零距離近接既有地鐵站施工監(jiān)測與數(shù)值模擬分析

董敏忠

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300200）

1 引言

在城市基坑建設(shè)中，大多周圍環(huán)境復(fù)雜，多緊鄰地下軌道結(jié)構(gòu)、高層建筑、大型商業(yè)購物廣場等。此環(huán)境條件下，國內(nèi)對于基坑建設(shè)積累了大量理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。諸多學(xué)者從計(jì)算模型和計(jì)算方法入手，選用合理簡化方法，對可能產(chǎn)生的坑底隆起和建筑物沉降進(jìn)行分析［1－2］。王素霞［3］采用有限元模擬分析了基坑自由場地和有建筑物場地的地表位移和變形規(guī)律，以及開挖對鄰近建筑物的影響規(guī)律并推導(dǎo)出基坑周圍土體的豎向位移和水平向位移的計(jì)算公式。

為了減少由基坑開挖導(dǎo)致周圍環(huán)境的變形與沉降，必須在待保護(hù)的建（構(gòu)）筑物周圍采取防護(hù)措施。防護(hù)措施的選擇種類較多，研究內(nèi)容較全，以基坑開挖完成后的變形控制證明基坑支護(hù)效果。位于地下水豐富地區(qū)的基坑開挖采用地下連續(xù)墻做支護(hù)體系和止水帷幕并對比施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真數(shù)據(jù)來證明支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠［4－5］。

上述研究從不同方面對基坑的變形和周圍環(huán)境的安全性進(jìn)行研究。本基坑工程在上述研究的基礎(chǔ)上，選用大型仿真軟件對基坑形狀和周圍環(huán)境進(jìn)行三維還原，并進(jìn)行沉降變形計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過分析結(jié)果得出規(guī)律性結(jié)論。

2 工程概況及施工方案

（1）基坑概況

天津地鐵5號線思源道結(jié)建工程位于河北區(qū)新開河與月牙河交口東南側(cè)，規(guī)劃占地25 750 m2，總投資約3.39億元。

結(jié)建工程分布于既有思源道車站東西兩側(cè)，地面建筑由4座寫字樓及裙房組成，地下1～3層分別為車庫、商業(yè)、車庫。既有思源道車站設(shè)兩個(gè)出入口通過站廳層直通地面。本結(jié)建工程地下一層橫跨思源道站體上方，地下一層底板與思源道車站頂板為同一標(biāo)高，地下二層底板與思源道車站中板為同一標(biāo)高。結(jié)建工程與既有車站剖面見圖1。

圖1 結(jié)建工程與既有車站剖面（單位：m）

（2）基坑施工方案

本基坑支撐體系采用“地下連續(xù)墻＋混凝土環(huán)形內(nèi)支撐”體系，地連墻兼作豎向擋土與止水結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻厚度為800 mm，止水深度為32.0 m，有效高度為27.0 m，底部素混凝土段高度為5.0 m。其中，墻趾設(shè)計(jì)標(biāo)高為－35.22 m，主要用于隔斷第二承壓含水層。此外，在裙樓電梯井坑位處，設(shè)置三軸水泥土攪拌樁，有效樁長9.0 m。同時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻與原思源道圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的接縫采用高壓旋噴樁對其進(jìn)行止水、加固處理。

基坑采用既有地鐵車站雙側(cè)對稱分層、分段整體開挖成套技術(shù)。開挖方案遵循“先撐后挖、分區(qū)、分層、分步、對稱開挖、島式、退挖”的原則，在落實(shí)上述原則的基礎(chǔ)上按照支撐的標(biāo)高分層開挖，車站兩側(cè)共劃分為6段，基坑?xùn)|西兩側(cè)保持同深、同長，先掏角、清邊、退向出土。土方開挖過程中，充分利用時(shí)空效應(yīng)，將挖土和支撐緊密聯(lián)系，不間斷地連續(xù)土方作業(yè)，并在土體暴露后在最短時(shí)間內(nèi)形成支撐體系。基坑開挖平面見圖2。

圖2 基坑開挖平面

3 現(xiàn)場施工監(jiān)測及分析

（1）基坑施工變形監(jiān)測

基坑變形控制分兩部分，一部分為周圍環(huán)境的監(jiān)測，另一部分為基坑自身支撐體系監(jiān)測。

根據(jù)實(shí)測，在地層軟弱而且墻體的入土深度又不大時(shí)，墻底處出現(xiàn)較大的水平位移，而墻體旁出現(xiàn)較大的地表沉降。在有較大入土深度或墻底處于剛性較大的地層內(nèi)，墻體變位類同于梁的變位，此時(shí)墻后地表沉降最大值不是在墻旁，而是位于距離墻一定距離的位置上。地表沉降曲線見圖3。

圖3 地表沉降曲線

圖3說明基坑開挖過程中引起的周圍地表沉降最深處在距離基坑周圍一定范圍內(nèi)，并以此為中心向周圍依次衰減。基坑沉降最大值在18 mm左右，衰減到最低點(diǎn)保持在14 mm范圍內(nèi)。

圖4為測斜孔的位移特征曲線。從圖4可以看出：①隨著基坑開挖，周圍土體的水平位移呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，由原來施工之前的未變形逐漸增大，并最終保持在13 mm左右。②從測斜孔的深度來看，在地表以下15 m范圍內(nèi)，基坑的水平位移最為明顯，此范圍內(nèi)橫向位移隨時(shí)間的變化速率明顯加大，說明基坑開挖深度是影響水平位移的重要因素。

圖4 測斜孔位移特征曲線

（2）基坑支護(hù)體系變形控制

支護(hù)體系包括地連墻、內(nèi)支撐。圖5為內(nèi)支撐環(huán)形立柱的水平位移變形曲線?？梢钥闯?，在基坑開挖過程中，水平位移先增大后減少，直到最后保持在初始狀態(tài)，在此過程中最大豎向位移為13 mm。LZC-01、LZC-02、LZC-05、LZC-10、LZC-15 測點(diǎn)位移變化趨勢和變形量基本保持一致，說明基坑立柱位置受到基坑開挖過程的影響較小。

圖5 環(huán)形立柱位移特征曲線

圖6為環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)軸力的變化特征曲線?？梢钥闯觯S力特征分為兩個(gè)階段。首先，由于土體開挖初期軸力呈現(xiàn)有變化的發(fā)展規(guī)律，隨著開挖深度增大，應(yīng)力完全釋放，軸力值逐漸出現(xiàn)減小的趨勢，第一道支撐軸力值最大為1 500 kN（見圖6a）。隨著基坑開挖深度繼續(xù)增加，支撐軸力先增加之后一段時(shí)間保持穩(wěn)定，在進(jìn)行下次開挖后又會明顯增大，且各道支撐的軸力均會出現(xiàn)調(diào)整現(xiàn)象（見圖6b），同時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)的軸力量值呈現(xiàn)不均勻分配特征?；娱_挖結(jié)束后，支撐軸力變化明顯，到達(dá)一定水平后軸力值迅速增加，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并最終保持在4 500 kN。進(jìn)入最后開挖階段，內(nèi)支撐均保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 環(huán)形支撐軸力特征曲線

支護(hù)體系的變形特征說明環(huán)形支撐的力學(xué)承載性能好、受力協(xié)調(diào)性好、內(nèi)力分布均勻。圓環(huán)的特殊性在于，可以將鋼筋所承受的彎矩轉(zhuǎn)換為混凝土的軸力，并實(shí)現(xiàn)圓環(huán)之間的受力平衡，有利于基坑變形的時(shí)效性控制。

4 數(shù)值仿真分析

本數(shù)值仿真分析結(jié)合MIDAS和FLAC3D前后處理的兩大優(yōu)點(diǎn)，充分利用前者強(qiáng)大的曲線建模功能，建立真正的地層曲面，并在滿足精度的前提下劃分節(jié)點(diǎn)單元，將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入到FLAC3D中進(jìn)行后處理計(jì)算。這樣使得模型建立精準(zhǔn)、計(jì)算速度快，后處理能達(dá)到預(yù)期效果。

4.1 網(wǎng)格模型構(gòu)建

根據(jù)基坑地勘資料，提取相關(guān)地層數(shù)據(jù)，建立基坑開挖的全模型。全模型在能保證計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的前提下，應(yīng)擴(kuò)大基坑開挖的影響范圍，防止基坑開挖過程中受到邊界效應(yīng)的影響使得邊界內(nèi)土體變形過大，忽略邊界外側(cè)土體。模型深度約為基坑深度的4倍，基坑邊界到模型邊緣最短距離約為基坑深度的2.5倍，所以三維有限元計(jì)算模型的幾何尺寸選擇為長306 m×寬291 m×高68 m。

遵循分地質(zhì)、分結(jié)構(gòu)、分開挖步驟的原則劃分網(wǎng)格。按照單元6 m的長度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分節(jié)點(diǎn)53 513個(gè)，單元244 601個(gè)，至此完成幾何建模過程，見圖7。

圖7 基坑工程三維網(wǎng)格模型

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 沉降變形分析

基坑開挖完全模擬現(xiàn)場施工過程，進(jìn)行第一次土方開挖，待第一次土方開挖即將結(jié)束時(shí)，采用Beam單元進(jìn)行內(nèi)支撐支護(hù)，內(nèi)支撐尺寸嚴(yán)格采用施工現(xiàn)場內(nèi)支撐參數(shù)。按上述過程分別進(jìn)行第二次開挖、第二次支撐，第三次開挖、第三次支撐，最后進(jìn)行第四次開挖。至此，土方開挖結(jié)束。

通過數(shù)值計(jì)算可以看出：

（1）基坑支護(hù)效果明顯，隨著基坑開挖深度的增加，地表沉降隨之增加，最終在第四次開挖結(jié)束后保持在30 mm左右。

（2）基坑西側(cè)部位出現(xiàn)較大的沉降變形，最大值約為60 mm，是因?yàn)楸净硬捎谜鎸?shí)地層建立結(jié)構(gòu)模型，在此位置處基坑地層有多種土質(zhì)混合，不同土質(zhì)土顆粒之間的黏聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相同土質(zhì)土顆粒之間的黏聚力，故在基坑開挖過程中，極易受到開挖土體的擾動(dòng)，產(chǎn)生豎向位移變形。

（3）基坑開挖過程中最大沉降點(diǎn)并不位于基坑開挖邊緣，而是在周圍一定范圍內(nèi)的中心點(diǎn)處，并以此為中心以環(huán)形向兩側(cè)遞減，呈現(xiàn)“凹”型。

4.2.2 水位變形分析

土的破壞形式大多為剪切破壞，土體在基坑開挖過程中會沿著某一滑動(dòng)面擠出，導(dǎo)致土體產(chǎn)生滑坡。由于基坑開挖面與坐標(biāo)軸存在一定角度，故應(yīng)該從x、y兩方面考慮水平變形。

（1）隨著基坑開挖側(cè)向土體開始發(fā)生橫向變形，且隨著開挖深度的增加，土體的側(cè)向變形增大至10 cm。故在側(cè)向土體邊緣必須加密支撐，確保側(cè)向土層的穩(wěn)定性。

（2）第一層土體水平位移較小，這是因?yàn)榈谝粚油馏w開挖較淺，工作面較大，大型機(jī)械出入方便，時(shí)間短、效率高，及時(shí)對土體進(jìn)行支撐加固，此時(shí)土體還未發(fā)生較大變形。開挖結(jié)束后，水平位移明顯加大，最大值為30 mm左右，與實(shí)測結(jié)果相近，說明仿真分析具有一定的參考價(jià)值。

4.2.3 支護(hù)體系力學(xué)性質(zhì)分析

通過數(shù)值分析，較大彎矩大多發(fā)生于撐桿與撐桿的交點(diǎn)處，特別是直撐與環(huán)撐的交點(diǎn)處。

（1）軸力值在第三次開挖結(jié)束后最大，最大值為6 939 kN，基坑的最大軸力發(fā)生在基坑坑角位置和環(huán)形支撐與直角撐交界處。

（2）基坑支撐系統(tǒng)軸力值出現(xiàn)不均勻分配特征，這是由于基坑周圍形狀不規(guī)則，坑角土體呈現(xiàn)多方向開挖，土體內(nèi)部受力不均勻。不同位置處軸力值見表1。

表1 不同位置處軸力值

通過基坑實(shí)測值與數(shù)值模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：實(shí)測結(jié)果中基坑的沉降變形最大值約為17 mm，最大沉降位置出現(xiàn)在距基坑一定范圍內(nèi)并呈現(xiàn)“凹”型，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的趨勢一致，但沉降值偏大。水平位移最大值約為13 mm，這與數(shù)值分析結(jié)果相差不大。內(nèi)支撐的最大值為6 939 kN，僅在位置“1”處，其他位置軸力較小?；游灰浦蹬c支撐軸力值均比實(shí)測值偏大。

5 結(jié)論

（1）對于深度較大、形狀不規(guī)則的基坑來說，采用“分層島式”開挖及“地下連續(xù)墻＋混凝土環(huán)形內(nèi)支撐”支護(hù)體系能保證施工安全和控制周圍建筑物的變形。

（2）基坑實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果差值在可控范圍內(nèi)，說明在此地區(qū)開展工程建設(shè)可采用數(shù)值模擬來預(yù)測基坑開挖中的變形特征，提前進(jìn)行加固?；拥闹屋S力最大處發(fā)生在坑角位置和環(huán)形支撐與直角撐交界處，應(yīng)加強(qiáng)此位置的支撐數(shù)量和支撐強(qiáng)度。

（3）采用真實(shí)地層建立模型與簡化的平面地層圖存在差別，從數(shù)值模擬結(jié)果來看，對于土層交匯處的位置容易產(chǎn)生較大的沉降變形，故應(yīng)提前加強(qiáng)此部位的支護(hù)措施，避免局部加載。