基于監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬的基坑開(kāi)挖變形特征分析

丁 飛， 張 杰， 孫仁浩

(中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230071)

0 引 言

目前我國(guó)眾多城市正在開(kāi)展城市地下軌道交通建設(shè)，其中地鐵車(chē)站一般設(shè)置于交通要道位置，周邊環(huán)境復(fù)雜，地面建筑、公共基礎(chǔ)設(shè)施眾多，地下管線、管道縱橫交錯(cuò)，地鐵車(chē)站基坑工程建設(shè)的安全性受到極大關(guān)注。國(guó)內(nèi)外已發(fā)生過(guò)多起基坑施工，導(dǎo)致重大的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。因此，從勘察、設(shè)計(jì)、施工到最終的驗(yàn)收各個(gè)環(huán)節(jié)都必須嚴(yán)格按照國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范操作，才能確保工程建設(shè)的可靠性[4, 5]。

基坑施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是準(zhǔn)確掌握基坑施工導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑與土體變形與發(fā)展的主要手段，是研判工程施工安全性的重要信息來(lái)源，為基坑施工的安全性保駕護(hù)航。

本文以合肥地鐵第三條軌道交通線中的某車(chē)站基坑工程實(shí)例為依托，基于基坑施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合三維有限元數(shù)值分析，對(duì)基坑開(kāi)挖導(dǎo)致地表沉降、樁墻體位移、坑底隆起等現(xiàn)象進(jìn)行了分析，為類(lèi)似工程建設(shè)提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程場(chǎng)地地質(zhì)結(jié)構(gòu)

合肥地鐵3號(hào)線某車(chē)站主體結(jié)構(gòu)為地下2層三跨島式車(chē)站，車(chē)站總建筑面積為28 337 m2，整個(gè)車(chē)站長(zhǎng)504.85 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度約17.25 m，頂部覆土厚度3.5～4.0 m，地面設(shè)計(jì)標(biāo)高19.1～20.7 m。

根據(jù)地勘報(bào)告，基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)所涉及土體均為第四紀(jì)松散沉積物，屬第四系濱海平原地基土沉積層，主要成分為飽和黏性土和粉土，具有成層分布特點(diǎn)，如圖1所示。土層從上至下依次為：

①素填土：褐灰色，濕潤(rùn)，松散～稍密，主要為粉質(zhì)黏土，含有較多渣土、碎石成分，連續(xù)層狀分布。

②可塑性黏土層，主要分布在坳谷和一級(jí)階地，軟塑～可塑，灰褐色～灰黃色，局部有不厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂透鏡體。

③硬塑性黏土層：局部為粉質(zhì)黏土，夾灰白色高嶺土團(tuán)塊，硬塑～堅(jiān)硬，局部為可塑～軟塑，夾有少量鐵錳結(jié)核，局部富集鐵錳結(jié)核，偶有層厚2～3 m中密飽和的粉土、粉砂透鏡體分布。

④殘積粉質(zhì)黏土層：褐黃色、棕紅色夾少量灰白色，硬塑～堅(jiān)硬，局部可塑，夾少量鈣質(zhì)結(jié)核，呈半固結(jié)狀態(tài)。

⑤白堊系上統(tǒng)張橋組：泥質(zhì)砂巖為主，局部夾泥巖，棕紅色，暗紅色，全～中等風(fēng)化，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，為較軟巖。

圖1 地質(zhì)縱剖面示意圖

車(chē)站所處區(qū)域周邊不存在河流、溝渠。地下水以第四系孔隙水為主。第四系孔隙水主要存在于黏土層中，為上層滯水。黏土層廣泛分布，整體厚度大，埋深淺，分層明顯，含水量少。地下水埋深較淺，集中在2～4 m 范圍，單井涌水量一般不會(huì)超過(guò) 10 m3/d，年水位變化幅度為3～5 m。地下水補(bǔ)給主要來(lái)自于大氣降水，并通過(guò)孔隙及巖石裂隙進(jìn)行滲流。黏性土透水性較弱，含水層出水能力差，土體連通性差。

1.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

該車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm鉆孔樁+3道內(nèi)支撐，樁心距1 300 mm，其中第一道內(nèi)支撐為800 mm×1 000 mm混凝土支撐，其余2道支撐為φ609 mm(t=16)的鋼支撐；端頭井基坑較深處圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm 鉆孔樁+4道內(nèi)支撐，第一道為混凝土支撐，其余3道為φ609 mm(t=16)鋼支撐，加設(shè) 1 道換撐形式；換乘節(jié)點(diǎn)處采用φ1 200 mm 鉆孔樁+5 道內(nèi)支撐，其中第一道為混凝土支撐，第二、五道為φ609 mm(t=16)鋼支撐，第三、四道為φ800 mm(t=18)鋼支撐，并加設(shè) 1 道換撐[φ609 mm(t=16)鋼支撐]形式。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

該車(chē)站基坑采用明挖順作法施工，圍護(hù)樁施工后，開(kāi)挖第一層土方，進(jìn)行關(guān)聯(lián)、第一道混凝土支撐澆筑，后續(xù)分層、分段開(kāi)挖至每道支撐下0.8 m時(shí)，架設(shè)鋼支撐并及時(shí)施加預(yù)應(yīng)力。

施工過(guò)程中嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握基坑開(kāi)挖變形規(guī)律，保證施工安全。該基坑的監(jiān)測(cè)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

2.1 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

選擇基坑周邊某代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析基坑從地表開(kāi)挖至底板處的周邊土體地表沉降特征，如圖2所示。

圖2 基坑周邊地表沉降分布圖

可見(jiàn)，在開(kāi)挖初期，地表沉降值不穩(wěn)定，出現(xiàn)一定的波動(dòng)。在開(kāi)挖后期逐漸趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)“凹槽形”，最大沉降點(diǎn)不在圍護(hù)樁周邊，大致位于距基坑邊緣13 m處。地表最大沉降值為15.79 mm，小于報(bào)警指標(biāo)0.15%H且小于30 mm，滿足規(guī)范要求。

2.2 圍護(hù)樁樁頂垂直位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

選擇標(biāo)準(zhǔn)斷面上的某根圍護(hù)樁，分析其累計(jì)垂直位移特征，如圖3所示。

可見(jiàn)，在土體開(kāi)挖階段圍護(hù)樁樁頂?shù)拇怪蔽灰瓶傮w趨勢(shì)是逐漸增大的，在土體開(kāi)挖至坑底后，樁頂垂直位移趨于穩(wěn)定，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移最大值為-6.58 mm。

1.3 圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

開(kāi)挖后土體產(chǎn)生的土壓力全由維護(hù)樁承擔(dān)，選擇標(biāo)準(zhǔn)斷面上的某根圍護(hù)樁，分析其累計(jì)水平位移特征，如圖4所示。

圖3 圍護(hù)樁樁頂垂直位移分布圖

圖4 圍護(hù)樁水平位移分布圖

可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖至坑底后，圍護(hù)樁的最大水平位移發(fā)生在-11.5 m處，其值為17.80 mm，小于報(bào)警指標(biāo)0.15%H且小于30 mm，滿足規(guī)范要求。樁體水平位移最大值位于樁身中下部，樁體呈現(xiàn)兩端變形小、中下部變形大的特征。

3 三維有限元數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值建模

現(xiàn)采用三維有限元對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)地勘報(bào)告，從上至下各土層可分為雜填土、可塑性黏土、硬塑性黏土、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。采用小應(yīng)變土體硬化(HS-Small)本構(gòu)模型對(duì)各土層進(jìn)行模擬，主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體計(jì)算參數(shù) (HS-Small本構(gòu))

圍護(hù)樁按照抗彎剛度相等原則等效為地下連續(xù)墻，采用板單元進(jìn)行模擬，其計(jì)算參數(shù)為：重度γ=25.0 kN/m-3，彈性模量E=3.25E7 kPa，泊松比v=0.15。鋼筋混凝土支撐采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，鋼支撐采用錨桿單元進(jìn)行模擬(為了方便施加預(yù)應(yīng)力)。采用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如圖5所示。

圖5 基坑計(jì)算模型

計(jì)算模型頂面為自由面，無(wú)約束條件；模型底面每個(gè)方向均約束，為固定邊界條件；模型4個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無(wú)約束。

4.2 計(jì)算步驟

根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖情況，計(jì)算步驟如下：

第一步：生成初始自重應(yīng)力場(chǎng)。

第二步：激活板單元，進(jìn)行圍護(hù)樁施工。

第三步：開(kāi)挖至地表以下-1.2 m處。

第四步：激活鋼筋混凝土支撐。

第五步：開(kāi)挖至地表以下-7.2 m處。

第六步：激活第一道鋼支撐，施加820 kN的預(yù)應(yīng)力。

第七步：開(kāi)挖至地表以下-12.2 m處。

第八步：激活第二道鋼支撐，施加920 kN的預(yù)應(yīng)力。

第九步：開(kāi)挖至坑底。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算得到了基坑開(kāi)挖至底部后土體的位移分布情況，如圖6所示。可見(jiàn)，車(chē)站基坑兩側(cè)由向坑內(nèi)傾斜滑動(dòng)的趨勢(shì)，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的中下部位移矢量較大，坑底土體發(fā)生了向上隆起的位移，隆起值達(dá)到3 cm。

圖6 土體位移矢量分布圖

典型斷面處的地表土體豎向沉降分布如圖7所示?？梢?jiàn)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的曲線規(guī)律基本一致，最大豎向沉降大致位于距基坑邊緣13 m處。但計(jì)算值總體上略比實(shí)測(cè)值大一些，如計(jì)算得到的地表最大沉降值為17.6 mm，比實(shí)測(cè)值大11.46%。

圖7 基坑周邊地表沉降計(jì)算值

典型斷面處圍護(hù)樁的水平位移計(jì)算值如圖8所示。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的曲線規(guī)律基本一致，圍護(hù)樁的最大水平位移發(fā)生在-11.8 m處。圍護(hù)樁上部(10 m深度內(nèi))的水平位移與實(shí)測(cè)值取得了較好的吻合，但圍護(hù)樁下部(超過(guò)10 m深度)的水平位移計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值，如計(jì)算得到的圍護(hù)樁最大水平位移為19.8 mm，比實(shí)測(cè)值大11.23%，該誤差范圍是可以接受的。

圖8 圍護(hù)樁水平位移計(jì)算值

計(jì)算得到了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩分布情況，如圖9所示。可見(jiàn)，彎矩最大值發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的中下部，彎矩最大值為1 146 kN·m。樁體水平位移較大的區(qū)域，其受到的彎矩也相對(duì)較大。

圖9 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩分布圖

由于土體本構(gòu)模型及巖土參數(shù)選取、構(gòu)件等效等方面存在不確定性，且通常數(shù)值模擬難以完全模擬實(shí)際情況，因此計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果存在一定的差異，但計(jì)算得到的規(guī)律與實(shí)際情況基本一致，在誤差不大的情況下計(jì)算結(jié)果是可以接受的。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)合肥市地鐵3號(hào)線某車(chē)站基坑工程的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明開(kāi)挖到底后地面最大豎向沉降發(fā)生在距基坑邊緣13 m處，樁體水平位移最大值位于樁身中下部，樁體呈現(xiàn)兩端變形小、中下部變形大的特征。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差相對(duì)較小，是可以接受的。