蘭州地鐵紅砂巖基坑開挖監(jiān)測與數(shù)值模擬分析

朱彥鵬, 李鳳岐, 楊校輝, 馬孝瑞, 尹利潔

(1. 蘭州理工大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州 730050； 3. 北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

隨著西北地區(qū)城鎮(zhèn)化建設加快，蘭州市逐步推進地鐵項目建設，相應產(chǎn)生了大量地鐵深基坑工程.現(xiàn)階段，國內針對深基坑的相關研究較多[1-7].張勇等[8]利用非穩(wěn)定滲流理論探討了基坑降水引起基坑周圍地面沉降的預測方法；周勇等[9]通過有限元法及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對蘭州某地鐵車站基坑開挖降水過程中地下管道的位移進行了全面的分析；馮懷平等[10]利用流固耦合模型對復雜地質條件下深基坑降水開挖過程中基坑的時間效應進行研究，并以地鐵車站深基坑為例，對基坑降水開挖過程中的滲流固結進行了有限元計算；陳興賢等[11]采用有限元數(shù)值分析方法對深基坑降水三維變參數(shù)非穩(wěn)定滲流地面沉降耦合模型進行求解；周念清等[12]采用三維有限差分法對基坑降水進行數(shù)值模擬，分析了基坑降水施工對周邊環(huán)境的影響.其主要集中在濕陷性黃土深基坑[3，9]、粉砂土深基坑[5]等，對于基坑降水、基坑開挖引起地面沉降的理論預測法、基本原理以及基坑監(jiān)測研究較為系統(tǒng)，但是對于紅砂巖深基坑開挖過程中考慮滲流的穩(wěn)定性分析研究較為匱乏.

蘭州市地質條件相對復雜，地下水是深基坑開挖過程中必須要面對的問題，紅砂巖地層的出現(xiàn)為深基坑的施工帶來又一技術難點.紅砂巖地層遇水軟化崩解、喪失強度，具有流塑性，國內外可供借鑒的經(jīng)驗較少.本文以蘭州地鐵東方紅車站深基坑工程為例，現(xiàn)場實時監(jiān)測紅砂巖深基坑開挖過程中支護體系變形和基坑周邊土體位移；采用三維數(shù)值模擬分別對開挖過程中的支護體系變形、滲流穩(wěn)定性和周邊土體位移進行模擬分析，并與結合監(jiān)測結果進行了對比分析.

1 工程概況

蘭州地鐵東方紅車站主體寬33.8～41.3 m，底板埋深約17.0 m.車站采用明挖法施工，車站主體結構形式為地下二層島式.深基坑采用鉆孔灌注樁圍護結構和鋼筋混凝土內支撐結合的支護方式.

1.1 工程地質概況

圖1 監(jiān)測點平面布置簡圖

表1 土層參數(shù)

1.2 水文地質條件

該場地揭露的地下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層主要為第四系洪沖積卵石.地下水位埋深3.6～5.0 m，潛水含水層厚度約為20 m，水位高程1 512.49～1 513.14 m；卵石的滲透系數(shù)為50～70 m/d.

紅砂巖屬于湖相沉積巖，主要包括泥巖、砂質泥巖、泥質砂巖、砂巖及頁巖等沉積巖類和粘土巖類，因其含有三價鐵離子及豐富的氧化物，使巖石成紅色、深紅色或褐色.紅砂巖在有些地方也稱之為紅石巖，因其湖相沉積的特點，其顆粒篩選性差，巖性以風化崩解特性為主，結構以軟硬巖層交互成層為特征.紅砂巖一般節(jié)理較發(fā)育，易風化，易崩解.工程建設初期的地勘報告認為紅砂巖層是相對不透水層，但隨著工程建設推進過程中所暴露出的問題，表明紅砂巖層具有滲透性.依據(jù)一系列室內外試驗結果，確定紅砂巖的滲透系數(shù)量級介于10-4～10-2cm/s之間.根據(jù)《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)規(guī)定，巖土滲透系數(shù)量級區(qū)間處于10-4cm/s≤k<10-2cm/s時，滲透性等級認定為中等透水；紅砂巖電鏡掃描結果也表明紅砂巖孔隙率較大，微觀結構存在大量空隙，顆粒結構松散，呈現(xiàn)弱膠結性，這些進一步反應了該場地紅砂巖具有一定的滲透性.紅砂巖電鏡掃描圖見圖2.

圖2 紅砂巖電鏡掃描圖

1.3 支護體系設計方案

根據(jù)基坑規(guī)范[13]規(guī)定：基坑安全等級按一級考慮；圍護結構選取φ800@1400鉆孔灌注樁，混凝土保護層厚度50 mm，圍護樁考慮100 mm外放量，樁間采用鋼筋網(wǎng)噴混凝土；沿基坑豎向設置三道鋼筋混凝土支撐，第一道支撐截面尺寸1 000 mm×800 mm，第二、三道支撐截面尺寸1 200 mm×1 000 mm，在支撐相應高度設置冠梁和腰梁；主筋采用HRB400，箍筋采用HPB300；樁間護壁混凝土強度等級為C20，其余均采用C35.圍護結構平面布置示意圖見圖3.

圖3 圍護結構布置示意圖Fig.3 Schematic layout of the surrounding structure

2 監(jiān)測方案及結果分析

深基坑開挖從2月初持續(xù)至5月下旬，采用明挖順做法施工.在基坑支護結構施工、基坑開挖和地下主體結構施工期間進行現(xiàn)場監(jiān)測，及時獲得基坑支護結構和基坑周邊土體的變形等信息，并與預測值相比較，確定和調整下一步施工.主要施工步驟有：開挖至1.5 m澆筑第一道鋼筋混凝土支撐；開挖至7.9 m澆筑第二道鋼筋混凝土支撐；開挖至13.9 m澆筑第三道鋼筋混凝土支撐；開挖至17 m達到設計開挖深度，完成底板施工；隨車站主體結構澆筑，從下至上依次破除鋼筋混凝土支撐.主要監(jiān)測項目及儀器說明見表2.限于篇幅，本文僅選擇典型部位樁體水平位移和基坑周邊地表沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析.基坑監(jiān)測點平面布置情況見圖1，測點布置剖面示意圖見圖4.

圖4 監(jiān)測點布置剖面示意圖

表2 基坑主要監(jiān)測項目

2.1 樁水平位移監(jiān)測結果分析

選取基坑北側S08、S09和基坑南側S15、S17的4個監(jiān)測點的樁體水平位移進行分析，同時對基坑圍護樁位移變化的空間效應進行研究.

樁體水平位移隨埋深和時間變化曲線見圖5.

由圖5可知：1) 樁身的整體位移大致表現(xiàn)為向基坑內側前傾的“)”形曲線；2) 基坑底部樁體的水平位移較小，表明5.5 m的嵌固深度能較好地保證圍護樁樁身穩(wěn)定性.

每處測點樁體的最大水平位移均出現(xiàn)在第二道支撐附近，位于8 m左右的深度處，這是因為第二道支撐和上下兩道支撐的間距達到6 m，對基坑側壁土體的約束相對較??；第一道支撐距離地面1.5 m，第三道支撐距離坑底3.1 m，而且分別有冠梁和嵌固樁體，對土體起到限制作用，所以對應位置處的樁體水平位移較小，以上實測值均未超過允許值.由圖5可知，在4月底到5月初這段時間內，樁體的水平位移監(jiān)測值變化最大，這是因為第三道鋼筋混凝土支撐設置之前，深基坑支護結構還沒有形成完整的體系，支護結構的協(xié)同作用不能較好地發(fā)揮.

圖5 樁體水平位移隨埋深和時間變化曲線Fig.5 Variation curves of piles horizontal displacement with depth and time

比較4處測點最大樁體水平位移的監(jiān)測值可知，S09樁測點大于S08樁測點，S15樁測點大于S17樁測點，表明基坑各邊中點處樁體水平位移要大于中點旁樁體的水平位移；基坑北側S09測點的監(jiān)測值為所有樁體水平位移監(jiān)測的最大值，這是由于基坑北側存在高大辦公樓的緣故，說明深基坑圍護樁水平位移的變化規(guī)律有較為明顯的空間效應.

對比采用橫向鋼支撐的蘭州濕陷性黃土深基坑，吳意謙[3]給出的樁體最大水平位移(23.4 mm)大于本文測點的最大值，說明鋼筋混凝土支撐能較好地控制深基坑支護體系位移.圖5中個別曲線的某些點存在左右擺動的情況，究其原因主要有兩方面：1) 臨時加固支撐產(chǎn)生的約束作用會在樁體水平位移的監(jiān)測中直接體現(xiàn)；2) 紅砂巖地層的特殊滲透性要求基坑必須進行持續(xù)性降水，這種降水方式會對圍護樁的水平位移產(chǎn)生影響.

2.2 地表沉降監(jiān)測分析

選取深基坑南北側6處測點的沉降監(jiān)測結果進行地表沉降分析.通過圖6沉降值隨時間變化的曲線圖可知：在深基坑開挖初期地表就開始沉降，但變化較?。浑S著開挖的進行，在4月下旬第三道鋼筋混凝土支撐設置之前，沉降值的變化最大；當深基坑支

圖6 沉降值隨時間變化曲線Fig.6 Curve graph of the settlement value varies with time

護體系整體成形共同發(fā)揮作用后，沉降值的變化趨于穩(wěn)定.

由圖6可知：基坑北側沉降監(jiān)測點的沉降值明顯大于南側的沉降值，基坑兩側中點的沉降值大于邊角點的沉降值，說明深基坑施工過程中周邊區(qū)域的不同地面超載，使得支護體系的受力變得更加復雜，同時深基坑兩側土體沉降的變化表現(xiàn)出一定的空間效應.

紅砂巖地層增加了降水工序的難度，為了達到良好的降水效果，采用持續(xù)性降水方法.這樣，引起基坑周邊土體有效應力增加，同時紅砂巖層的特殊滲透性引起的土中滲流作用增強，導致地表沉降值增大；當降水進程和基坑開挖進程協(xié)調不佳時，基坑周邊土體沉降的變化也會相應增大.最大沉降值是D09測點處出現(xiàn)的27.12 mm，大于吳意謙[3]測得的蘭州濕陷性黃土深基坑周邊土體的最大沉降值(16 mm)，不過滿足規(guī)范[13]中的要求.綜上，紅砂巖地層的存在會增大深基坑在開挖過程中對周邊土體的影響.

3 基坑開挖滲流模擬及對比分析

3.1 數(shù)值分析模型

數(shù)值模擬共分為兩個階段，第一階段：深基坑施工階段開挖與支護位移的有限元計算，本階段模型見圖7；第二階段：深基坑滲流穩(wěn)定性數(shù)值分析，對本實例涉及到的紅砂巖地層的特殊滲透性進行模擬計算，滲流穩(wěn)定性分析的有限元模型見圖8.為了降低模型計算的空間邊界效應，土體模型整體橫斷面長度一般取深基坑開挖橫斷面長度的3倍，因此本文模型的尺寸為143 m×100 m×40 m.土體的本構模型選用Mohr-Coulomb本構模型，詳細的土層參數(shù)見表1，特殊紅砂巖的滲透系數(shù)設為0.35 m/d.結合本地區(qū)經(jīng)驗，模型的地面超載設置為20kPa.

圖7 深基坑開挖支護有限元模型Fig.7 Deep foundation pit finite element model of excavation and supporting

圖8 深基坑開挖支護滲流分析模型

圍護樁、鋼筋混凝土支撐、混凝土冠梁及腰梁的材料特性參數(shù)根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》選??；支護結構的截面尺寸見1.3節(jié)，采用梁單元進行模擬.網(wǎng)格劃分采用自動網(wǎng)格劃分和K-線面映射網(wǎng)格劃分相結合的方式進行.模型底部設為固定邊界，四周設定為法向約束邊界，圍護樁底部的邊界條件設置為樁基抗扭轉約束.

滲流分析多采用一次性降水，之后再設定施工階段的開挖支護.本工程遇到的紅砂巖地層的滲透特性表明：本地區(qū)紅砂巖透水性明顯，且具有弱膠結、強風化特性，雖為透水層但滲透系數(shù)相對較低.因此，為了與施工中持續(xù)降水的實際情況更接近，本文滲流數(shù)值模擬設定降水階段與開挖支護施工階段交替進行，開挖支護施工階段的工況按照第2節(jié)所述的施工步驟設置.

3.2 基坑滲流模擬及沉降對比分析

深基坑降水和開挖時的土體卸荷會打破土體原有孔隙水壓力的平衡，從而導致滲流作用的產(chǎn)生.圖9是土體初始地應力分析中的孔隙水壓力云圖，云圖分層良好，初始孔隙水壓力整體呈水平分布，土體中的水保持相對平衡狀態(tài).隨著基坑開挖的逐步進行以及持續(xù)降水作業(yè)，孔隙水壓力失衡，在基坑內外側產(chǎn)生水頭差，深基坑發(fā)生滲流作用.

圖9 初始孔隙水壓力云圖Fig.9 Cloud chart of Initial value for pore water pressure

深基坑開挖完成后的滲流場矢量圖見圖10，基坑側壁附近滲流矢量相對密集且指向基坑內側，這是由于基坑開挖完成后，基坑內外側水壓力差達到最大，坑外向坑內的滲流作用變大；基坑兩側土體以水平方向滲流為主，而且隨深度的逐漸加大，流速越來越小，在土體模型底部滲流基本消失，與模擬設定的不透水邊界一致，也同馮曉臘[14]等提出的深基坑降水計算三維水-土耦合模型相吻合.

圖10 滲流場矢量圖Fig.10 Vector map of seepage field

降水的持續(xù)進行，可以降低滲流作用對深基坑支護體系的影響，但是由此造成的土體有效應力的增加會使深基坑周邊土體沉降增大.選取沉降監(jiān)測值最大的測點D09的實測值和兩項模擬中D09測點每個工況下豎向位移值，繪制沉降值對比分析曲線散點圖,見圖11.由圖11可知，D09測點兩項模擬各工況豎向位移結果散點值和實際監(jiān)測值曲線的變化趨勢基本一致；考慮滲流作用的模擬結果均位于監(jiān)測值曲線以下，即滲流條件下的模型沉降值大于沉降實測值和基坑開挖支護模擬沉降值.因此，滲流分析能為紅砂巖深基坑沉降監(jiān)測提供較為可靠的參考.

圖11 沉降值對比分析曲線圖Fig.11 Comparative analysis curve of settlement

3.3樁水平位移的模擬結果和實測結果對比分析

選取兩個階段的模擬結果和實測值進行比較分析.模擬值提取S15樁對應節(jié)點數(shù)據(jù)，實測值選取S15測點在基坑開挖完成的監(jiān)測結果，依此繪制的樁體水平位移對比曲線見圖12.

圖12 樁體水平位移對比分析曲線Fig.12 Comparative analysis curve of pile horizontal displacement

從曲線圖中可以看出：1) 滲流模擬分析結果明顯大于開挖支護模擬結果和實際監(jiān)測結果；2) 實際監(jiān)測結果曲線和開挖支護模擬曲線擬合效果較好，10m 深度以下監(jiān)測結果要比開挖支護模擬結果略大；3) 三條位移曲線變化趨勢基本一致.

綜上所述，施工開挖支護模擬計算結果與實際監(jiān)測值相比偏小，這也與吳意謙[3]文中不考慮滲流作用的濕陷性黃土深基坑施工開挖支護模擬值略小于監(jiān)測值的結果一致，因此考慮滲流作用的模擬能為深基坑施工提供安全性更高的科學建議.因此，對于有紅砂巖地層的深基坑，滲流分析能更好地反映深基坑開挖支護及降水過程所引起的基坑周邊土體位移的變化.

4 結語

1) 樁體水平位移監(jiān)測結果表明：紅砂巖層的存在導致樁體水平位移部分點的監(jiān)測值出現(xiàn)左右擺動的情況；圍護樁的水平位移隨樁的深度先增大后減小，整體呈“)”形前傾，最大水平位移22.35 mm，滿足規(guī)范中≤0.40%H的允許值；

2) 深基坑周邊地表沉降在開挖完成后趨于穩(wěn)定，由于紅砂巖層滲透特性而采用的持續(xù)性降水措施使得深基坑出現(xiàn)27.12 mm的沉降監(jiān)測值，大于蘭州濕陷性黃土深基坑周邊土體的最大沉降值16 mm，不過仍滿足規(guī)范要求.

3) 深基坑南北側的樁體水平位移和沉降監(jiān)測結果的對比反映出樁體水平位移監(jiān)測值和沉降監(jiān)測值變化的空間效應顯著，在深基坑開挖支護和施工后期的支護優(yōu)化都應予以重視.

4) 兩項模擬計算結果和現(xiàn)場實測值曲線走向大致相同，而且開挖支護模擬和實測值較為接近.滲流數(shù)值分析表明：深基坑開挖和降水引起土體孔隙水壓力失衡，產(chǎn)生的滲流作用在基坑開挖完成后達到最大，考慮滲流作用的模擬能較為安全地反映實際位移變化情況.滲流分析結果和監(jiān)測結果有較好的一致性，也進一步說明滲流作用是基坑周邊土體及支護結構產(chǎn)生位移的主要原因.

5) 紅砂巖地層的滲透特性提高了降水的難度；相比濕陷性黃土深基坑，紅砂巖深基坑開挖過程對周邊環(huán)境的影響更大；鋼筋混凝土圍護樁加鋼筋混凝土支撐的支護體系，能將深基坑開挖引起的位移較好地控制在允許值范圍之內，可為蘭州地區(qū)類似深基坑支護體系的設計提供借鑒.