用FLAC3D分析地鐵車站基坑開挖與支護

侯景鵬，邢繼光

(1．東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012;2．中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司太原設(shè)計院，太原山西030000)

我國城市建設(shè)飛速發(fā)展，人口快速向大城市集中，城市道路交通擁堵問題日益嚴重．各大城市為緩解交通擁堵問題不約而同地選擇開發(fā)地下空間，我國迎來了一輪建設(shè)地鐵工程的高潮．車站深基坑的平面尺寸及開挖深度都有增大的趨勢，容易導(dǎo)致基坑周圍土體產(chǎn)生較大位移，使深基坑設(shè)計施工的難度不斷提高．建設(shè)地鐵車站不僅要保證基坑支護體系和基坑本身的穩(wěn)定，還要保證附近建筑和地下管線不受破壞，這就要求施工中嚴格控制周圍土體的變形．本文使用ITASCA公司推出的有限差分軟件FLAC3D對深圳市地鐵9號線某車站深基坑的開挖支護進行了數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果分析基坑內(nèi)外土體豎直位移和水平位移的規(guī)律．

1 工程概況

1．1 地質(zhì)條件

車站全長為315．638 m、標準段寬為21．6 m，車站底板埋深約17．5 m．車站主體和附屬結(jié)構(gòu)均采用明挖順筑法施工．該工程屬深圳市重點建設(shè)項目，工程重要性等級為一級;地形地貌較簡單、不良地質(zhì)作用一般發(fā)育．

原始地貌為臺地及其間溝谷區(qū)，地勢平坦．根據(jù)野外地質(zhì)鉆探結(jié)果和廣東地區(qū)地質(zhì)資料，上覆土層是第四系松散層，下伏基巖主要由花崗巖組成．

巖土分層主要有:素填土層，平均2．48 m;填石層，平均1．02 m;殘積可塑狀礫質(zhì)粘性土層，平均2．32 m;殘積硬塑狀礫質(zhì)粘性土層，平鈞4．80 m;全風(fēng)化花崗巖層，平均3．78 m;強風(fēng)化花崗巖層，平均3．61 m;中風(fēng)化花崗巖層，平均2．21 m;微風(fēng)化花崗巖層，平均7．82 m．

根據(jù)車站工程基坑尺寸和地質(zhì)情況，基坑側(cè)壁主要為殘積礫質(zhì)粘性土層及全、強、中、微風(fēng)化花崗巖，基坑底板主要為強、中、微風(fēng)化花崗巖．

1．2 支護方案

連續(xù)墻具有剛度大、整體性好、防滲性好、適應(yīng)性強等優(yōu)良性能，因此車站主體結(jié)構(gòu)采用連續(xù)墻形式，附屬結(jié)構(gòu)可采用鉆孔灌注樁，亦可采用螺桿樁［1］．

設(shè)計采用800 mm厚地下連續(xù)墻，墻頂設(shè)冠梁，截面為1．0 m×0．8 m，在墻頂冠梁位置設(shè)第一道鋼筋混凝土支撐，支撐截面為0．6 m×1．0 m，縱向支撐間距為9．0 m，第二、三道支撐采用鋼管撐，管徑600 mm．深基坑開挖過程一般選擇分層開挖，支撐架設(shè)需要操作平臺，應(yīng)開挖到支撐以下一定深度后再架設(shè)支撐．

根據(jù)上述情況，制定方案如下:

在墻頂處設(shè)置第一道鋼筋混凝土水平支撐;向下挖至8．5 m深度處，在8 m深度處設(shè)置第2道水平鋼支撐，此時為工況一;向下挖至13．5 m深度處，在13 m深度處設(shè)置第3道水平支撐，此時為工況二;最后向下挖至底部17．5 m深度，此時為工況三．

2 基坑開挖支護數(shù)值模擬

2．1 FLAC3D在基坑開挖中的應(yīng)用

FLAC3D是美國ITASCA咨詢集團公司推出的基于有限差分法的軟件．可以分析漸進破壞和失穩(wěn)，在大變形模擬方面優(yōu)于其他模擬軟件．它包括彈性材料模型、塑性材料模型、莫爾－庫侖彈性材料模型、應(yīng)變軟化/硬化塑性材料模型等多種本構(gòu)模型．除了巖土材料外，梁、樁、殼以及支護、襯砌、錨索、土工織物、摩擦樁等結(jié)構(gòu)也可以用FLAC3D進行模擬［2］．

2．2 計算模型及參數(shù)

建模主要分為兩部分:基坑土體和地下連續(xù)墻采用實體單元，實體單元的物理模型比襯砌單元清晰，參數(shù)較少．混凝土支撐和鋼管支撐采用beam單元．

FLAC3D中的“null”模型非常適用于模擬基坑的開挖［3］，模型單元被設(shè)定為“null”表示將該單元從模型中刪除．地鐵車站基坑長度較長，基坑中間很多部分處于同樣的受力狀態(tài)，會增加很多重復(fù)計算，降低計算效率，故選取基坑模型尺寸為長36 m，寬20 m，深18 m．選取合適的計算邊界有利于提高計算效率和結(jié)果的精度［4］．取整體模型的尺寸為長96 m，寬160 m，高38 m．

以端部基底中點為原點，基坑縱向為x方向，基坑寬度方向為y方向，深度方向為z方向．模型四周各側(cè)面和底面均限制法向位移;模型頂面即地面，設(shè)為自由面．建模時合理地劃分網(wǎng)格能夠明顯提高計算效率．距離基坑較近的區(qū)域是研究中重點，應(yīng)該增加網(wǎng)格密度．距離較遠區(qū)域受開挖的影響較小，網(wǎng)格可以疏一些．分析模型及支護示意圖，如圖1所示．

圖1 分析模型及支護示意圖

3 數(shù)據(jù)分析

3．1 基底隆起變形

豎直位移云圖，如圖2所示．可以看出基底中點隆起比較明顯．

在距離端部36 m的基坑底部取6個監(jiān)測點，分別距離基坑中點 0 m、2 m、4 m、6 m、8 m 和10 m．將測點各工況的基底隆起繪制成圖，如圖3所示．可以看出每次開挖后隆起明顯增加，基底中點隆起變形最大，距離中點越遠隆起變形越小，基底邊緣受圍護結(jié)構(gòu)制約，隆起最小．整體隆起變形數(shù)值偏大，這是土的回彈模量一般大于壓縮模量造成的．在莫爾－庫侖模型的研究中，目前除了在回彈為主的區(qū)域增大彈性模量參數(shù)數(shù)值，還沒有更好的解決方案被提出．

圖2 豎直位移云圖

圖3 y方向排列各測點的基底隆起

圖4 x方向排列各測點的基底隆起

在基底中心線上取7個監(jiān)測點，分別距離端部36 m、30 m、24 m、18 m、12 m、6 m 和 0 m．將測點各工況的基底隆起繪制成圖，如圖4所示．可以看出靠近基坑端部的范圍，端部墻體對基底隆起有明顯的約束作用，而遠離基坑端部的部分，基底隆起雖然也隨著端部距離的增大而增加，但增長并不明顯．三個工況的開挖深度分別為 8．5 m、13．5 m 和 18 m，而三個工況分別在與端部距離8．5 m、13．5 m和18 m左右的位置開始，隆起增長的趨勢明顯放緩．由此可知基坑端部墻體對基底隆起有顯著影響的范圍基本相當于開挖深度．

3．2 基坑坑壁側(cè)移

水平位移云圖，如圖5所示．可以看出支護結(jié)構(gòu)約束作用明顯，基坑側(cè)移最大值沒有出現(xiàn)在基坑頂部．

圖5 y方向水平位移云圖

圖6 豎直排列各測點的側(cè)移量

圖7 水平排列各測點的側(cè)移量

在距基坑端部36 m的基坑一側(cè)設(shè)置8個監(jiān)測點，分別距離基底－3 m、0 m、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m和18 m．將測點各工況的側(cè)移繪制成圖，如圖6所示．可以看出第一道混凝土支撐有效限制了基坑頂部的側(cè)移，基坑側(cè)移最大值出現(xiàn)在距基底3m處，最大值為3．49mm，最大值點高度以下受內(nèi)部土體約束而逐漸減?。?～6］．工況一中，側(cè)移最大值出現(xiàn)在開挖深度以下，這是因為第一道鋼筋混凝土支撐剛度較大，更好地限制了頂部的側(cè)移．所以應(yīng)縱向分段開挖，每開挖一段立即設(shè)置支撐，鋼管撐可施加預(yù)應(yīng)力，以此減小基坑的水平變形．

在基坑一側(cè)基底以上3m處設(shè)置7個監(jiān)測點，分別距離基坑端部36 m、30 m、24 m、18 m、12 m、6 m和0 m．將測點各工況的側(cè)移量繪制成圖，如圖7所示．可以看出每次開挖后基坑側(cè)移都明顯增加，端部墻體限制附近范圍的基坑側(cè)移，距離端部越遠，側(cè)移量越大．端部墻體在20 m范圍內(nèi)對基坑側(cè)移影響比較顯著，相當于基坑寬度．

3．3 地表位移

在距端部36m的地表設(shè)置15個監(jiān)測點，距離基坑中線的距離分別為10 m、12．5 m、15 m、17．5 m、20 m、22．5 m、25 m、27．5 m、30 m、35 m、40 m、50 m、60 m、70 m 和 80 m．將測點各工況沉降繪制成圖，如圖 8所示．可以看出連續(xù)墻有上浮的趨勢，沉降最大值出現(xiàn)在距基坑邊緣一定距離的地方，隨著距離增加，基坑開挖對地表沉降的影響也越來越?。?～11］．而沉降最大值出現(xiàn)的位置距基坑邊緣15 m～25 m，數(shù)值上與開挖深度相近．在地表位移最大值可能出現(xiàn)的范圍加強位移監(jiān)測可以有效監(jiān)控地下工程對臨近建筑的影響［12］．

圖8 地表豎向位移

圖9 地表水平位移

將各測點各工況y方向水平位移繪制成圖，如圖9所示．可以看出水平位移的變化趨勢與豎直沉降類似，最大值也出現(xiàn)在距基坑邊緣一定距離的區(qū)域．隨著與基坑中線的距離越來越大，水平位移也逐漸減小．水平位移最大值與沉降最大值出現(xiàn)的位置在同一范圍內(nèi)．

4 結(jié) 論

(1)利用三維有限差分軟件FLAC3D對基坑進行分步開挖支護模擬，計算得到基底隆起，基坑側(cè)移，地表豎直和水平位移．

(2)基底隆起最大值發(fā)生在基底中心處，基坑端部墻體在18 m范圍內(nèi)對基底隆起的影響較為明顯，其范圍相當于開挖深度．

(3)基坑側(cè)移最大值出現(xiàn)在距基底3 m處，最大值為3．49 mm．基坑端部墻體在20 m范圍內(nèi)對基坑側(cè)移的影響較為明顯，其范圍相當于基坑寬度．

(4)地表沉降最大值出現(xiàn)的位置距基坑邊緣15 m～25 m，數(shù)值上與開挖深度相近．

(5)支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計是安全可靠的，計算結(jié)果可以為工程設(shè)計提供參考．

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