地鐵基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和地基的穩(wěn)定性研究

沃云舟,曹廣勇

(安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

在地鐵基坑施工過程中，由于施工方法的不同，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境帶來諸多不確定因素，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用數(shù)值模擬、理論分析和物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)研究[1-5]。俞建霖、龔曉南[6]分析了深基坑工程的開挖尺寸對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響;包惠明、劉文斌[7]指出樁錨支護(hù)方案能有效控制基坑變形，保持基坑穩(wěn)定性;楊科、賈堅(jiān)[8]通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)上海土體擾動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，表明土體固結(jié)壓縮是沉降的主要因素；李凌云[9]通過對(duì)某高鐵站基坑的監(jiān)測(cè)分析，研究了基坑開挖時(shí)邊坡的土體位移規(guī)律；張慧、秦銀剛[10]用數(shù)值模擬法驗(yàn)證了數(shù)值模擬在深基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的實(shí)用性;曲夏、劉新宇等[11]根據(jù)施工反演計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)后續(xù)施工階段的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。然而，目前對(duì)合肥市地鐵車站基坑工程的研究較少。本文采用有限元軟件Midas建立合肥軌道交通4號(hào)線石臺(tái)路站基坑模型，并結(jié)合施工過程中的一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻和基坑周圍土體的受力與變形規(guī)律，為早期設(shè)計(jì)和后期基坑開挖過程中保持基坑的穩(wěn)定性以及為其他基坑工程中的類似施工管理和監(jiān)測(cè)提供參考。

1 工程概況

某基坑位于祁門路與石臺(tái)路交匯處，沿祁門路東西走向布置。石臺(tái)路站是合肥軌道交通4號(hào)線第11站。沿屯門公路東西走向安排第1線車站。機(jī)場(chǎng)線沿祁門路的南北方向排列。車站主體總長(zhǎng)202.1 m，總寬26.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬20.7 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面基礎(chǔ)埋深16.7～19.2 m，車站主體為地下兩層兩跨島式站臺(tái)結(jié)構(gòu)。平臺(tái)的寬度為12 m，縱向標(biāo)準(zhǔn)柱跨度為9 m，上覆土體厚度為2.98～4.34 m。該站主體基坑深度為16.7～23.8 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐系統(tǒng)。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型的基本假定

(1)土體被認(rèn)為是均勻、連續(xù)、各向同性的。

(2)模型中內(nèi)支撐和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料特性均勻，連續(xù)且各向同性，為理想的材料。

(3)不考慮土體固結(jié)和流變對(duì)土體的影響。所建模型中不考慮土體在實(shí)際施工中可能發(fā)生的降水和滲流影響。

(4)模型附近可能有較大荷載，計(jì)算時(shí)未予以考慮。不考慮周圍荷載對(duì)基坑開挖的總體影響。

圖1 計(jì)算模型圖

2.2 計(jì)算模型參數(shù)

基坑的開挖會(huì)對(duì)其開挖深度的3～4倍區(qū)域產(chǎn)生影響，于是取模型尺寸為600 m×200 m×60 m，模型計(jì)算采用的網(wǎng)格單元為混合四面體單元?；拥呢Q直邊界限制其水平位移，基坑的底部邊界限制其垂直位移。計(jì)算模型如圖1所示。

土體本構(gòu)關(guān)系采用修正莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則是在莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則基礎(chǔ)上改進(jìn)的本構(gòu)關(guān)系，可以考慮土體的剪切硬化效應(yīng)，能模擬非線性彈性性質(zhì)。模型參數(shù)見表1、表2：

表1 模型材料參數(shù)

表2 模型土層參數(shù)

2.3 計(jì)算模型單元

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元

計(jì)算模型中將圍護(hù)樁轉(zhuǎn)換成地下連續(xù)墻，轉(zhuǎn)換公式為：

(1)

(1)式中：t為排樁之間的凈距；D為灌注樁的直徑；h為折算后地下連續(xù)墻厚度。

模型土體和包絡(luò)結(jié)構(gòu)都使用實(shí)體單元，采用混合網(wǎng)格生成器生成混合網(wǎng)格。通過挖掘方法形成地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻采用C35混凝土。

(2)支撐結(jié)構(gòu)單元

基坑支護(hù)系統(tǒng)中，第一道支撐為混凝土支撐，第二、三、四、五、六道支撐為鋼結(jié)構(gòu)支撐。鋼支撐全部由直徑600 mm的鋼管制成。該模型中支撐的內(nèi)力和變形與梁?jiǎn)卧愃?，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

模型施工工況如下：①初始邊界條件，將所有土體位移清零，添加自重和邊界約束；②圍護(hù)墻施工；③開挖1，開挖至2.3 m處，施做第一道支撐；④開挖2，開挖至5.8 m處，施做第二道支撐；⑤開挖3，開挖至10.2 m處，施做第三道支撐；⑥開挖4，開挖至14.4 m處，施做第四道支撐；⑦開挖5，開挖至17.9 m處，施做第五道支撐；⑧開挖6，開挖至22.5 m處，施做底板。

3 數(shù)值模型結(jié)果分析

3.1 地下連續(xù)墻水平位移變化分析

地下連續(xù)墻水平位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果見圖2。

由圖2可知：隨著開挖過程的進(jìn)行，地下連續(xù)墻的水平位移逐步增大，其最大水平位移位于基坑開挖深度的9/20～13/20處；地下連續(xù)墻的變形呈現(xiàn)明顯的凸形，且主要集中在墻體的中上部，頂部和底部嵌固端變形較??；數(shù)值模擬結(jié)果小于實(shí)際監(jiān)測(cè)值，可能是由于實(shí)際工程中土體的不均勻性、基坑周邊存在附加動(dòng)力荷載和建筑物的靜荷載。但其模擬數(shù)值的變化趨勢(shì)和實(shí)際監(jiān)測(cè)值基本吻合，最大水平位移的位置基本相同，說明了模擬的正確性，對(duì)本工程和以后類似工程具有一定的指導(dǎo)意義，可以提前采取措施，保證基坑開挖的穩(wěn)定性。

圖2 地下連續(xù)墻水平位移實(shí)際監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比圖

3.2 地下連續(xù)墻外側(cè)周邊土體沉降變化分析

地下連續(xù)墻外側(cè)周邊土體的沉降曲線見圖3。

圖3 基坑外側(cè)土體沉降曲線

由圖3可知：開挖1時(shí)地表沉降最大值為1.4 mm，最大地表沉降點(diǎn)位于基坑邊緣2.51 m處，整個(gè)基坑外側(cè)周邊土體的沉降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定，形成了一個(gè)凹形的曲線，曲線1變化趨勢(shì)較為平緩；開挖2時(shí)，地表沉降最大值變?yōu)?.25 mm，其最大沉降點(diǎn)距地下連續(xù)墻距離由開挖1的2.51 m增大為4.9 m；開挖3時(shí)，沉降最大值處距地下連續(xù)墻距離仍為4.9 m，與開挖2位置一致，其曲線變化速率與開挖2曲線基本一致；開挖4、5、6時(shí)曲線變化速率相似，開挖4沉降最大點(diǎn)偏移到距墻體5.5 m處，而開挖5、6時(shí)沉降最大點(diǎn)仍為距墻體5.5 m處，基本不再向右偏移，直到基坑開挖到坑底處。從整體上看，基坑開挖對(duì)基坑周邊土體沉降影響的有效半徑為32.5 m，地下連續(xù)墻外側(cè)土體地面沉降值先增大后減小，在距離到達(dá)32.5 m后，地面沉降值基本不再變化。

3.3 地下連續(xù)墻厚度對(duì)水平位移的影響

在混凝土強(qiáng)度和配筋狀況相同的情況下，地下連續(xù)墻的厚度會(huì)對(duì)其水平位移造成影響。地下連續(xù)墻厚度對(duì)其水平位移的影響如圖4、圖5所示。

圖4 不同厚度地下連續(xù)墻水平位移圖

圖5 不同厚度地下連續(xù)墻水平位移平均值

由圖4可知：地下連續(xù)墻厚度從0.2 m增加到0.8 m時(shí)，地下連續(xù)墻水平位移平均值從10.53 mm減少到3.75 mm，降低6.78 mm；地下連續(xù)墻厚度從1.0 m增加到1.6 m時(shí)，地下連續(xù)墻水平位移最大值從2.87 mm減少到1.62 mm，降低了1.25 mm。

從圖5整體來看：隨著地下連續(xù)墻厚度的增加，其水平位移逐漸減小，但減小的幅度逐步放緩；墻厚為0.2～0.8 m時(shí)，降幅較大，墻厚達(dá)1.2 m之后，降幅較小，其曲線趨于平穩(wěn)，即當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻厚度達(dá)到1.2 m時(shí)，再增大地下連續(xù)墻厚度，對(duì)地下連續(xù)墻水平位移的影響有限。

4 結(jié)論

利用Midas數(shù)值模擬軟件建立石臺(tái)路站深基坑三維模型，根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行數(shù)值模擬并將數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)此，得出如下主要結(jié)論:

(1)隨著開挖過程的進(jìn)行，地下連續(xù)墻的水平位移逐步增大，其最大水平位移約發(fā)生在基坑開挖深度的1/2處。墻體變形呈現(xiàn)明顯的凸形，且主要集中在基坑的中上部，頂部和底部嵌固端變形較小。墻體的水平側(cè)移呈現(xiàn)出“中間大，兩頭小”趨勢(shì)，并向坑內(nèi)凸出。

(2)基坑外側(cè)周邊的地表沉降呈現(xiàn)“凹”形，地表土體的最大沉降發(fā)生在距離墻體5.5 m處。施工時(shí)應(yīng)禁止在此區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間堆載，并加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè)。

(3)地下連續(xù)墻的水平位移與其厚度有關(guān)，隨著墻體厚度的逐步增大，其水平位移逐步減小，但是地下連續(xù)墻厚度達(dá)到1.2 m之后，再增加其厚度，其平均水平位移基本保持不變，出現(xiàn)邊界效應(yīng)。