深圳地鐵在建明挖隧道區(qū)間基坑工程施工過(guò)程數(shù)值模擬

于雅琳, 武 科,王亞君

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南 250061)

深圳地鐵在建明挖隧道區(qū)間基坑工程施工過(guò)程數(shù)值模擬

于雅琳1, 武 科1,王亞君2

(1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南 250061)

在深圳地鐵基坑工程的基礎(chǔ)上，用ABAQUS數(shù)值計(jì)算分析方法，對(duì)地鐵區(qū)間復(fù)雜的基坑周邊環(huán)境進(jìn)行分析，研究淤泥質(zhì)黏土地層對(duì)基坑建設(shè)的影響。研究表明：基坑開(kāi)挖后基坑底部會(huì)有比較明顯的隆起現(xiàn)象，基坑塑性破壞區(qū)域主要集中于基坑底部與樁基相接觸的位置，隨著基坑的開(kāi)挖施工，其周邊巖土體介質(zhì)均不存在較明顯失穩(wěn)破壞區(qū)域，對(duì)周邊建筑物的正常運(yùn)營(yíng)影響較小。

基坑；淤泥質(zhì)黏土；破壞；數(shù)值模擬

地鐵車(chē)站的設(shè)計(jì)和施工是整個(gè)地鐵線路施工和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，而車(chē)站明挖深基坑中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)占有重要的比例，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)大約能占到整個(gè)工程的三分之一。地鐵車(chē)站深基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到基坑的安全穩(wěn)定，而且能影響到工程的總造價(jià)[1]?；拥淖冃问艿降叵滤?、巖土特性、外荷載等諸多因素的影響，開(kāi)展城市地鐵車(chē)站深基坑施工力學(xué)機(jī)理研究對(duì)地鐵工程的安全建設(shè)具有重要價(jià)值。

地鐵車(chē)站施工方法有暗挖法、明挖法、盾構(gòu)法等。在地鐵設(shè)計(jì)過(guò)程中由于要將項(xiàng)目的安全和經(jīng)濟(jì)性放在首要位置考慮，所以經(jīng)常采用明挖的施工方法。由于地鐵大多要貫穿于市中心，所以地鐵站周?chē)慕ㄖ锩芗曳比A，從而使地上道路和地下設(shè)施交錯(cuò)縱橫，有時(shí)也需要從既有建筑物的地下基礎(chǔ)附近穿過(guò)，因此大大增加了明挖法的復(fù)雜性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出許多解決方案，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)地鐵隧道基坑及其周?chē)慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真模擬，在結(jié)合相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)和計(jì)算理論的條件下，分析施工時(shí)的穩(wěn)定性能，是預(yù)測(cè)和分析基坑穩(wěn)定性的有效研究方法[2-6]。

目前，有限元數(shù)值模擬方法是研究基坑變形規(guī)律[7]的一種常用手段。常用線性彈性模型或非線性彈性模型來(lái)簡(jiǎn)化土體的本構(gòu)關(guān)系。在實(shí)際模擬過(guò)程中，模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差較大，這是因?yàn)榛油馏w力學(xué)性能多具有彈塑性等特性[8]。

為此，以數(shù)值計(jì)算分析方法為基礎(chǔ)，以深圳地鐵在建明挖地鐵車(chē)站深基坑工程為依托，分析了在建地鐵車(chē)站區(qū)間基坑周邊復(fù)雜的環(huán)境，其中將淤泥質(zhì)黏土地層對(duì)深基坑失穩(wěn)破壞的影響作為重點(diǎn)研究對(duì)象，揭示深基坑失穩(wěn)破壞機(jī)理。

1 工程概況

益田停車(chē)場(chǎng)為全地下雙層停車(chē)場(chǎng)，主體基坑長(zhǎng)555.7 m，寬50.75 m，基坑開(kāi)挖深度21.7 m，南北側(cè)分別為福榮路和廣深高速公路。基坑采用明挖順筑法施工，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要選用800 mm地下連續(xù)墻。場(chǎng)地范圍內(nèi)淤泥層厚度為10 m左右，結(jié)合主體結(jié)構(gòu)型式，基坑豎向設(shè)置3道水平支撐，第1道支撐采用了鋼筋混凝土支撐，支撐水平間距4 m，第二道支撐和第三道支撐均采用φ609@2000的鋼管支撐。

基坑范圍地層自上而下依次為素填土、淤泥、淤泥質(zhì)黏性土、卵石、砂土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。設(shè)計(jì)的支護(hù)模型為連續(xù)墻與內(nèi)支撐相結(jié)合。此外，采用雙排攪拌樁預(yù)加固處理技術(shù)對(duì)地下連續(xù)墻槽壁進(jìn)行加工，通過(guò)增設(shè)水泥攪拌樁隔墻和在臨近廣深高速公路側(cè)增設(shè)雙排高壓旋噴樁，從而達(dá)到預(yù)防淤泥層縱向滑移的目的[9-11]。淤泥類(lèi)土對(duì)工程的地質(zhì)條件有著特殊影響，主要是因?yàn)橛倌嗟目紫侗却笄姨烊缓屎芨?，極易發(fā)生破壞，淤泥的滲水性低，呈中壓縮性、高靈敏度、抗剪強(qiáng)度低、承載力低等特點(diǎn)，且在吸水飽和的狀態(tài)下具有觸變性、流變性等特性。此外，淤泥的承載能力十分低，且其強(qiáng)度的增長(zhǎng)非常緩慢，對(duì)淤泥進(jìn)行施加荷載后，易導(dǎo)致淤泥發(fā)生大變形形變，且變形大多呈不均勻分布的現(xiàn)象[12-15]。變形速率大且穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，并且具有滲透性小、觸變性及流變性大等特點(diǎn)[16]，淤泥土地基會(huì)對(duì)本工程的地層沉降規(guī)律造成特殊影響。

2 數(shù)值計(jì)算方法

本文基于大型有限元程序ABAQUS，針對(duì)淤泥質(zhì)地層大型地鐵車(chē)站深基坑工程的穩(wěn)定性，建立了益田停車(chē)場(chǎng)深基坑三維有限元模型，南北側(cè)分別為福榮路和廣深高速公路，如圖1所示。其中，模型長(zhǎng)698 m，寬287 m，高80 m，單元共計(jì)95 480。

圖1數(shù)值計(jì)算模型

模擬中土體采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則，支撐部分采用彈性屈服準(zhǔn)則[17]。模擬中彈性模量E的取值目前根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式一般取2Es～5Es。用目前進(jìn)行的12組試算結(jié)果，對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果，大致確定E=4Es。其他土層參數(shù)按照勘測(cè)報(bào)告取值，勘測(cè)報(bào)告沒(méi)有給出的，采用深圳地區(qū)其他工程取值暫時(shí)代替，巖土介質(zhì)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

數(shù)值模擬中采用的模擬步驟與實(shí)際工程中的施工步驟相同，具體如表2所示。

表1 模擬中的材料參數(shù)表

表2 數(shù)值模擬步驟

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

圖2～圖4分別給出了地鐵車(chē)站深基坑建設(shè)初期、中期和完成后深基坑周邊地層和地下連續(xù)墻的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖。由圖2～圖4可知：(1) 基坑的開(kāi)挖，導(dǎo)致基坑周?chē)馏w變形，這對(duì)周邊既有公路的影響比較大，運(yùn)營(yíng)公路一側(cè)的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)將承受一定的應(yīng)力作用； (2) 基坑開(kāi)挖后，由于開(kāi)挖部分土體的側(cè)向土壓力的作用，樁基會(huì)產(chǎn)生反彎點(diǎn)，而在基坑底部作為反彎點(diǎn)的支點(diǎn)的土體，就會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大主應(yīng)力值可以達(dá)到1 MPa左右，明顯比起附近的土體的應(yīng)力值要大許多； (3) 地連墻應(yīng)力分布不均，受支撐影響，支撐與地連墻連接部位應(yīng)力達(dá)到3.6×105MPa，而無(wú)支撐連接部分應(yīng)力在3.6 MPa～6.6×105MPa之間，明顯大于周?chē)馏w應(yīng)力。

圖2 深基坑周邊地層最大主應(yīng)力

圖3 深基坑周邊地層最小主應(yīng)力

圖4地下連續(xù)墻主應(yīng)力

3.2 應(yīng)變分析

圖5給出了大型地鐵車(chē)站深基坑開(kāi)挖完成之后豎向變形云圖。圖6為地下連續(xù)墻豎向變形曲線圖。由圖5、圖6可知：(1) 基坑開(kāi)挖后基坑底部會(huì)有比較明顯的隆起現(xiàn)象，這在基坑施工中影響還是比較大的，因此在施工中要特別注意采取相應(yīng)措施； (2) 基坑兩側(cè)部位有比較明顯的沉降產(chǎn)生，其沉降量可達(dá)28 mm，沉降范圍也是比較小的，周邊既有結(jié)構(gòu)的沉降位移也是非常小的，可以忽略不計(jì)； (3) 第三層開(kāi)挖完成后地表沉降影響范圍與開(kāi)挖深度成正相關(guān)，并且每層開(kāi)挖后的沉降趨勢(shì)為先增大后減小。

圖5 豎向變形圖

圖6地下連續(xù)墻墻頂豎向位移變形曲線

圖7為大型地鐵車(chē)站深基坑開(kāi)挖完成之后水平方向變形云圖，圖8為地下連續(xù)墻橫向變形曲線圖。由圖7、圖8可知：(1) 水平方向變形量最大的地方位于基坑頂部?jī)蓚?cè)位置，其最大值可以達(dá)到24 mm，這是在主動(dòng)土壓力的影響下，基坑頂部?jī)蓚?cè)土體有比較明顯的向基坑內(nèi)部方向變化的趨勢(shì)，這與現(xiàn)有研究以及工程經(jīng)驗(yàn)相符合一致； (2) 由于樁基的存在，基坑底部土體作為樁基的一個(gè)支撐點(diǎn)，其受力也是比較大的，相應(yīng)地表現(xiàn)在位移方面，基坑底部?jī)蓚?cè)也有向中間變形的趨勢(shì)，其變形量最大可以達(dá)到23 mm。

圖7橫向變形圖

3.3 塑性破壞區(qū)

圖9給出了深基坑塑性破壞區(qū)云圖。由圖9可知：(1) 塑性區(qū)域主要出現(xiàn)在基坑底部以下靠近樁基的位置，該位置作為樁基的支點(diǎn)； (2) 在該位置以上部分樁基受力主要是水平指向基坑內(nèi)部，在該位置以下樁基受力主要是水平指向基坑的外部； (3) 在既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)的兩個(gè)角點(diǎn)位置的上部，由于其距離所要開(kāi)挖的基坑比較近，所受基坑開(kāi)挖的影響比較大，應(yīng)力水平比較高，故也相應(yīng)地出現(xiàn)了塑性區(qū)域。

圖8 地下連續(xù)墻橫向位移變形曲線

圖9塑性區(qū)圖

4 結(jié) 論

在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合深圳地鐵在建地鐵車(chē)站深基坑的工程，分析了在建地鐵車(chē)站區(qū)間基坑周邊復(fù)雜的環(huán)境，其中將淤泥質(zhì)黏土地層對(duì)深基坑失穩(wěn)破壞的影響作為重點(diǎn)的研究對(duì)象。揭示深基坑失穩(wěn)破壞機(jī)理。得到以下研究結(jié)果：

(1) 按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行深基坑工程建設(shè)，雖然深基坑的開(kāi)挖對(duì)周邊隧道的影響比較大，且運(yùn)營(yíng)公路一側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)將承受一定的應(yīng)力作用，但整體不會(huì)對(duì)既有公路產(chǎn)生破壞和影響。

(2) 基坑塑性破壞區(qū)域主要集中于基坑底部與樁基相接觸的位置。

(3) 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力最大的位置位于縱向支撐與樁基之間的節(jié)點(diǎn)位置以及橫向第三道支撐的中部位置。因此，在施工建設(shè)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

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NumericalSimulationofDeepOpenCutFoundationPitConstructioninLargeSubwayStationofShenzhenSubway

YU Yalin1, WU Ke1, WANG Yajun2

(1.SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan,Shandong250061,China;2.Geo&StruEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan,Shandong250061,China)

In this paper, the influence of silty clay stratum on the construction of foundation pit is studied by analyzing the complicated environment surrounding the foundation pit of the tunnel under the foundation of the foundation pit of the Shenzhen Metro. The results show that there are obvious uplift phenomena at the bottom of the foundation pit after excavation, and the plastic damage area of the foundation pit is mainly concentrated in the position of the bottom of the foundation pit and the pile foundation. With the excavation of the foundation pit, soil medium does not exist obvious damage to the destruction of the area, and there is little impacts to the surrounding building as well.

deepfoundationpit;siltyclay;destruction;numericalsimulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.031

2017-07-21

2017-08-19

于雅琳(1994—)，女，山東濟(jì)南人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛訑?shù)值模擬。 E-mail：825516736@qq.com。

TU43

A

1672—1144(2017)06—0158—05