地鐵車站深基坑變形監(jiān)測及FLAC3D模擬研究

肖 海（湖南省第二測繪院，湖南長沙410119）

地鐵車站深基坑變形監(jiān)測及FLAC3D模擬研究

肖 海（湖南省第二測繪院，湖南長沙410119）

地鐵車站深基坑工程是地鐵修建過程中的關(guān)鍵工程，由于深基坑工程系統(tǒng)復(fù)雜，為避免工程事故的發(fā)生，基坑監(jiān)測工作顯得尤為重要。本文從深基坑的變形機理出發(fā)，介紹了深基坑工程的特點、開挖變形機理，以及影響基坑變形的因素，并以長沙市地鐵車站深基坑變形監(jiān)測為例，進行了深基坑變形監(jiān)測及基于FLAC3D的模擬研究，以期為相關(guān)工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

地鐵車站；深基坑；變形監(jiān)測；模擬

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市地鐵建造正蓬勃發(fā)展。地鐵深基坑深埋于地下，其環(huán)境因素復(fù)雜，基坑工程本身的安全與穩(wěn)定存在威脅；且因土方開挖可能引起周圍地層移動而危及相鄰建筑物、地下管線及市政設(shè)施。為避免基坑系統(tǒng)設(shè)計施工中的事故發(fā)生，對深基坑的監(jiān)測工作顯得尤為重要。

2 深基坑工程特點

2.1 施工風(fēng)險大

在施工過程中，基坑工程通常為臨時性措施，因而在基坑工程設(shè)計計算時，其圍護體系中不必考慮地震等荷載?；庸こ叹哂械蛷姸取⑿∽冃?、低防滲、耐久性不長等特點，對安全儲備的要求較低；對利潤追求的最大化又可能導(dǎo)致投資不足，設(shè)計不合理，實際的安全儲備可能更小[1]。

2.2 制約因素多

工程當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件會對基坑工程產(chǎn)生巨大影響。在基坑工程的設(shè)計與施工過程中，必須全面掌握工程所處的自然地理、氣候氣象、水文、工程地質(zhì)，弄清周圍自然環(huán)境與基坑開挖之間的關(guān)系及相互作用[1]。此外，基坑工程圍護結(jié)構(gòu)體系還受到相鄰的建筑物、地下構(gòu)筑物、地下管線等因素制約，這些因素甚至?xí)蔀榛庸こ坛蓴∨c否的關(guān)鍵。

2.3 計算理論不完善

作為地下工程的基坑工程，作用在基坑圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力，既與樁體的水平位移大小、方向有關(guān)，也與受力持續(xù)時間有關(guān)。目前，對基坑圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力進行設(shè)計與計算時，往往采用經(jīng)驗取值，或應(yīng)用朗肯土壓力理論、庫侖土壓力理論，再根據(jù)工程實際進行經(jīng)驗修正。目前有關(guān)土壓力的理論還亟待完善，尤其是在地下水水位高時的工況條件下，各地制定的技術(shù)規(guī)程或規(guī)范還沒有統(tǒng)一[2]。

2.4 環(huán)境效應(yīng)復(fù)雜

基坑工程的開挖與建設(shè)，勢必會改變基坑周圍地基中地下水的水位和應(yīng)力場，引起周圍地基土體的失穩(wěn)與變形，直接影響臨近建筑物、地下構(gòu)筑物和地下管線等工程設(shè)施[2]。工程施工過程中產(chǎn)生的粉塵、噪音、泥漿、渣土等也會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，因此必須考慮基坑工程的環(huán)境效應(yīng)[3]。

2.5 知識經(jīng)驗要求高

基坑工程集巖土工程與結(jié)構(gòu)工程于一體，基坑工程的設(shè)計和施工緊密相連，這就要求所有從業(yè)人員須同時具備施工和設(shè)計方面的理論知識，需要設(shè)計施工人員具有豐富的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗。

3 基坑開挖變形機理

基坑圍護結(jié)構(gòu)和基坑土體失穩(wěn)變形的原因一般有兩種：

（1）基坑開挖過程中，土體自身的重力在不斷發(fā)生變化，使原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)在土中的滲流力或鄰近打樁施工擾力等外界力作用下遭到破壞[3]。

（2）土的抗剪強度受控于氣候等外界因素影響，這些外界因素會導(dǎo)致土的原有內(nèi)在結(jié)構(gòu)被改變，造成土的抗剪強度降低。各種人類活動的干擾，也促使土體原有的力學(xué)平衡被打破，從而引起基坑圍護墻體的水平或豎向變形、基坑底部隆沉、以及基坑周圍地表、建筑物及附屬設(shè)施的沉降等變形現(xiàn)象[4]。

4 影響基坑變形的因素

按照屬性的不同，影響基坑變形的因素可分為三大類[5]：

第一類——固有因素。即現(xiàn)場的水文地質(zhì)條件及周邊的環(huán)境條件，如土體的強度、地下水位、坑邊構(gòu)筑物、高層建筑和超載等。

第二類——與設(shè)計相關(guān)的因素。即圍護結(jié)構(gòu)的特征、開挖尺寸、支撐預(yù)應(yīng)力、地基加固設(shè)計，如墻體剛度、支撐剛度、插入深度、基坑尺寸、支撐預(yù)應(yīng)力大小以及地基加固方法等。

第三類——與施工相關(guān)的因素。即施工方法、施工周期及施工人員水平等。

5 工程應(yīng)用及分析

5.1 工程概況

本研究選取長沙市地鐵1號線南門口站作為監(jiān)測對象。南門口站址位于城南路與黃興南路交叉口，所在地段是長沙市最為繁華的商業(yè)區(qū)域。南門口站為地下二層島式站臺車站，總長168.72m，標(biāo)準段外包寬20.2m，車站四個象限共設(shè)有4個出入口、2組共8個風(fēng)亭。主體結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度為3.10～4.26m，車站中心里程處頂板覆土厚度約3.2m，底板埋深約17.3m，車站采用明挖法、局部采用蓋挖法施工。車站主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)采用800mm厚地下連續(xù)墻，車站主體設(shè)全外包防水層。

5.2 監(jiān)測內(nèi)容

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，監(jiān)控量測由兩部分組成，即：基坑內(nèi)部監(jiān)測和周圍環(huán)境監(jiān)測（見表1）。其主要目的是掌握車站基坑在施工過程中基坑及周圍環(huán)境的變形。

表1 施工監(jiān)測項目及精度要求

5.3 FLAC3D深基坑開挖模擬5.3.1基本假設(shè)

結(jié)合基坑實際施工情況，作以下假設(shè)：

（1）模擬區(qū)域土體為各向同性且均勻的彈塑性體；

（2）開挖前不考慮土體的應(yīng)力和性狀，此時土體在自重狀態(tài)下呈固結(jié)狀態(tài)；

（3）模擬過程中不考慮降水及滲流，不考慮地表附加荷載影響。

5.3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

研究選取南門口站擴大端和標(biāo)準段的一段基坑作為仿真對象，模擬范圍為90m×60m×44m的區(qū)域，共劃分網(wǎng)格單元54530個，共計59640個網(wǎng)格節(jié)點。模型前后邊界施加x方向的水平約束，左右邊界施加y方向的水平約束，底面施加z方向的豎向約束。

5.3.3 參數(shù)選取與計算階段

根據(jù)計算區(qū)域內(nèi)土體的物理力學(xué)性質(zhì)，將部分性質(zhì)相近的土體合并，因而模擬區(qū)域土體被劃分為四類，即雜填土、粉質(zhì)粘土、卵石及泥巖（見表2）。參考巖土工程勘察報告及長沙地區(qū)規(guī)范及當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗可得：各層土體的力學(xué)計算參數(shù)如表2所示，地下連續(xù)墻以及鋼支撐等圍護結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)如表3所示。

表2 各土體物理力學(xué)計算參數(shù)

表3 圍護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

5.3.4 模擬結(jié)果及分析

（1）圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

本研究通過FLAC3D軟件模擬了四個施工階段，即階段1——基坑開挖2m，階段2——基坑開挖8m，階段3——基坑開挖12m，階段4——基坑開挖至設(shè)計深度。

圖1～2分別為各階段條件下連續(xù)墻最大、最小主應(yīng)力分布圖。從圖1可見：基坑開挖與支撐交替進行，圍護結(jié)構(gòu)自身所受到的作用力在方向和大小上不斷變化，連續(xù)墻最大主應(yīng)力都出現(xiàn)在基坑工程的底部?；娱_挖階段1，圍護結(jié)構(gòu)所受到的最大壓應(yīng)力為0.34MPa，開挖至最底部后最大壓應(yīng)力為1.6MPa；應(yīng)力集中于基坑兩側(cè)，且基坑角部附近應(yīng)力集中最為顯著，說明基坑兩邊以及角部附近的空間作用最強（如圖1所示）。

圖1 各階段條件下連續(xù)墻最大主應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

從圖2可見：基坑開挖至最底部后，圍護結(jié)構(gòu)所受到的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在基坑圍護結(jié)構(gòu)底部，其值約為0.35MPa?；娱_挖過程中，圍護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，基坑開挖階段1，圍護結(jié)構(gòu)端部基坑外側(cè)由于沒有預(yù)先施加支撐而受拉，仍處于軟弱土層的基坑底部內(nèi)側(cè)則受拉，且以開挖面為界，開挖面以上基坑以內(nèi)側(cè)受拉為主，開挖面以下基坑以外側(cè)受拉為主（如圖2所示）。

圖2 各階段條件下連續(xù)墻最小主應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

（2）鋼支撐軸力分析

通過仿真得到鋼支撐軸力的模擬結(jié)果，將其與對應(yīng)實測資料進行比較得知：基坑擴大端與標(biāo)準端兩處的鋼支撐軸力模擬結(jié)果與實測資料較接近，兩者的變化趨勢大致吻合，即鋼支撐軸力隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大 （見表4～5），其中個別差異較大。這是因為仿真模型中用梁單元與連續(xù)墻共節(jié)點之間的連接作用來突顯支撐結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)實工程中圓鋼管支撐與樁的相互作用是存在一定差異的，實際施工過程中支撐結(jié)構(gòu)會隨著時間的延長而應(yīng)力發(fā)生松弛與損耗，且實測時沒有考慮溫度的影響。無論是實測資料還是模擬結(jié)果，都能發(fā)現(xiàn)：基坑開挖整個過程中，擴大端和標(biāo)準端兩處的鋼支撐軸力均未發(fā)生明顯突變，由此表明基坑開挖過程始終處于安全可控的狀態(tài)。

表4 鋼支撐軸力實測值與模擬值的對比（擴大端）

表5 鋼支撐軸力實測值與模擬值的對比（標(biāo)準端）

（3）圍護樁樁身位移分析

圖3是仿真模擬得到的圍護結(jié)構(gòu)水平位移圖。從圖3上可以看出：基坑開挖整個過程中，靠近開挖面處的圍護樁樁身水平位移最大，并向基坑外側(cè)變形，其值由最初的0.8mm，逐漸增大至10mm（如圖3所示）。

圖3 圍護結(jié)構(gòu)水平位移圖

6 結(jié)論

本文從深基坑的變形機理出發(fā)，介紹深基坑工程的特點、開挖變形機理以及影響基坑變形的因素，通過研究得到：

（1）基坑邊坡的位移趨勢和支護結(jié)構(gòu)的變形特性直接由圍護樁的樁體水平位移值反映，這是評價圍護結(jié)構(gòu)安全狀況的重要指標(biāo)，且實測值均小于設(shè)計容許值，表明工程安全。

（2）深基坑在開挖過程中，支護結(jié)構(gòu)由于兩側(cè)承受不同的土壓力而產(chǎn)生水平位移。

（3）圍護樁變形最大的位置位于基坑開挖部分的中下部，而不在基坑頂部。由于鋼支撐的作用，對圍護樁的水平位移起到了重要的限制作用。圍護樁變形呈現(xiàn)出較強的空間效應(yīng)，基坑中部的圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大，越靠近基坑的角點，圍護結(jié)構(gòu)的水平位移越小。

[1]陳忠漢，黃書秩，程麗萍.深基坑工程（第二版）[M].機械工業(yè)出版社，1999.

[2]龔曉南，高有潮.深基坑工程設(shè)計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[3]孫 凱，許振剛，劉庭金，等.深基坑的施工監(jiān)測及其數(shù)值模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（2）：293～298.

[4]任建喜，高立新，劉 杰，等.深基坑變形規(guī)律現(xiàn)場監(jiān)測[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2008，28（3）：445～449.

[5]任建喜，馮曉光，劉 慧，等.地鐵車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律監(jiān)測研究[J].鐵道工程學(xué)報，2009，3：89～92.

TU433

A

2095-2066（2016）24-0039-03

2016-7-1

肖 海（1981-），男，工程師，本科，主要從事國土資源調(diào)查、工程測量、不動產(chǎn)測量、地理信息數(shù)據(jù)處理等方面的工作。