某地鐵車(chē)站區(qū)域基坑蓋挖法開(kāi)挖有限元數(shù)值模擬

劉 芳 黃海波

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南寧530012; 2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南寧 530007)

0 引 言

隨著城市的發(fā)展,地下空間的開(kāi)發(fā)使用變得越來(lái)越重要,大量的地下工程出現(xiàn)于城市建筑設(shè)施密集區(qū),包括地下通道,地鐵車(chē)站,地下商業(yè)街等。因此,基坑工程的重要性日益凸顯。為了不影響已建成設(shè)施的正常使用,基坑開(kāi)挖過(guò)程的變形控制變得十分關(guān)鍵。許多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始研究基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響[1-4]。

為了不影響地面交通,地下車(chē)站的施工往往采用蓋挖法[5-7]。但是目前對(duì)于蓋挖法施工相關(guān)的技術(shù)和理論研究還有待深入,實(shí)際施工往往需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),并根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行全面綜合分析,因此對(duì)于蓋挖法的理論研究具有重要的工程意義。本工程基坑與已建成地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)正交,采用蓋挖法施工。本文通過(guò)數(shù)值模擬基坑開(kāi)挖施工全過(guò)程,考慮逆作法頂板施工提供的支撐效應(yīng),監(jiān)測(cè)地鐵結(jié)構(gòu)以及基坑本身變形規(guī)律,提出了一些變形控制方案,可以為同類(lèi)工程提供參考。

1 基坑工程概況

1.1 工程概況

工程位于較為繁華的商業(yè)區(qū)和交通主干道內(nèi),圖1為基坑工程平面布置圖,新開(kāi)挖基坑與已建成地鐵結(jié)構(gòu)正交,地坪標(biāo)高為-0.1 m,基坑開(kāi)挖深度為10.30 m?？紤]到為了盡快恢復(fù)交通,主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆做法施工,圍護(hù)形式采用長(zhǎng)螺旋鉆孔樁加高壓旋噴樁間止水,選用參數(shù)為φ700@1 000,L=15 m。施工順序如下:①?lài)o(hù)止水高壓旋噴樁、鉆孔樁、結(jié)構(gòu)工程樁施工;②開(kāi)挖淺部土方,施工蓋板,蓋板兼作圍護(hù)樁支撐;③蓋板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到100%后,施工管線(xiàn)及其他工序,回填上部覆土,恢復(fù)路面交通;④蓋板下部按照分區(qū)、分層、分塊的原則,開(kāi)挖至底板墊層底;⑤基坑坑底以上30 cm土體進(jìn)行人工挖土,清底后24小時(shí)內(nèi)澆筑混凝土墊層和底板,墊層和底板施工至圍護(hù)樁邊;⑥施工地下人防剩余結(jié)構(gòu)。

地鐵結(jié)構(gòu)底板墊層底標(biāo)高約-16.67 m,地鐵結(jié)構(gòu)跨徑18.3 m,柱徑0.7 m×1.1 m,柱間距8 m,側(cè)墻厚度0.7 m,中樓板厚0.4 m,頂板和地板厚0.9 m,地下連續(xù)墻厚0.8 m,墻底標(biāo)高約-24.6 m。頂板(頂板梁)、中板(樓板梁)、底板(底板梁)、側(cè)墻和內(nèi)墻采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35,立柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。

圖1 基坑工程平面分布圖Fig.1 Plan graph pf foundation pit project

1.2 工程地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地地形平緩,地貌上屬滇池湖相沉積盆地北部盤(pán)龍江沖洪積Ⅰ級(jí)階地?？碧姐@孔揭露深度范圍內(nèi)地基主要土層為第四系人工填土層(Qml),第四系沖洪積相(Qal+pl)黏土,第四系沖湖積圓礫、粉土、含粉質(zhì)黏土圓礫、粉質(zhì)黏土。場(chǎng)地土層自上而下依次為:①素填土,②黏土,②1粉土,③圓礫,③1粉土,④含粉質(zhì)黏土圓礫,④1黏土,④2黏土。土層參數(shù)如表1所示。

表1土層參數(shù)

Table 1Parameters of the soil

2 模型建立

2.1 建立模型

根據(jù)已知工程資料分析,將模型簡(jiǎn)化如下。

其中考慮基坑開(kāi)挖的最大影響范圍3～4倍的開(kāi)挖深度,因此模型長(zhǎng)寬尺寸取為200 m×200 m的尺寸。影響深度為開(kāi)挖深度的2～4倍[8],本模擬中基坑開(kāi)挖深度為10.3 m,因此影響深度為20.6～41.2 m,同時(shí)考慮到基坑圍護(hù)樁主要打入第③層土作為持力層,因此模型的深度尺寸取為52.6 m。圖3為地基模型,模型分為五個(gè)部分,分別包括地基土(圖3(a))、已有隧道(圖3(b))、基坑開(kāi)挖土(圖3(c))、基坑擋墻(圖3(d))和地基加固區(qū)(圖3(e))。

圖3(a)所示為開(kāi)挖地基土的模型,其中每層分層為土層的分層。圖3(b)為已有隧道模型,其中分區(qū)主要方便用于劃分網(wǎng)格。圖3(c)為基坑要開(kāi)挖出的土體,其中分區(qū)主要是土層分區(qū)和人防結(jié)構(gòu)的建立及基坑分布開(kāi)挖的深度。圖3(d)為基坑的擋墻,將灌注樁簡(jiǎn)化為連續(xù)墻,彈性模量通過(guò)面積等效進(jìn)行計(jì)算確定,考慮到基坑開(kāi)挖對(duì)隧道變形的控制,增加基坑底部加固方案,基底加固方法在其他工程中也有類(lèi)似應(yīng)用[5]。圖3(e)為基坑底部的加固區(qū),其區(qū)域模型基本與實(shí)際工程表示一致,進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,設(shè)置為連續(xù)的加固區(qū)。

圖2 地基有限元模型Fig.2 Finite element model

圖3 地基模型組成部分Fig.3 Composition of foundation model

2.2 材料參數(shù)設(shè)置

土體及加固區(qū)采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型。根據(jù)地質(zhì)勘查資料,土體材料以及加固區(qū)部分模型參數(shù)的設(shè)置如表1所示。地鐵結(jié)構(gòu)材料如前述,C35混凝土彈模為3.15×104,密度為2 500 kg/m3,C50混凝土彈模為3.45×104,密度為2 500 kg/m3。考慮到計(jì)算效率,擋土結(jié)構(gòu)等效簡(jiǎn)化為連續(xù)墻,因此其彈性模量簡(jiǎn)化為3.15×104,密度為2 000 kg/m3。

2.3 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

對(duì)應(yīng)工程實(shí)際施工步驟,有限元模擬分析步設(shè)置如表2所示。

表2分析步設(shè)置

Table 2Analytical steps setting

接觸的設(shè)置較多,接觸需要設(shè)置接觸對(duì),選擇兩個(gè)相接觸的Part,設(shè)置可以分為表3所示的三種類(lèi)型。

表3接觸設(shè)置

Table 3Contact element setting

由于接觸對(duì)較多,需要在設(shè)置接觸時(shí),將接觸面單獨(dú)設(shè)置出來(lái)。如圖4所示,基坑擋墻與地鐵結(jié)構(gòu)的接觸設(shè)置。

圖4 基坑擋墻和地鐵結(jié)構(gòu)接觸設(shè)置Fig.4 Retaining wall and subway structure contact setttig

荷載設(shè)置為模型整體加重力。邊界條件為模型側(cè)邊限制側(cè)向位移,底部限制豎向位移。

網(wǎng)格的劃分在有限元的計(jì)算中十分重要,目前處于調(diào)節(jié)網(wǎng)格階段,網(wǎng)格的好壞直接影響計(jì)算的結(jié)果。因此網(wǎng)格的劃分十分重要。網(wǎng)格單元只要分為四面體單元和六面體單元(8節(jié)點(diǎn)和20節(jié)點(diǎn))。對(duì)于規(guī)則的模型可以采用六面體單元進(jìn)行劃分,對(duì)于不規(guī)則或者復(fù)雜的模型可采用四面體單元進(jìn)行劃分。由于本模型基坑開(kāi)挖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此模型采用四面體進(jìn)行劃分。

3 結(jié)果分析

3.1 開(kāi)挖過(guò)程地鐵結(jié)構(gòu)變形

為了不影響已建成結(jié)構(gòu)的安全和正常使用,基坑開(kāi)挖對(duì)已建成隧道的影響應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi),相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求隧道豎向與水平位移不能超過(guò)20 mm,隧道變形曲率半徑必須大于15 000 m,相對(duì)彎曲不大于1/2 500[3,9]。圖5中在開(kāi)挖過(guò)程中地鐵車(chē)站中部z方向位移變化,數(shù)值大于零表示位移向上,可見(jiàn)隨著基坑開(kāi)挖,地鐵隧道呈現(xiàn)隆起變形且變形總體隨開(kāi)挖深度增加而增大。圖中能看出未經(jīng)過(guò)基底加固模型地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)豎向位移較大(13.85 mm),因此考慮基坑坑底加固方案。

圖5 地鐵車(chē)站底部中點(diǎn)豎向變形隨開(kāi)挖過(guò)程的變化Fig.5 Vertical deformation in the middle of subway structureinthe excavation process

加固區(qū)域?yàn)閳D2(e),圖5可以看出基底加固后地鐵車(chē)站最大豎向變形減少了約63%。地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)水平變形控制在0.55 mm左右,豎向變形在5.13 mm左右。在開(kāi)挖完成后地鐵結(jié)構(gòu)變形位移云圖如圖6所示。豎向變形影響較大,最大變形區(qū)域集中在地鐵隧道中間部位,對(duì)應(yīng)基坑的開(kāi)挖部分。

圖6 地鐵車(chē)站開(kāi)挖完成后變形圖Fig.6 Deformation of the subway structure after excavation

由結(jié)果可知,采用在基坑底部邊緣設(shè)置加固區(qū)方案開(kāi)挖對(duì)現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu)影響較小,產(chǎn)生的位移在一定程度上受邊界的影響,但是由于模型尺寸較大,基坑對(duì)地鐵車(chē)站的水平位移與豎向位移的影響能夠在模型中得到很好地體現(xiàn)。地鐵車(chē)站的水平位移與豎向位移控制在一定范圍內(nèi),滿(mǎn)足要求?？梢?jiàn)加固土起到了較明顯的作用。

3.2 擋墻變形結(jié)果

選取東側(cè)基坑南側(cè)擋墻中點(diǎn)位置處進(jìn)行記錄,開(kāi)挖過(guò)程中此位置處隨深度的位移如圖7所示,大于零表示變形指向基坑內(nèi)側(cè)。

圖7 開(kāi)挖過(guò)程中擋墻變形Fig.7 Deformation of retaining wall in the excavation process

圖7可以看出,第二步為開(kāi)挖西側(cè)第一層土,東側(cè)還未開(kāi)挖土體,因此東側(cè)擋墻位移很小,第三步與第四步是同時(shí)的,即東側(cè)第一層土開(kāi)挖完直接在同一分析步中改的頂板參數(shù),因此第三步記錄的東側(cè)擋墻位移很小,第四步則開(kāi)始產(chǎn)生較明顯的變形,可見(jiàn)擋墻較大變形的位置隨著支撐結(jié)構(gòu)的施加和開(kāi)挖深度的變化而變化,擋墻上部變形較大,頂板支撐附近變形很小,表明支撐可以起到控制變形的作用。

圖8為開(kāi)挖完成后擋墻位移云圖,擋墻結(jié)構(gòu)水平位移x方向(即沿地鐵車(chē)站的縱向方向)控制在1.78 mm。在擋墻的西北側(cè)轉(zhuǎn)折處、東北側(cè)轉(zhuǎn)折處,陽(yáng)角(內(nèi)折角)處由于基坑空間效應(yīng),受力較為不利,需要進(jìn)行支撐加固,防止變形過(guò)大[10]。

圖8 開(kāi)挖完成后擋墻位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of retaining walls after excavation

3.3 地基土變形

地基土變形隨著開(kāi)挖過(guò)程逐漸加大,圖9為開(kāi)挖完成后整體基坑土體變形圖,最大位移出現(xiàn)在基坑底部未加固區(qū)域,主要表現(xiàn)為隆起變形,最大位移控制在9.05mm左右(此時(shí)部分網(wǎng)格已經(jīng)發(fā)生破壞,最大值發(fā)生在其他部分畸形網(wǎng)格位置)。

圖9 開(kāi)挖完成后地基土位移變形云圖Fig.9 Displacement nephogram of the ground after excavation

3.4 二維模擬結(jié)果驗(yàn)證

由于未有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),因此作為對(duì)比驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行二維模擬,分析基坑土體及地鐵主體結(jié)構(gòu)底板豎向位移,模型以及開(kāi)挖完成后變形見(jiàn)圖10,模型參數(shù)和分析步設(shè)置均與三維模型保持一致。

表4為開(kāi)挖過(guò)程中基坑和車(chē)站主體結(jié)構(gòu)底板豎向位移。在未加固和加固工況下,地基土位移均隨開(kāi)挖加深而增大,最大位移分別為16.41 mm和8.87 mm,對(duì)于基底加固工況,最大位移出現(xiàn)在基底非加固區(qū),可見(jiàn)坑底加固能有效減小基坑隆起,三維模擬得到基坑最大位移約為9.05 mm,與二維模擬結(jié)果接近。在基底未加固工況下,地鐵結(jié)構(gòu)底板位移隨著開(kāi)挖先增大后減小再增大,最大位移發(fā)生在第四步(16.33 mm),在加固工況下,地鐵結(jié)構(gòu)底板位移隨著開(kāi)挖加深而增大,最大位移為4.76 mm,位于底板位置,與圖5進(jìn)行對(duì)比可見(jiàn),二維模擬車(chē)站結(jié)構(gòu)底板位移結(jié)果和三維結(jié)果相一致。

圖10 二維模型模擬結(jié)果Fig.10 The simulation results for 2-D model

表4二維模型模擬結(jié)果

Table 4Results of 2-D simulation

4 結(jié) 論

本文通過(guò)模擬某地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)已建成地鐵車(chē)站的影響,工程采取蓋挖逆作法施工,并對(duì)比選擇了基底加固方案,分析了開(kāi)挖過(guò)程中地鐵車(chē)站的變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)和地基土的變形,同時(shí)考慮了蓋挖法頂板作為支撐對(duì)基坑結(jié)構(gòu)變形的影響。主要得出以下結(jié)論:

(1) 基底未加固模型開(kāi)挖造成地鐵車(chē)站變形較大,為了減小基坑開(kāi)挖對(duì)已有地下結(jié)構(gòu)的影響,采取加固基底部分區(qū)域的方案后,加固后地鐵車(chē)站最大變形減少約63%。地鐵車(chē)站變形主要集中在基坑開(kāi)挖區(qū)域。

(2) 基坑開(kāi)挖過(guò)程中變形主要集中在擋墻頂部,蓋挖法頂板施工除了可以快速恢復(fù)交通,還可以作為支撐,能起到控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的作用。

(3) 地基土的變形隨著開(kāi)挖加深而逐漸增大,變形主要集中在非加固區(qū)。

(4) 建立了二維模型進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程模擬,基坑土體和地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)變形結(jié)果與三維保持一致,驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文研究結(jié)果為蓋挖逆作法以及基坑開(kāi)挖對(duì)已有隧道結(jié)構(gòu)的影響相關(guān)的工程有一定的參考意義。