地鐵“L”型換乘站深大基坑穩(wěn)定性及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究

鄧能偉，胡修玉，趙 星，郭衛(wèi)杰，王 濤

（1. 中鐵四局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司，安徽 合肥 230000；2. 安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

0 引 言

隨著城市的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與規(guī)模的不斷壯大，城市交通擁堵的問(wèn)題已經(jīng)變成當(dāng)今城市發(fā)展所面臨的最主要問(wèn)題之一。為解決擁堵問(wèn)題，目前采取的主要措施是發(fā)展地下有軌公共交通[1]。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，為滿(mǎn)足城市迅猛發(fā)展的需要，北京、上海、深圳等地建設(shè)了多條地鐵線(xiàn)路。同時(shí)為了發(fā)揮地鐵線(xiàn)路大運(yùn)量和快速的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的選擇是大容量的快速軌道交通系統(tǒng)，其中作為地鐵網(wǎng)重要節(jié)點(diǎn)的綜合換乘車(chē)站的建設(shè)就變得更加重要[2-10]。俞建霖等[11-12]在基坑與周?chē)馏w的相互作用的條件下，對(duì)基坑進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、底部隆起等變形規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)基坑開(kāi)挖過(guò)程具有明顯的空間效應(yīng)。羅海燕[13]運(yùn)用 FLAC3D數(shù)值模擬軟件，研究地連墻插入比大小對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響，得出地連墻的插入比設(shè)置在0.7～0.8范圍內(nèi)，地連墻在水平方向上的位移是減小的，同時(shí)顯著減小地表沉降量和坑底隆起量，提高了基坑的整體穩(wěn)定性。宋林[14]通過(guò)三維數(shù)值模擬，對(duì)比探究不同的開(kāi)挖施工工序，分析結(jié)果可知，蓋挖逆筑法相比明挖順筑法產(chǎn)生的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形更小，但圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受內(nèi)力較大。徐江[15]運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)軟土地層的地鐵深基坑進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，同時(shí)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析后，得出結(jié)論，狹長(zhǎng)型深基坑的長(zhǎng)邊中點(diǎn)位置上的斷面以及端部位置上的斷面，其基坑變形的差異比較大，需要在監(jiān)測(cè)中關(guān)注。

本論文結(jié)合福州地鐵5號(hào)線(xiàn)洪塘路換乘車(chē)站深基坑施工，采用Midas GTS/NX軟件進(jìn)行基坑有限元數(shù)值模擬，模擬“L”形地鐵車(chē)站深基坑開(kāi)挖的具體施工過(guò)程，研究地連墻在水平方向上的位移、基坑周?chē)乇淼某两岛椭谓Y(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律，對(duì)比基坑開(kāi)挖過(guò)程中的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)深基坑在整個(gè)開(kāi)挖工程中整體穩(wěn)定性表現(xiàn)良好。

1 工程概況

1.1 工地概況

洪塘路站為福州市軌道交通4號(hào)線(xiàn)與5號(hào)線(xiàn)換乘車(chē)站，位于洪塘路與閩江大道交叉口，4號(hào)線(xiàn)車(chē)站沿洪塘路東西向敷設(shè)，5號(hào)線(xiàn)車(chē)站沿閩江大道南北向敷設(shè)，兩站斜交呈“L”型，4號(hào)線(xiàn)車(chē)站在下方，5號(hào)線(xiàn)車(chē)站在上方。5號(hào)線(xiàn)車(chē)站長(zhǎng)265.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.7 m，基坑深度為17.75～20.35 m。4號(hào)線(xiàn)車(chē)站長(zhǎng)187.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.9 m，基坑深度為32.3～36.2 m。如圖1所示。

圖1 洪塘路站平面位置圖Fig. 1 Layout of Hongtang road station

1.2 水文地質(zhì)

洪塘路站場(chǎng)地地層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、（含泥）中粗砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化輝綠巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（砂土狀）、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（碎塊狀）、強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖（砂土狀）、強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖（碎塊狀）、微風(fēng)化花崗巖。車(chē)站底板主要位于②-4-6（含泥）中粗砂、⑤-2殘積砂質(zhì)黏性土、⑥-1全風(fēng)化花崗巖和⑦-1-1強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（砂土狀），其地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，初見(jiàn)水位埋深為1.20～6.50 m，初見(jiàn)水位標(biāo)高為 6.47～10.73 m；穩(wěn)定水位埋深為1.30～4.00 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為6.14～9.95 m。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Stratum physical and mechanical parameters

1.3 開(kāi)挖方案

洪塘路站5號(hào)線(xiàn)基坑分10段進(jìn)行開(kāi)挖，每段開(kāi)挖長(zhǎng)度約22 m，計(jì)劃完成第1～8段土方開(kāi)挖后，停止施工，預(yù)留第9～10段約40 m土方，為換乘節(jié)點(diǎn)基坑南側(cè)封堵墻提供側(cè)壓力，確?；诱w的穩(wěn)定性和減小南側(cè)接口處地連墻在水平方向上的位移。4號(hào)線(xiàn)基坑分7段進(jìn)行開(kāi)挖，每段開(kāi)挖長(zhǎng)度約20 m，第1～6段土方開(kāi)挖完成后，停止土方開(kāi)挖及外運(yùn)，預(yù)留第7段約20 m土方，為換乘節(jié)點(diǎn)西側(cè)封堵墻提供側(cè)壓力，預(yù)留部分優(yōu)先為換乘節(jié)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)施工提供施工場(chǎng)地。采用分層分段開(kāi)挖能有效避免因開(kāi)挖斷面過(guò)大而產(chǎn)生的大變形。如圖 2所示。

圖2 始發(fā)端管線(xiàn)平面圖Fig. 2 Excavation pit sequence of Hongtang road station

2 基坑穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

根據(jù)洪塘路換乘車(chē)站深基坑工程的地質(zhì)特征及施工特點(diǎn)，采用Midas GTS/NX有限元軟件，對(duì)基坑的施工階段進(jìn)行模擬，具體施工階段如表2所示。對(duì)不同施工階段下的地連墻深層水平位移，基坑周?chē)乇沓两?，支撐結(jié)構(gòu)軸力進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證深基坑分區(qū)開(kāi)挖施工方案的可行性。

表2 施工階段模擬Table 2 Construction phase simulation

2.1 模型尺寸確定

洪塘路站為“L”型換乘中轉(zhuǎn)車(chē)站，由于4號(hào)線(xiàn)基坑和5號(hào)線(xiàn)基坑長(zhǎng)度較大，所以不考慮計(jì)算4號(hào)線(xiàn)和5號(hào)線(xiàn)基坑遠(yuǎn)離換乘節(jié)點(diǎn)一側(cè)的端頭井，模型以換乘節(jié)點(diǎn)為中心，選取4號(hào)線(xiàn)和5號(hào)線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)段部分。根據(jù)圣維南原理，考慮深基坑的開(kāi)挖影響區(qū)域，確定模型的尺寸為260 m×265 m×100 m（長(zhǎng)×寬×高），如圖3所示。基坑的內(nèi)支撐模型如圖4所示。采用混合網(wǎng)格生成器劃分網(wǎng)格，基坑數(shù)值模型共生成254 200個(gè)單元，132 280個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 車(chē)站基坑模擬計(jì)算模型圖Fig. 3 Simulation model of excavation pit

圖4 基坑內(nèi)支撐布置圖Fig. 4 Support system of foundation pit

2.2 施工階段模擬

本工程運(yùn)用明挖法分層分段開(kāi)挖，分區(qū)開(kāi)挖施工方案如圖5所示?？紤]到4號(hào)線(xiàn)和5號(hào)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)段土體開(kāi)挖施工會(huì)導(dǎo)致?lián)Q乘節(jié)點(diǎn)基坑封堵墻外的主動(dòng)土壓力減小，換乘節(jié)點(diǎn)基坑會(huì)發(fā)生偏壓失穩(wěn)。因此，對(duì)封堵墻一側(cè)設(shè)置預(yù)留土體并進(jìn)行放坡處理，坡度為1∶1.5，為換乘節(jié)點(diǎn)基坑提供側(cè)壓力。先進(jìn)行換乘節(jié)點(diǎn)和5號(hào)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)段的施工，再進(jìn)行4號(hào)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)段的施工，最后對(duì)封堵墻外預(yù)留土體進(jìn)行同步開(kāi)挖，直至基坑整體開(kāi)挖完成。

圖5 基坑開(kāi)挖放坡示意圖Fig. 5 Step-slope excavation of foundation pit

2.3 結(jié)果分析

（1）地下連續(xù)墻水平位移分析

在基坑開(kāi)挖施工過(guò)程當(dāng)中，為分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提取工況8工況14和工況15地連墻水平位移圖，如圖6～8所示。同時(shí)提取換乘節(jié)點(diǎn)東側(cè)、4號(hào)線(xiàn)和5號(hào)線(xiàn)基坑標(biāo)準(zhǔn)段中部斷面各施工階段地連墻水平位移模擬值，繪制不同深度條件下相對(duì)應(yīng)的在水平方向上的位移曲線(xiàn)圖，如圖9～11所示。

圖6 工況8地下連續(xù)墻水平位移圖Fig. 6 Horizontal displacement of diaphragm wall in working condition 8

圖7 工況14地下連續(xù)墻水平位移圖Fig. 7 Horizontal displacement of diaphragm wall in working condition 14

圖8 工況15地下連續(xù)墻水平位移圖Fig. 8 Horizontal displacement of diaphragm wall in working condition 15

圖9 工況15地下連續(xù)墻水平位移曲線(xiàn)圖Fig. 9 Horizontal displacement curve of transfer nodes

圖10 5號(hào)線(xiàn)水平位移曲線(xiàn)圖Fig. 10 Horizontal displacement curve of line 5

圖11 4號(hào)線(xiàn)水平位移曲線(xiàn)圖Fig. 11 Horizontal displacement curve of line 4

通過(guò)圖 6～8可知，換乘節(jié)點(diǎn)開(kāi)挖到基坑底部時(shí)，地連墻的最大位移距離為22.6 mm，由于地連墻受到外側(cè)土壓力的作用，故產(chǎn)生向坑內(nèi)方向的位移，未發(fā)生偏壓失穩(wěn)。5號(hào)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)挖段地連墻在水平方向上的位移隨施工階段進(jìn)行增長(zhǎng)較快，當(dāng)開(kāi)挖到基坑底部的時(shí)候，5號(hào)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)段地連墻的最大位移距離為18 mm。當(dāng)4號(hào)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖結(jié)束的時(shí)候，地連墻的最大位移距離為26.4 mm，在安全控制值30 mm內(nèi)。

（2）支撐軸力分析

提取工況8，工況14和工況15的支撐軸力圖，繪制支撐軸力的變化曲線(xiàn)圖，如圖12～17所示。

圖12 工況8支撐軸力圖Fig. 12 Supporting axial force of working condition 8

圖13 工況14支撐軸力圖Fig. 13 Supporting axial force of working condition 14

圖14 工況15支撐軸力圖Fig. 14 Supporting axial force of working condition 15

圖15 換乘節(jié)點(diǎn)支撐軸力變化曲線(xiàn)圖Fig. 15 Variation of supporting axial force of transfer nodes

圖16 5號(hào)線(xiàn)支撐軸力變化曲線(xiàn)圖Fig. 16 Variation of supporting axial force of line 5

圖17 4號(hào)線(xiàn)支撐軸力變化曲線(xiàn)圖Fig. 17 Variation of supporting axial force of line 4

由圖 12～17可知，各道支撐軸力隨著開(kāi)挖深度的增大，軸力逐漸增大，且第四道、第五道支撐軸力增長(zhǎng)速度較快。開(kāi)挖見(jiàn)底后，第四道、第五道支撐軸力達(dá)到最大值，分別為5 232 kN和4 131 kN。位于5號(hào)線(xiàn)基坑標(biāo)準(zhǔn)段位置的開(kāi)挖深度較小，開(kāi)挖見(jiàn)底之后，支撐軸力的最大值位于第三道支撐，為1 220 kN，4號(hào)線(xiàn)基坑開(kāi)挖至底部后，第四道支撐軸力達(dá)到最大值8 027 kN，施工開(kāi)挖至第四道支撐附近時(shí)需嚴(yán)格控制開(kāi)挖深度，減小開(kāi)挖面積，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)管理，防止實(shí)際施工過(guò)程中支撐軸力超過(guò)設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)損壞。

（3）周邊地表沉降分析

在基坑的設(shè)計(jì)和施工的過(guò)程中，需重點(diǎn)關(guān)注基坑周邊地表的沉降情況。分別提取換乘節(jié)點(diǎn)、4號(hào)線(xiàn)和5號(hào)線(xiàn)的基坑周邊地表沉降圖，繪制地表沉降變化曲線(xiàn)圖，如圖18～23所示。

圖18 工況8地表沉降圖Fig. 18 Surface settlement of working condition 8

圖19 工況14地表沉降圖Fig. 19 Surface settlement of working condition 14

圖20 工況15地表沉降圖Fig. 20 Surface settlement of working condition 15

圖21 換乘節(jié)點(diǎn)地表沉降變化曲線(xiàn)Fig. 21 Settlement trough of transfer nodes

圖22 5號(hào)線(xiàn)地表沉降變化曲線(xiàn)Fig. 22 Settlement trough of line 5

圖23 4號(hào)線(xiàn)地表沉降變化曲線(xiàn)Fig. 23 Settlement trough of line 4

由圖18～23可知，4號(hào)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)段中部開(kāi)挖深度最大，周?chē)乇沓两盗孔畲螅瑸?3.7 mm。換乘節(jié)點(diǎn)處的基坑開(kāi)挖深度與 4號(hào)線(xiàn)的基坑開(kāi)挖深度相同，但開(kāi)挖面相對(duì)較小，周?chē)乇沓两盗孔畲笾禐?.6 mm。5號(hào)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)段中部開(kāi)挖深度最小，因此周?chē)乇沓两盗孔钚?，?.6 mm。

3 計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比分析

圖24為換乘節(jié)點(diǎn)QCX31監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)挖至坑底時(shí)的監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比曲線(xiàn)圖。從地連墻水平方向的位移值看，計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值有一定的差異，主要原因是：本工程的基坑形狀復(fù)雜，分層分塊開(kāi)挖步驟繁復(fù)；施工場(chǎng)地較大，各土層分布不均勻，計(jì)算模型將基坑施工場(chǎng)地范圍內(nèi)土體簡(jiǎn)化為均勻水平分布，與實(shí)際地層分布的存在差異。同時(shí)場(chǎng)地內(nèi)地下水分布情況復(fù)雜，難以探究其對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)位移的不良影響。但從總體的變形趨勢(shì)看，變形規(guī)律基本一致，數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有一定的參考意義。

圖24 地連墻水平位移和深度對(duì)比曲線(xiàn)Fig. 24 Horizontal displacement and depth curve of diaphragm wall

圖 25和圖 26為基坑開(kāi)挖完成后 DBC31和DBC06監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)值和模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。

由圖25和圖26可知，基坑外側(cè)土體沉降模擬值與監(jiān)測(cè)值變化曲線(xiàn)均呈現(xiàn)為“凹槽形”。計(jì)算的地表沉降最大值小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，主要原因是模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮現(xiàn)場(chǎng)施工荷載、基坑降水等因素對(duì)周?chē)乇沓两底冃蔚挠绊?，從而使兩者存在一定的差異。?jì)算結(jié)果顯示坑外土體沉降主要發(fā)生在1.7～2.3倍開(kāi)挖深度內(nèi)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)受基坑周?chē)鷾y(cè)點(diǎn)布置范圍限制，只對(duì)在基坑邊緣15 m的位置范圍內(nèi)的地表沉降量進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，在基坑邊緣15 m的位置上，其地表的沉降量仍未收斂，由施工開(kāi)挖所引起的地表沉降范圍已經(jīng)超出監(jiān)測(cè)范圍?；涌油獾乇沓两档淖兓?guī)律基本相同，則證明本文所采取的模型是合理的。

圖26 DBC06地表沉降模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比Fig. 26 Subsidence and monitoring value of DBC06

4 主要研究結(jié)論

本文依據(jù)福州地鐵4、5號(hào)線(xiàn)“L”型換乘車(chē)站洪塘路站深基坑施工，以數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的形式，探究洪塘路站深基坑工程中的受力變形規(guī)律，得出主要結(jié)論如下：

（1）在洪塘路站基坑施工過(guò)程中，受到基坑地連墻頂部冠梁和第一道支撐限制，底部位置由于墻體的縱向嵌固，位移量均較小，最大變形發(fā)生于地連墻中部，水平變形曲線(xiàn)呈弓形。當(dāng)基坑內(nèi)土體開(kāi)挖卸載的時(shí)候，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受基坑內(nèi)外土壓力差作用，其在水平方向上的位移逐漸增大，發(fā)生最大位移的位置隨土體開(kāi)挖面向下移動(dòng)。

（2）在基坑附近范圍內(nèi)的土體，其沉降的曲線(xiàn)總體呈現(xiàn)出“凹槽形”。在基坑邊緣 5～15 m的位置上，地表的沉降量較大。

（3）隨著基坑不斷開(kāi)挖，基坑內(nèi)各道支撐軸力呈現(xiàn)不同程度的增大。換乘節(jié)點(diǎn)上的最大支撐軸力位于第三道和第四道支撐處，5號(hào)線(xiàn)位置的基坑，其最大支撐軸力位于第三道支撐處，支撐受力主要集中于坑內(nèi)的中下部。同時(shí)下部支撐的架設(shè)和拆除對(duì)上層支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況具有一定影響，應(yīng)加強(qiáng)鄰近支撐的監(jiān)測(cè)。