同深基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰地鐵車站特性研究

曹前 ，秦鵬，周云

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通處于高速發(fā)展時(shí)期，地鐵換乘車站作為軌道交通網(wǎng)絡(luò)中重要的建筑物，具有埋深大、跨度大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)[1]。因城市用地緊張，必然在緊鄰已運(yùn)營(yíng)地鐵車站開(kāi)挖深基坑，而深基坑側(cè)開(kāi)挖對(duì)已運(yùn)營(yíng)地鐵車站產(chǎn)生影響，必須嚴(yán)格控制已運(yùn)營(yíng)地鐵車站結(jié)構(gòu)變形[2]。王杰光等[3]結(jié)合南寧某地鐵深基坑為工程背景，對(duì)比模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，總結(jié)出墻體外側(cè)地表沉降與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；任偉明等[4]以北京地鐵工程為背景，運(yùn)用 FLAC3D軟件建立三維數(shù)值分析模型模擬深基坑開(kāi)挖，通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析基坑工程施工對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)的影響，總結(jié)相關(guān)變形規(guī)律，并提出建議措施；胡春杰等[5]針對(duì)基坑逆作法開(kāi)挖，運(yùn)用 MIDAS/GTS軟件分析整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下連續(xù)墻與柱的沉降變化規(guī)律；蔡武林[6]為研究基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵站的影響，通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證參數(shù)選取的合理性；Finno等[7]提出 PSR(三維模型與二維模型中基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)最大位移的比值)概念，運(yùn)用有限元模擬三維空間效應(yīng)，以基坑長(zhǎng)邊與開(kāi)挖深度比值、基坑長(zhǎng)邊與短邊比值和圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度為變量，得出 PSR與各變量之間的經(jīng)驗(yàn)公式；Potts等[8]針對(duì)采用有限元模擬墻體前部開(kāi)挖和后部填土2種工況，以側(cè)向系數(shù)K0為變量，得出在K0越低，模擬結(jié)果比極限平衡法低；K0越高，模擬結(jié)果比極限平衡法高；Qu等[9]采用鄧肯?張模型模擬水泥攪拌樁加固坑底，對(duì)比復(fù)合地基和樁土分開(kāi)加固效果，得出 2種加固效果相差不大；曠慶華[10]運(yùn)用ABAQUS軟件研究同深基坑開(kāi)挖引起的緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)變形發(fā)展變化規(guī)律進(jìn)行分析，并討論有效控制車站結(jié)構(gòu)變形的主要施工措施。但是，大多數(shù)研究主要集中在地鐵車站周邊局部淺基坑開(kāi)挖上，對(duì)于并行同深基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵車站影響的研究較少。本文以長(zhǎng)沙地鐵某車站為工程背景，運(yùn)用MID AS/GTS有限元分析軟件，建立三維數(shù)值計(jì)算模型，研究并行同深基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵車站內(nèi)力和變形的規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，得出一些有效結(jié)論，為類似工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)情況

以長(zhǎng)沙地鐵某車站為工程背景，該車站外包總長(zhǎng)165.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬25.5 m，車站中心里程處頂板覆土厚度約3.6 m，底板埋深約30 m。車站主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.0 m厚地下連續(xù)墻。車站北側(cè)建設(shè)車站設(shè)備區(qū)，并與車站共用地下連續(xù)墻，遠(yuǎn)側(cè)采用0.8 m厚短地連墻支護(hù)。車站設(shè)備區(qū)深基坑采用明挖順作和蓋挖逆作相結(jié)合的施工工藝，基坑明挖順作段采用3道內(nèi)支撐，第1道支撐為鋼筋混凝土支撐，第2和3道支撐為鋼支撐；基坑蓋挖逆作段則利用各層樓板作為支撐體系，明挖順作段部分與地下商業(yè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目相接，地面標(biāo)高以下約10 m的土體采用先行共同開(kāi)挖的方式處理，余下的部分采用短地連墻支護(hù)；蓋挖逆作段先行施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)和中間立柱，然后自上而下澆筑各層板、側(cè)墻，并完成各層土方開(kāi)挖。圖1為擬建深基坑與既有地鐵車站相對(duì)位置圖。

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告，車站位于內(nèi)陸湖相沉積的白堊地層，車站范圍內(nèi)構(gòu)造形跡不甚發(fā)育，巖層層面穩(wěn)定、產(chǎn)狀平緩，巖性以泥質(zhì)粉砂巖為主。表 1為地層的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)。

圖1 擬建深基坑與既有地鐵車站相對(duì)位置圖Fig. 1 Relative location between proposed deep foundation pit and the existing subway station

表1 地層的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Main physical and mechanical performance index of formation

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算假定

1) 基坑開(kāi)挖為三維空間有限元問(wèn)題；

2) 巖土體采用Mohr－Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，單元類型為實(shí)體單元；

3) 混凝土支撐、鋼支撐、車站結(jié)構(gòu)梁、柱均采用空間梁?jiǎn)卧M，而車站結(jié)構(gòu)樓板采用板單元模擬；

4) 地下連續(xù)墻采用板單元模擬，更好地反映土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的非線性接觸效應(yīng)；

5) 不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖和降水對(duì)土體性質(zhì)的影響，基坑開(kāi)挖期間土體按不排水條件考慮，不考慮滲流和固結(jié)的影響；

6) 不考慮土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移，土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移耦合；

7) 地面超載按20 kPa壓力荷載施加在整個(gè)模型平面范圍內(nèi)。

2.2 計(jì)算模型

基坑平面尺寸約166 m×28 m，開(kāi)挖深度約30 m。考慮基坑開(kāi)挖對(duì)周邊土體的擾動(dòng)，三維模型取為350 m×200 m×100 m，計(jì)算模型的上邊界為自由邊界，底部全約束，各個(gè)側(cè)面限制水平方向位移。三維有限元分析模型圖見(jiàn)圖2。

2.3 本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)

地下連續(xù)墻、混凝土支撐、車站梁-柱以及車站樓板變形在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中變形相對(duì)較小，不會(huì)達(dá)到屈服狀態(tài)，故本計(jì)算中采用線彈性本構(gòu)。鋼筋混凝土重度均取24 kN/m3，彈性模量3.0×104MPa，泊松比0.2。

圖2 三維有限元模型Fig. 2 Three-dimensional finite element model

2.4 分析步驟

依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件，基坑開(kāi)挖可劃分為 11個(gè)分析步驟，具體分析步驟如下：

1) 第1次地應(yīng)力平衡(沉降置0)；

2) 施工地下連續(xù)墻、中間立柱及樁基；

3) 第2次地應(yīng)力平衡(沉降置0)；

4) 北側(cè)設(shè)備區(qū)及地下商業(yè)開(kāi)發(fā)范圍第 1次開(kāi)挖至?5 m，蓋挖逆作段施工頂板；

5) 北側(cè)設(shè)備區(qū)及地下商業(yè)開(kāi)發(fā)范圍第 2次開(kāi)挖至?10 m；

6) 明挖順作段施工冠梁及第1道混凝土支撐，蓋挖逆作段施工中1板；

7) 北側(cè)設(shè)備區(qū)第3次開(kāi)挖至?17 m；

8) 明挖順作段施工第2道鋼支撐，蓋挖逆作段施工中2板；

9) 北側(cè)設(shè)備區(qū)第4次開(kāi)挖至?24 m；

10) 明挖順作段施工第3道鋼支撐；

11) 北側(cè)設(shè)備區(qū)第5次開(kāi)挖至基坑底，蓋挖逆作段施工底板。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 基坑開(kāi)挖對(duì)車站柱軸力影響

選取車站端柱和車站標(biāo)準(zhǔn)段柱有限元分析結(jié)果，研究基坑開(kāi)挖對(duì)車站柱軸力影響。如圖3所示，柱軸力從頂板至底板逐漸增大，這是由于上部及各層荷載通過(guò)結(jié)構(gòu)柱向下傳遞，車站標(biāo)準(zhǔn)段柱軸力與車站端柱軸力相比較大。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，柱軸力呈線性減少，且柱軸力降低幅度為?4.7%，說(shuō)明車站單側(cè)卸載對(duì)既有地鐵車站結(jié)構(gòu)柱內(nèi)力的影響較小。圖中A和B表示端柱和標(biāo)準(zhǔn)段柱；1，2和3分別表示地下1層、地下2層和地下3層。

圖3 柱軸力Fig. 3 Axial force of columns

3.2 基坑開(kāi)挖對(duì)車站結(jié)構(gòu)板內(nèi)力影響

選取臨近明挖順作段和蓋挖逆作段車站頂板和底板有限元分析結(jié)果，研究基坑開(kāi)挖對(duì)車站結(jié)構(gòu)板內(nèi)力影響。如圖4所示，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，頂板和底板的最大彎矩值呈線性增加，且最大彎矩增加幅度為8.1%；靠近明挖順作段頂板彎矩與靠近蓋挖逆作段頂板彎矩相差較大，靠近明挖順作段底板彎矩與靠近蓋挖逆作段底板彎矩相差較小。圖5所示為基坑開(kāi)挖深度對(duì)車站頂板和底板最大主應(yīng)力的影響，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，頂板最大主應(yīng)力增大，第4次基坑開(kāi)挖結(jié)束后，頂板最大主應(yīng)力無(wú)明顯變化，最大主應(yīng)力增加幅度為6.6%；在前4次基坑開(kāi)挖中，底板最大主應(yīng)力呈線性降低，第5次基坑開(kāi)挖結(jié)束后，底板最大主應(yīng)力有所增加，最大主應(yīng)力降低幅度為?1.7%，說(shuō)明車站單側(cè)卸載對(duì)既有地鐵車站結(jié)構(gòu)板內(nèi)力的影響較小。

圖4 車站板最大彎矩Fig. 4 Maximum bending moment of the board of station

圖5 車站板最大主應(yīng)力Fig. 5 Maximum principal stress of the board of station

3.3 基坑開(kāi)挖深度對(duì)車站結(jié)構(gòu)板位移影響

選取明挖順作段和蓋挖逆作段車站頂板和底板有限元分析結(jié)果，研究基坑開(kāi)挖對(duì)車站結(jié)構(gòu)板最大位移影響。圖6所示為基坑開(kāi)挖對(duì)車站頂板最大位移的影響，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，靠近明挖順作段和蓋挖逆作段的頂板最大位移基本上呈線性增長(zhǎng)，變化幅度分別為442%和850%。遠(yuǎn)離基坑一側(cè)頂板最大位移基本上呈線性增長(zhǎng)，變化幅度為381%。圖7所示為基坑開(kāi)挖對(duì)車站底板最大位移的影響，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，底板最大位移基本呈線性增加，靠近明挖順作段底板最大位移變化幅度為 640%，遠(yuǎn)離基坑一側(cè)底板最大位移變化幅度為 700%。說(shuō)明基坑開(kāi)挖對(duì)車站結(jié)構(gòu)板位移影響較大。這是由于，隨著土方開(kāi)挖的進(jìn)行，頂板外側(cè)防止頂板變形的土壓力逐漸降低，頂板外側(cè)變形約束力減小，頂板鼓脹變形增加；并且蓋挖逆作發(fā)生在順作之后，土壓力降低更加明顯，導(dǎo)致蓋挖逆作段的頂板位移大于順作時(shí)段的位移。

圖6 車站頂板位移Fig. 6 Displacement of the roof of station

圖7 車站底板位移Fig. 7 Displacement of the floor of station

3.4 基坑開(kāi)挖深度對(duì)地下連續(xù)墻內(nèi)力影響

選取地下連續(xù)墻最大彎矩有限元分析結(jié)果，研究基坑開(kāi)挖對(duì)地下連續(xù)墻內(nèi)力影響。圖8所示為基坑開(kāi)挖深度對(duì)地下連續(xù)墻最大彎矩的影響，從圖中可以看出，前4次基坑開(kāi)挖中，地下連續(xù)墻最大彎矩逐漸增大，第5次基坑開(kāi)挖，地下連續(xù)墻最大彎矩降低；靠近基坑一側(cè)車站地下連續(xù)墻最大彎矩大于基坑長(zhǎng)邊地下連續(xù)墻最大彎矩，基坑長(zhǎng)邊最大彎矩大于基坑短邊最大彎矩。

圖8 地下連續(xù)墻最大彎矩Fig. 8 Maximum bending moment of underground continuous wall

圖9 車站監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 9 Monitoring point arrangement diagram of station

圖10 有限元結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig. 10 Contrast diagram between the finite elementresults and measured results

3.5 基坑開(kāi)挖深度對(duì)地下連續(xù)墻側(cè)向位移影響

選取地下連續(xù)墻位移有限元分析結(jié)果，研究基坑開(kāi)挖深度對(duì)地下連續(xù)墻內(nèi)力影響。圖9為地鐵車站測(cè)點(diǎn)布置圖，圖 10為地下連續(xù)墻位移有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比。從圖中可以看出，各測(cè)點(diǎn)有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果走勢(shì)基本相同，模擬值小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，這是由有限元模擬中基本假定與實(shí)際情況差別導(dǎo)致。說(shuō)明挖順作段的地下連續(xù)墻最大位移高于蓋挖逆作段；靠近基坑一側(cè)地下連續(xù)墻位移與遠(yuǎn)離基坑一側(cè)地下連續(xù)墻位移相差不大。

圖11 水平位移隨深度及時(shí)間變化的關(guān)系曲線Fig. 11 Curves of horizontal displacement with the change of depth and time

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

圖11為測(cè)點(diǎn)P-03，P-06，P-09和P-17水平位移隨基坑開(kāi)挖深度及時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，測(cè)點(diǎn)P-03最大水平位移高于測(cè)點(diǎn)P-09和P-17最大水平位移，說(shuō)明挖順作段的地下連續(xù)墻最大位移高于蓋挖逆作段，靠近基坑一側(cè)地下連續(xù)墻位移高于遠(yuǎn)離基坑一側(cè)地下連續(xù)墻；通過(guò)對(duì)基坑采取加強(qiáng)支護(hù)措施，各測(cè)點(diǎn)水平位移逐漸趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1) 車站柱軸力從頂板至底板逐漸增大，這是由于上部及各層荷載通過(guò)結(jié)構(gòu)柱向下傳遞。車站標(biāo)準(zhǔn)段柱軸力與車站端頭相比較大，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，柱軸力變化較小，這說(shuō)明車站單側(cè)卸載對(duì)既有地鐵車站結(jié)構(gòu)柱內(nèi)力的影響較小。

2) 車站頂板靠近明挖順作段的內(nèi)力較大，靠近蓋挖逆作段的內(nèi)力較小，因?yàn)樯w挖逆作段頂板在施工期間由于未直接承受荷載，整體內(nèi)力值較小，但隨著施工的進(jìn)行也有逐漸增大的趨勢(shì)。隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，底板的彎矩和最大主應(yīng)力值均變化較小。

3) 基坑開(kāi)挖對(duì)車站結(jié)構(gòu)板最大位移影響較大，這主要是由于受基坑開(kāi)挖的影響，土體變形從基坑底向外傳遞，導(dǎo)致車站發(fā)生背向基坑的傾斜。明挖順作段的最大位移稍大于蓋挖逆作段。

4) 隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，地下連續(xù)墻內(nèi)力逐漸增大，基坑長(zhǎng)邊的連續(xù)墻彎矩大于基坑短邊的連續(xù)墻彎矩。

5) 隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，地下連續(xù)墻往基坑內(nèi)的側(cè)向變形越來(lái)越大，既有地鐵車站近基坑側(cè)與遠(yuǎn)基坑側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)均朝向基坑內(nèi)變形。

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