)向上隆起的趨勢。在整個深基坑施工過程中，鋼支撐對于限制基坑變形發(fā)揮了重要作用，使得基坑向坑內(nèi)發(fā)生位移的速率逐漸變小。

圖3 不同開挖階段基坑水平位移圖

從圖4可以看出，隨著基坑開挖的深度不斷增大，基坑整體豎向位移逐漸增大，基坑底部出現(xiàn)明顯的隆起，最大隆起量為15.32 mm，發(fā)生在坑底中心。

圖4 基坑開挖完成后豎向位移云圖

3.7 圍護結(jié)構(gòu)變形計算值與實測值對比分析

3.7.1 樁體水平位移

將數(shù)值計算得到的ZQS－7樁體水平位移與現(xiàn)場實測進行對比分析(見圖5)。

從圖5可知，各工況下樁身變形實測趨勢與計算趨勢基本吻合，數(shù)值計算得出圍護樁8～12 m處水平位移最大，位于基坑中部到三分之二基坑深度，與現(xiàn)場實測結(jié)果基本保持一致。但數(shù)值計算過程中由于忽略滲流和時空效應(yīng)對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響，使得樁體水平位移的計算值與實測值存在一些偏差，均表現(xiàn)為數(shù)值模擬值小于實測值。

3.7.2 內(nèi)支撐軸力

以斷面1－1上第一道鋼筋混凝土支撐ZL1－6為例，分析土方初始開挖到基坑基本穩(wěn)定后支撐軸力的變化規(guī)律。實測結(jié)果與計算結(jié)果對比曲線見圖6。

從圖6可以看出，實測所得第一道鋼筋混凝土支撐在前27天軸力波動小，變化比較穩(wěn)定。在第28天時軸力發(fā)生突變性增長，由24.13 kN增加到31.2 kN，原因在于施加了第三道鋼支撐，這與計算結(jié)果曲線的變化趨勢相吻合。施做第三道鋼支撐完成后，軸力值略有波動，在開挖至基坑底部時，軸力略有增加且逐漸趨于較穩(wěn)定，表明內(nèi)支撐對深基坑變形有明顯的抑制作用。

3.7.3 深基坑周圍地表沉降

在計算過程中，嚴格按照現(xiàn)場地表沉降監(jiān)測點的布置方式進行監(jiān)測，并將計算所得到的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析，得出基坑開挖完成時周圍地表豎向位移實測結(jié)果和計算結(jié)果對比曲線，見圖7。

從圖7可以看出，地表沉降曲線均呈“拋物線”，在地表沉降曲線變化趨勢上，F(xiàn)LAC數(shù)值計算所得與現(xiàn)場實測所得基本吻合，沉降槽中心均發(fā)生在距坑壁8m處，基坑施工對距基坑20 m以外的地表影響很小。地表沉降計算值最大5.01 mm，較實測值小了32.6%，因為沒有考慮滲流對周圍地表沉降的影響。

圖5 ZQT－7樁身水平位移計算值與實測值對比曲線

圖6 鋼筋混凝土支撐ZL1－6軸力計算值與實測值對比曲線

圖7 基坑開挖完成時周圍地表沉降計算值與實測值對比曲線

綜合以上分析可知，F(xiàn)LAC數(shù)值計算得到的深基坑變形規(guī)律與現(xiàn)場實測得到的深基坑變形規(guī)律基本相吻合。FLAC數(shù)值計算能夠進行深基坑施工前的預(yù)演，可對原有的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行評價和優(yōu)化，從而確保施工過程中深基坑的安全穩(wěn)定以及周圍鄰近建(構(gòu))筑物的安全使用。

4 結(jié)語

運用FLAC軟件對大差市地鐵車站深基坑開挖及支護的全過程進行了真實模擬，分析了西安黃土地區(qū)地鐵車站深基坑變形規(guī)律，并通過現(xiàn)場實測驗證，得出以下結(jié)論:

(1)樁身水平位移能夠直接反映圍護結(jié)構(gòu)變形特性，內(nèi)支撐對深基坑變形有明顯的抑制作用，防止基坑向坑內(nèi)發(fā)生過大變形。圍護樁水平位移最大的地方發(fā)生在基坑中部到三分之二基坑深度處，基坑周邊地表沉降槽中心距坑壁8 m。

(2)各個開挖工況下樁身水平位移、內(nèi)支撐軸力以及基坑周圍地表沉降變化規(guī)律的計算值和實測值變化趨勢基本一致，表明本文提出的監(jiān)測方案合理有效。同時，說明FLAC數(shù)值模擬可在基坑施工前對圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性做出評價，并且為控制基坑變形和確定基坑穩(wěn)定提供參考依據(jù)，具有指導意義。

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