基于數(shù)值計(jì)算分析方法的地鐵車(chē)站深基坑施工變形規(guī)律研究

李國(guó)棟,劉文麗,楊洪娜,趙嘉輝,張 政,武 科

(1.中國(guó)電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司, 天津 300384;2.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061)

隨著路面交通形式日趨嚴(yán)峻，地鐵成為了緩解交通壓力的關(guān)鍵，但不同于路面建設(shè)，地鐵所處的地下環(huán)境十分復(fù)雜，受到來(lái)自土壓力，水以及路面上部荷載等多方面因素的影響。深圳地處沿海軟土地區(qū)，建設(shè)地下工程需面臨各項(xiàng)技術(shù)難題和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，惡劣的地質(zhì)條件，使建設(shè)難度劇增。施越[1]通過(guò)基坑數(shù)值模型計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得到了基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體變化規(guī)律；宋廣等[2]、馮曉臘等[3]和謝沃等[4]通過(guò)研究模擬的本構(gòu)模型，從力學(xué)方面研究了基坑開(kāi)挖中的各項(xiàng)力學(xué)機(jī)理變化；文獻(xiàn)[5-10]通過(guò)對(duì)比不同工況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征，總結(jié)出了開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的一般規(guī)律；文獻(xiàn)[11-16]通過(guò)模擬分析，揭示了基坑開(kāi)挖過(guò)程中的時(shí)空效應(yīng)。文獻(xiàn)[17-22]對(duì)過(guò)支撐材料的敏感性分析，研究了不同支撐材料下的基坑側(cè)向位移規(guī)律。

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，依托深圳地鐵4號(hào)線(xiàn)觀瀾站工程，通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比，研究在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的各項(xiàng)力學(xué)機(jī)理和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，旨在為后續(xù)施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

觀瀾站(見(jiàn)圖1)所在場(chǎng)地原始地貌主要為沖洪積平原，地形較為平坦，地表高程約為36.69 m～39.14 m，位于觀瀾大道與橫坑路交叉口處，沿觀瀾大道是北東—南西走向建筑，與規(guī)劃龍華有軌電車(chē)示范線(xiàn)換乘。車(chē)站為地下二層島式站臺(tái)，車(chē)站有效站臺(tái)中心里程：DK26+981.000，車(chē)站起訖里程：DK26+890.415—DK27+226.505，全長(zhǎng)335.94 m。車(chē)站主體結(jié)構(gòu)基坑寬度21.3 m～26.1 m，深度18.6 m～20.8 m，附屬結(jié)構(gòu)基坑深度13.7 m～15.5 m。車(chē)站主體結(jié)構(gòu)擬采用明挖法施工。

圖1 觀瀾站平面圖

1.1 工程地質(zhì)

巖土分層及其特征：

根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，按地層沉積年代、成因類(lèi)型，將本工程場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層、第四紀(jì)中更新統(tǒng)沖洪積層、白堊紀(jì)泥巖三大類(lèi)。并按地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步分為3個(gè)小層。

① 素填土：褐黃色、灰黃色、灰褐色、黃褐色、褐紅色等，以回填黏性土為主，可塑，含少量砂礫，局部夾碎石，碎石粒徑約5 mm～50 mm，含量一般小于10%。位于現(xiàn)狀道路范圍內(nèi)的填土經(jīng)過(guò)壓實(shí)處理，稍密為主，表層為混凝土墊層和路面。填筑時(shí)間大于10 a。該層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)共4次，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)7～9，平均擊數(shù)8.0，場(chǎng)地內(nèi)均有分布，揭露層厚0.60 m～6.60 m，平均厚度2.69 m。層底埋深0.60 m～6.60 m層底高程32.31 m～38.16 m。

② 粉質(zhì)黏土：灰褐色、淺黃色、黃褐色、褐紅色、褐黃色、深灰色等為主，可塑，局部含少量砂粒。該層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)共50次，實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為7擊～18擊，平均11.8擊。場(chǎng)地內(nèi)大部分地段均有分布，揭露層厚0.90 m～6.10 m，平均厚度3.26 m，層頂埋深0.70 m～8.40 m，層頂高程29.77 m～37.40 m，層底埋深3.80 m～9.80 m，層底高程28.37 m～34.43 m。

③ 全風(fēng)化碎裂巖：黃褐色，由構(gòu)造碎裂巖風(fēng)化形成，巖石風(fēng)化劇烈，巖芯呈土狀，遇水浸泡易軟化。該層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)共42次，實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為40擊～69擊，平均51.9擊。該層在場(chǎng)地內(nèi)大部分分布，揭露層厚0.70 m～12.30 m，平均厚度3.90 m，層頂埋深0.60 m～12.90 m，層頂高程25.69 m～38.06 m，層底埋深3.00 m～21.30 m，層底高程16.86 m～35.68 m。巖土參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土的各項(xiàng)參數(shù)表

1.2 支護(hù)方案

本次深基坑支護(hù)采用厚度為1 m的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)采用半徑為800 mm，厚度為30 mm的支撐鋼管，總共設(shè)置7排支撐。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程概況建立了圖2所示計(jì)算模型，由于不同車(chē)站位置具有大致相似的工程概況，車(chē)站的受力狀況是連續(xù)的，所以可以截取某一段車(chē)站進(jìn)行研究，所以本次模擬截取108 m×88 m×4 m的一段車(chē)站區(qū)間，忽略地下水的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的數(shù)據(jù)建立3層土層，采用明挖法，分三次開(kāi)挖，每次開(kāi)挖分別是7 m、8 m、6 m，每次開(kāi)挖后立即施加支護(hù)，保證基坑不產(chǎn)生較大變形。

圖2 整體模型圖

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 地表沉降分析

圖3—圖5是基坑三次開(kāi)挖后的豎向位移云圖，由圖可以看出，隨著土體的開(kāi)挖，基坑兩側(cè)土體發(fā)生沉降，隨著距離基坑邊緣距離的增加，地表沉降顯著增大，當(dāng)距離達(dá)到13 m時(shí)，地表沉降又開(kāi)始逐漸減小為零，這是由于在基坑邊緣有地連墻的圍護(hù)作用，但隨著距離的增加，維護(hù)作用越來(lái)越小，地表沉降因此逐漸增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大值后，由于開(kāi)挖對(duì)土體的影響隨著距離的增加逐漸減小，因此地表沉降逐漸減小，由圖可以得到，第一次開(kāi)挖后最大的地表沉降為7.8 mm，第二次最大沉降為1.4 cm，第三次為2.3 cm，由于每次開(kāi)挖深度大致相同，對(duì)比分析可以得知，隨著開(kāi)挖深度的增加，地表沉降呈線(xiàn)性增大。通過(guò)分析開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降規(guī)律，可以大致得到地表沉降影響范圍，減少對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊?。隨著基坑深度的不斷增加，由于上部土體被開(kāi)挖，坑底的土體失去了上層土體的自重作用，加上兩側(cè)土體的側(cè)向擠壓，導(dǎo)致基坑底部產(chǎn)生明顯的基地隆起，由圖可以看出，第一次開(kāi)挖后，坑底產(chǎn)生1.376 cm的隆起，第二次開(kāi)挖后隆起增大36%，第三次開(kāi)挖后隆起又繼續(xù)增大36%，這與開(kāi)挖深度成比例增加。基坑隆起會(huì)影響基坑的穩(wěn)定，過(guò)大的坑底隆起會(huì)降低后建車(chē)站的穩(wěn)定性。

圖3 第一次開(kāi)挖豎向位移云圖

圖4 第二次開(kāi)挖豎向位移云圖

圖5 第三次開(kāi)挖豎向位移云圖

2.2.2 地連墻側(cè)向位移分析

圖6—圖8是三次開(kāi)挖后基坑的橫向位移云圖，由圖可以得知，基坑的土體開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致基坑產(chǎn)生側(cè)向位移，隨著開(kāi)挖深度的增加，基坑側(cè)向位移逐漸增大，兩側(cè)土體向基坑中部擠壓，以基坑中軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)線(xiàn)，產(chǎn)生了大小一致方向相反的側(cè)移，通過(guò)圖中數(shù)據(jù)可以得知，第一次開(kāi)挖后，基坑地連墻以及兩側(cè)土體產(chǎn)生了最大值為9.050 mm的側(cè)向位移，隨著第二次開(kāi)挖，最大側(cè)向位移為2.017 cm，增大了一倍左右，這也符合兩次開(kāi)挖深度的比例，當(dāng)基坑開(kāi)挖到坑底時(shí)，側(cè)向位移又增大到了3.619 cm，通過(guò)分析對(duì)比可以得知，隨著開(kāi)挖深度的增加，土體的側(cè)向位移不斷增大，這是由于隨著深度的不斷增加，土壓力也會(huì)呈線(xiàn)性增加導(dǎo)致的。由圖還可以得知，土體開(kāi)挖對(duì)基坑產(chǎn)生側(cè)向位移影響區(qū)域是特定的，有范圍的，側(cè)向位移只會(huì)發(fā)生在基坑地連墻周?chē)?，影響范圍大約是開(kāi)挖深度的1.5倍距離。

圖6 第一次開(kāi)挖橫向位移云圖

圖7 第二次開(kāi)挖橫向位移云圖

圖8 第三次開(kāi)挖橫向位移云圖

2.2.3 位移分析

圖9和圖10分別是三次基坑開(kāi)挖后的地連墻側(cè)移隨深度變化曲線(xiàn)和地表沉降隨距基坑邊緣的距離變化曲線(xiàn)圖，由圖9可以得到，隨著地連墻入土深度的不斷增大，地連墻側(cè)移呈現(xiàn)出一種近似函數(shù)變化的趨勢(shì)，在增大到最大值后又逐漸減小。由圖可以看出，在開(kāi)挖至地下7 m時(shí)，地連墻側(cè)向位移最大值為14 mm，在開(kāi)挖至-15 m時(shí)，地連墻側(cè)向位移增大到19.5 mm，在開(kāi)挖到基坑最低端時(shí)，地連墻側(cè)向位移最大值為25 mm，通過(guò)對(duì)比分析可以看出，幾乎每次開(kāi)挖后，地連墻側(cè)向位移都會(huì)增加30%左右，而且從最大側(cè)向位移發(fā)生的位置可以看出，隨著開(kāi)挖深度的增大，最大側(cè)向位移的位置不斷下降。由圖10可以得知，隨著開(kāi)挖深度的增加，地表沉降的最大值也顯著增大，通過(guò)比較三個(gè)曲線(xiàn)可以得知，地表沉降隨深度增加呈線(xiàn)性增大，并在最大開(kāi)挖深度下產(chǎn)生最大地表沉降，但產(chǎn)生最大的地表沉降的位置并沒(méi)有顯著改變，基本都發(fā)生在距離基坑邊緣16 m處。

圖9 地連墻側(cè)移隨深度變化曲線(xiàn)圖

圖10 地表沉降隨距基坑邊緣距離變化曲線(xiàn)圖

3 結(jié) 論

本文模擬了深基坑的開(kāi)挖過(guò)程，研究了深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的力學(xué)機(jī)理，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中土體變形和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律進(jìn)行了研究，總結(jié)了土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖過(guò)程中的各項(xiàng)力學(xué)機(jī)理規(guī)律，研究表明：

(1) 基坑開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致土體發(fā)生豎向位移，并在基坑底部發(fā)生坑底隆起，隨著開(kāi)挖深度的增加，地表豎向位移和坑底隆起會(huì)呈線(xiàn)性增加。

(2) 隨著基坑的開(kāi)挖，兩側(cè)土體向內(nèi)側(cè)擠壓，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生側(cè)向位移，并且圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨著入土深度的不斷加大，呈現(xiàn)出先增大后減小函數(shù)的變化規(guī)律。

(3)通過(guò)對(duì)比曲線(xiàn)圖可以得知，最大地表沉降發(fā)生的位置是相對(duì)固定的，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移發(fā)生的位置是隨著開(kāi)挖深度不斷增加的。