支護頂力對明挖法車站基坑變形及受力特征研究

闞秋紅

上海建科工程咨詢有限公司，中國·上海 200032

1 引言

隨著中國上海市軌道交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，地鐵隧道、站點不可避免的臨近既有建筑物、地下管線或穿越交通繁忙地區(qū)[1]。對于這類情況，施工過程中控制基坑及施工場地附近的地層沉降具有重要的意義。在地鐵車站的施工過程中內(nèi)支撐與兩側(cè)的支護體系的受力、變形特征是影響附近場地沉降特征的關(guān)鍵因素之一，通過適當?shù)念A(yù)加載頂力，保證整個支護體系穩(wěn)定性，以防止施工過程中對既有構(gòu)筑物產(chǎn)生損害。

高文華與楊林德[2]利用有限元軟件對深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形時空效應(yīng)進行建模計算，認為基坑圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)有關(guān)。關(guān)于支護結(jié)構(gòu)水平位移的情況，Peck[3]對圍護結(jié)構(gòu)的變形進行了相關(guān)研究，認為基坑開挖導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)水平變形的最大點應(yīng)該位于其頂端。Blackburn & Finno[4]在挖掘過程中收集的性能監(jiān)測數(shù)據(jù)中觀察到了三維效果，并總結(jié)了施工程序，對不同形式的圍護結(jié)構(gòu)進行了總結(jié)。Golden & Gordon[5]發(fā)現(xiàn)鋼支撐中不同的鋼型號、混凝土支撐中支撐的尺寸、支撐布置方式以及整體支撐結(jié)構(gòu)的剛度，直接影響著支撐效果。張忠苗等[6，7]對杭州某建筑基坑進行了監(jiān)測，對基坑開挖過程水平支撐的軸力進行了對比分析，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，每道支撐設(shè)置與否都會對周圍支撐的受力產(chǎn)生較大影響。單仁亮等[8]模擬了PBA 工法下車站導(dǎo)洞的不同開挖方案，通過分析變形與受力狀態(tài)，得出了影響最小的開挖方案。孫清與王萬慶[9]研究了混凝土支撐情況下深基坑開挖過程中支護及其變形問題，采用軟件對灌注樁的變形及受力、水平支撐的軸力、地表和基坑土中各點的變形及受力情況進行了數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，得到基坑各個開挖過暗挖法地鐵隧道的變形情況，為此種方式的施工積累了大量的經(jīng)驗。魏龍海等[10]利用ANASYS 有限元軟件對軟土地層中隧道開挖模式進行了優(yōu)化方案研究。楊曉杰等[11]利用FLAC3D 研究了明挖法施工中地下圍護樁對基坑穩(wěn)定性的影響。孫克國等[12]研究了圍擋位移變化的規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬值略大于實際測量。

數(shù)值模擬作為一種針對明挖法車站基坑支護穩(wěn)定性研究較為可靠的計算方法，兼?zhèn)溆嬎憔雀?、可重?fù)性強等優(yōu)點。為了保證施工過程與施工后運營期的地鐵場站與既有構(gòu)筑物的安全與穩(wěn)定，應(yīng)在施工前期對內(nèi)支撐預(yù)頂力加載方案進行數(shù)值模擬研究，以確定其安全性與合理性，并通過研究結(jié)果，對受力、變形規(guī)律及趨勢形成預(yù)判。論文采取ABAQUS 有限元模擬軟件對施工過程進行模擬，采用多組預(yù)頂力加載方案進行模擬，依托上海大世界地鐵站明挖法施工，進行基坑及地表位移監(jiān)測，對方案進行驗證。

論文針對中國上海地鐵大世界站明挖法施工基坑內(nèi)支撐頂力加載方案進行模擬及現(xiàn)場實測，確定加載量及加載方式。

2 項目概況及模擬方案

2.1 項目概況

大世界站主體位于金陵東路和金陵中路下，騎跨西藏南路、柳林路，東起云南路，西至龍門路。本站為地下二層島式站臺車站，主體規(guī)模227m×19.6m（內(nèi)徑），站臺中心處頂板覆土約2.48m，底板埋深約15.62m。大世界西區(qū)西端頭井基坑凈長度16.6m，凈寬23.5m，開挖深度17.5m，西段頭井設(shè)置5 道支撐，西段標準段設(shè)置4 道支撐，各支撐位置關(guān)系剖面圖如圖1所示。

圖1 各支撐位置關(guān)系

2.2 數(shù)值模擬方案簡介

論文采用ABAQUS 有限元模擬軟件，土體采用M-C 彈塑性本構(gòu)模型。假設(shè)最下側(cè)支撐由于基坑底部開挖導(dǎo)致的土體松動對側(cè)壁土無約束作用。計算值以靜止土壓力為界限，分別對6 種工況進行等效面積頂力計算，并根據(jù)現(xiàn)場施工實際方案進行加載。左側(cè)無頂力下主動土壓力為邊界，右側(cè)為3 倍被動土壓力等效面積頂力為界。根據(jù)支撐布置位置利用靜止土壓力公式計算其各項土壓力，鋼支撐頂力工況設(shè)置如表1所示。

表1 鋼支撐加載頂力設(shè)置參數(shù)

共設(shè)置19 個分析步，其中包括初始應(yīng)力平衡分析步、實現(xiàn)自動地應(yīng)力平衡，地下連續(xù)墻開挖作分析部及5 個開挖、5 個支撐、5 個頂力分析步。土體采用M-C 彈塑性準則。具體模型如圖2所示。

圖2 三維模型簡圖

其中，黃色為土體，藍色為地下連續(xù)墻，紅色為基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。各部件的力學(xué)參數(shù)如表2～表4所示。

表2 土體力學(xué)參數(shù)

表3 連續(xù)墻力學(xué)及幾何參數(shù)

表4 支撐力學(xué)及幾何參數(shù)

2.3 現(xiàn)場實測方案簡介

論文依照200kN 等壓加載進行實際加載，于基坑邊緣與各支撐位置上表面設(shè)置變形監(jiān)測標，在每次開挖結(jié)束后利用萊卡NA2+GPM3（測量精度±0.3mm/km）全站儀計量數(shù)據(jù)并記錄，該數(shù)據(jù)用于驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同加載工況下支護結(jié)構(gòu)及土體變形受力特征

圖3（a）～（c）為工況1、2、3 下的土體受力圖；圖4（a）～（c）為工況1、2、3 的支護受力圖；圖5（a）～（c）為工況1、2、3 的土體水平方向變形圖；圖6（a）～（c）為工況1、2、3 的土體垂直方向變形圖。

從圖3中可以看出，應(yīng)力最大部位集中于基坑底部兩側(cè)的位置，應(yīng)力隨著天然土層埋深增大而增大，隨著支護結(jié)構(gòu)頂力的增加，土體所受到的力逐漸增大，在基坑底部應(yīng)力明顯增大，基坑兩側(cè)的應(yīng)力較大區(qū)域明顯擴大，這個現(xiàn)象在側(cè)壁頂端尤為明顯。

圖3 土體受力狀態(tài)

從圖4中可以看出，不同加載模式影響支護結(jié)構(gòu)及土體變形模式，頂力越大，基坑地面處地下連續(xù)墻應(yīng)力顯著增大，這是由于地下連續(xù)墻相當于一個懸臂梁，在約束條件變化位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可考慮在該位置增加約束或適當采取不等量加載的方式緩解應(yīng)力集中。同時隨著頂力從100kPa 增加至400kPa，地下連續(xù)墻在頂力施加位置出現(xiàn)了具有沖切性質(zhì)的應(yīng)力集中，如圖4（c）所示，因此當頂力增加的同時，不僅需要考慮土體的應(yīng)力狀態(tài)由主動土壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為被動土壓力狀態(tài)，也應(yīng)考慮到支撐頂力過大時對圈梁及地下連續(xù)墻的沖切作用，應(yīng)適當考慮放大截面、優(yōu)化材料確保頂力均勻傳遞。從圖5中可以看出，隨著支護頂力的增大，基坑兩側(cè)土體的總收斂量呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律。這說明在逐漸增大頂力的過程中，墻后土體并非頂力越大水平位移越小，當大于臨界值后，土體水平方向上的變形呈現(xiàn)出隨頂力增大而增大的現(xiàn)象。從圖6中可以看出，隨著頂力的增大，基坑兩側(cè)側(cè)壁土體的垂直沉降量呈現(xiàn)出明顯減小的規(guī)律，且基坑底部隆起量值變化更為劇烈，但總體量值體現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。這說明地下連續(xù)墻上作用的支護結(jié)構(gòu)頂力有效地抑制了基坑底部的隆起趨勢。

圖4 支護受力狀態(tài)

圖5 土體水平方向變形特征

圖6 土體垂直方向變形特征

3.2 不同加載模式變形受力特征

圖7（a）～（c）為工況4 下的土體受力、支護受力及土體變形云圖。基坑受力最大值出現(xiàn)在基坑底部兩側(cè)位置，地下連續(xù)墻在頂力加載位置有明顯的應(yīng)力增大現(xiàn)象，遠離加載位置，應(yīng)力較小。變形矢量和最大值出現(xiàn)在基坑底部。對比工況3 與工況4 可以看出支撐架在裝置頂力總量一致時，分次加載與一次性加載對整個土體、支護結(jié)構(gòu)的變形受力影響較小，因此在實際施工過程中，可采用合適頂力進行一次性加載。

圖7 工況4

3.3 不等壓加載模式下變形受力特征

根據(jù)前文內(nèi)容可以判斷得知，相同的頂力設(shè)置及明挖法基坑的施工方案的支護模式會導(dǎo)致地下連續(xù)墻在基坑底部發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這對施工安全有較大影響，因此論文通過數(shù)值模擬軟件，考慮計算靜止土壓力量級，通過設(shè)置不等壓基坑支護加載模式（工況5），對不等壓加載方案進行研究，結(jié)果如圖8（a）～（c）所示。圖8為工況5 下的土體受力、支護受力及土體變形云圖。

從圖8（a）中可以看出，不等壓加載模式對原有土體的應(yīng)力狀態(tài)擾動較小，應(yīng)力隨深度增加而增加，最大值出現(xiàn)在基坑底部兩側(cè)位置，基坑底部中間位置應(yīng)力較小。地下連續(xù)墻應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在基坑底部位置，頂部及最底部受力均較小。從圖8（b）與圖4（a）（b）（c）對比可看出，相較于等壓加載，不等壓加載在滿足變形條件的前提下，地下連續(xù)墻的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了明顯的改善，并且低壓伺服裝置較高壓伺服裝置有更好的經(jīng)濟性。從圖8（c）中可以看出土體變形矢量和最劇烈的位置出現(xiàn)在基坑中部，基坑兩壁變形矢量和較小，相較工況1～工況3，不等壓加載模式在位移總量上沒有明顯的變化，土體的變形特征較等壓加載分布更為平緩。

圖8 工況5

4 實測與模擬結(jié)果對比分析

表5為實際200kN 加載值與200kN 模擬值對比結(jié)果，考慮到邊界效應(yīng)及基坑端頭與標準段開挖方式差異性，因此選取基坑標準段中部位移變形情況進行對比，分別于基坑底部中點、各級支撐頂部、基坑邊緣、基坑兩側(cè)設(shè)置水平收斂監(jiān)測點，距基坑邊緣10m、20m 位置設(shè)置垂直沉降監(jiān)測點。

表5 工況2 模擬值與實測值對比

從表中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果略小于實測結(jié)果，但總體規(guī)律相符；變形量隨著基坑深度的增加逐級增大，最大值達到26.6mm，坑底邊緣模擬結(jié)果的收斂量遠小于實測收斂量，這是由于數(shù)值模擬過程中基坑坑底未開挖部分的水平支撐作用充分發(fā)揮，而實際開挖過程中對基坑底部水平支撐作用的擾動幅度遠大于理論計算值。實測基坑底部隆起變形量值小于數(shù)值模擬值，這是由于基坑底部在開挖過程中持續(xù)卸荷，基底回彈完全，而數(shù)值模擬過程不能很好的反應(yīng)該過程。

5 結(jié)語

論文針對上海地鐵大世界站明挖法開挖基坑液壓支護結(jié)構(gòu)五種不同工況下預(yù)頂力對基坑支護結(jié)構(gòu)的受力、變形特征進行研究，通過ABAQUS 有限元模擬軟件，選取合適預(yù)頂力參數(shù)，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比。結(jié)果表明：

（1）相同加載方案下，不同預(yù)加載頂力的大小決定著土體、支護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的不同，隨著頂力的增長，靜止土壓力較小區(qū)域（基坑較淺部位）的土體受力變大，而靜止土壓力較大區(qū)域（基坑底部附近）的受力變化不大。

（2）基坑支護各級頂力加載相同的情況下，隨著頂力的增加，地下連續(xù)墻于基坑底部位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。

（3）隨著基坑支護頂力的增加，基坑兩側(cè)土體的總收斂量呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律。隨著頂力的增大，基坑兩側(cè)側(cè)壁土體的垂直沉降量呈現(xiàn)出明顯減小的規(guī)律，且基坑底部隆起量值變化更為劇烈，總體量值體現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。

（4）不等壓加載模式下，基坑兩側(cè)土體的應(yīng)力狀態(tài)受到的擾動較小，且地下連續(xù)墻與基坑底部位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了較大改善。不等壓加載的量值可以根據(jù)靜止土壓力計算公式確定。