武漢某地鐵車(chē)站深基坑開(kāi)挖支護(hù)變形數(shù)值模擬研究

陳俊俊

摘 要：【目的】以武漢市唐家墩地鐵車(chē)站深基坑工程為例，綜合考慮場(chǎng)地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，權(quán)衡經(jīng)濟(jì)、安全、施工難度、工期等因素的影響，最終采用連續(xù)墻加內(nèi)支撐的方式對(duì)該深基坑進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)?！痉椒ā拷Y(jié)合ABAQUS數(shù)值模擬軟件中的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行三維建模，模擬研究了基坑開(kāi)挖過(guò)程，預(yù)測(cè)了基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)土體的水平位移、垂直位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了比對(duì)?！窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明：開(kāi)挖初期主動(dòng)土壓力主要由開(kāi)挖面以下連續(xù)墻承擔(dān)，隨著開(kāi)挖加深和支撐設(shè)置，主動(dòng)土壓力在后期主要由開(kāi)挖面以上連續(xù)墻承擔(dān)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為30.3 mm，坑外最大沉降量17.5 mm，坑內(nèi)最大隆起量為19 mm，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性?！窘Y(jié)論】基坑開(kāi)挖支護(hù)方式滿足一級(jí)基坑變形控制要求。模擬結(jié)果表明支護(hù)設(shè)計(jì)方案是可行的。

關(guān)鍵詞：深基坑開(kāi)挖；數(shù)值模擬；位移；變形

中圖分類(lèi)號(hào)：TU753? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）06-0066-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.013

Numerical Simulation Study on Supporting Deformation of Deep

Foundation Pit Excavation in a Subway Station in Wuhan

CHEN Junjun

（Wuhan Hanyang Municipal Construction Group Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] Taking the deep foundation pit engineering of tangjiadun subway station in Wuhan as an example， this paper comprehensively considers the engineering geology and hydrogeological conditions of the site， weighs the influence of economy， safety， construction difficulty， construction period and other factors， and finally adopts the continuous wall with internal support to excavate and support the deep foundation pit. [Methods] Combined with Mohr-Coulomb criterion in ABAQUS numerical simulation software， the three-dimensional modeling is carried out to simulate the excavation process of foundation pit， and the horizontal displacement， vertical displacement of soil and deformation of supporting structure within the influence range of foundation pit excavation are predicted， and are compared with the field monitoring data. [Findings] The results show that the active earth pressure is mainly borne by the diaphragm wall below the excavation face at the initial stage of excavation and with the deepening of excavation and support setting， the active earth pressure is mainly borne by the diaphragm wall above the excavation face at subsequent stage. The maximum horizontal displacement of the retaining structure is 30.3 mm， the maximum settlement outside the pit is 17.5 mm， and the maximum uplift inside the pit is 19 mm， which is consistent with the field measured data， thus verifying the feasibility of the design scheme. [Conclusions] The excavation and support mode of foundation pit can meet the deformation control requirements of first-class foundation pit. The simulation results show that the support design is feasible.

Keywords： deep foundation pit excavation; numerical simulation; displacement; deformation

0 引言

隨著城市地鐵的興起，國(guó)內(nèi)外對(duì)地鐵站深基坑工程的研究也隨之增多。地鐵工程的建設(shè)面臨車(chē)站深基坑工程的設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，對(duì)車(chē)站基坑工程的安全、穩(wěn)定性等要求較高，還要考慮對(duì)鄰近建筑物及地下管線等環(huán)境因素的影響，在車(chē)站基坑工程施工過(guò)程中，需要對(duì)圍護(hù)體系及地表變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)采取相應(yīng)措施［1］。因此，有必要對(duì)地鐵車(chē)站基坑工程施工過(guò)程中圍護(hù)體系的受力及變形和地表位移進(jìn)行研究。

本研究以武漢市唐家墩地鐵車(chē)站深基坑工程為例，綜合考慮場(chǎng)地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，權(quán)衡經(jīng)濟(jì)、安全、施工難度、工期等因素的影響，最終采用連續(xù)墻加內(nèi)支撐的方式對(duì)該深基坑進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)［2］。同時(shí)，結(jié)合ABAQUS數(shù)值模擬軟件對(duì)該車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段基坑開(kāi)挖的施工全過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)土體的水平位移、垂直位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了比對(duì)。對(duì)基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體采用不同加固方法對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程圍護(hù)墻及地表變形的影響進(jìn)行了研究。

1 基坑工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

該深基坑位于武漢市江漢區(qū)，地處發(fā)展大道與唐家墩路交叉口處?；友靥萍叶章烦誓媳弊呦颍瘘c(diǎn)里程為K24+827.6，終點(diǎn)里程為K25+55.4。車(chē)站結(jié)構(gòu)為地下三層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，地下第一層為站廳層，第二層為設(shè)備層，第三層為站臺(tái)層。標(biāo)準(zhǔn)段基坑開(kāi)挖深度約為20.5 m，端頭井開(kāi)挖深度約為23.1 m，采用明挖法施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

勘查區(qū)位于長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，為長(zhǎng)江沖洪積物形成的堆積平原地貌。根據(jù)野外鉆孔巖性描述、原位測(cè)試結(jié)果及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，可將擬建工程場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)地層劃分為五大層、十三個(gè)亞層。各土層及支撐結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。地下水位按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)合武漢市區(qū)域水文資料，取20 m為設(shè)計(jì)高水位?；咏邓量拥滓韵? m。

2 基于ABAQUS的基坑開(kāi)挖數(shù)值模型構(gòu)建

近年來(lái)，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程中得到了廣泛的應(yīng)用，很多復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題通過(guò)數(shù)值模擬可快速得到解析解［3-4］。本研究采用ABAQUS有限元軟件對(duì)該基坑的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

2.1 基本假定

為了保證模型的順利建立，對(duì)一些次要因素及過(guò)于復(fù)雜的因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化，基本假定如下：①假設(shè)各土層為水平分布；②假設(shè)土體為均質(zhì)、各向同性的彈塑性體，強(qiáng)度服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則；③支撐和連續(xù)墻為完全彈性體；④不考慮施工對(duì)土體力學(xué)指標(biāo)的影響。

2.2 模型尺寸及邊界條件

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開(kāi)挖影響深度為開(kāi)挖深度的2～4倍，影響寬度為開(kāi)挖深度的3～4倍，故模型所取的計(jì)算域?yàn)?30 m×60 m。選取寬度為6 m，包括一個(gè)計(jì)算寬度內(nèi)的土體、支撐和連續(xù)墻。土體和連續(xù)墻部件采用三維實(shí)體拉伸，支撐采用梁?jiǎn)卧Ｍ馏w和連續(xù)墻之間設(shè)置硬（hard）接觸，支撐與連續(xù)墻設(shè)置為tie接觸。土體和連續(xù)墻采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體減縮積分單元（C3D8R）模擬，支撐采用梁?jiǎn)卧M。然后分別賦予土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)。

2.2.1 邊界條件。整個(gè)模型底部約束X、Y、Z軸方向的位移。其中，左右兩側(cè)約束X軸方向的位移（U1=0）；前后面約束Y軸方向位移（U2=0）；上邊界為自由邊界。墻體與土體之間設(shè)置為面面摩擦接觸（摩擦系數(shù)取值0.3）。

2.2.2 采用按邊布種的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為同時(shí)兼顧計(jì)算機(jī)性能和精度要求，墻體和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近網(wǎng)格較密，最小網(wǎng)格尺寸為1 m，離墻體越遠(yuǎn)網(wǎng)格越疏松，由連續(xù)墻向兩側(cè)網(wǎng)格尺寸逐漸增大（1～4 m）。具體有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.3 基坑支護(hù)形式

基坑重要性等級(jí)為一級(jí)，側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)?；娱_(kāi)挖深度20.5 m。主體標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)，使用厚度為1 m的地下連續(xù)墻，連續(xù)墻頂?shù)陀诘孛妫叵逻B續(xù)墻深入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖2～3 m以起到隔水作用。連續(xù)墻上方另作1.5 m高擋土墻。

支撐采用直徑為609 mm、壁厚為16 mm的鋼管。施工期間基坑側(cè)面超載按無(wú)限局部荷載q2=15 kPa，施工道取分布寬度為6 m距基坑邊緣距離3 m的條形荷載q3=18 kPa。不考慮內(nèi)外滲流影響，基坑開(kāi)挖支撐步驟如下：①第一次開(kāi)挖至地表下2.3 m，設(shè)置第一道內(nèi)支撐；②第二次開(kāi)挖至地表下6.4 m，設(shè)置第二道內(nèi)支撐；③第三次開(kāi)挖至地表下10.8 m，設(shè)置第三道內(nèi)支撐；④第四次開(kāi)挖至地表下14.6 m，設(shè)置第四道內(nèi)支撐；⑤第五次開(kāi)挖至地表下17.8 m，設(shè)置第五道內(nèi)支撐；⑥第六次開(kāi)挖至基坑底部，距地表20.5 m處。

2.4 參數(shù)選取

土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的選取如表1所示。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 初始應(yīng)力場(chǎng)分析

對(duì)模型整體施加重力荷載，然后令位移場(chǎng)清零，得到初始應(yīng)力，如圖2所示。從圖2可以看出，初始應(yīng)力場(chǎng)主要受土體自重影響，分布較均勻，隨著深度加大數(shù)量級(jí)加大。

3.2 基坑外地表水平位移分析

第二次和第五次挖階段的基坑水平位移變化如圖3所示。由圖3可以看出，基坑圍護(hù)墻體嵌入一定深度的巖層中，隨著開(kāi)挖深度的增加，最大水平位移點(diǎn)的位置隨開(kāi)挖面逐漸向下移動(dòng)，且變形區(qū)域逐漸增大。

由圖3還可以看出，水平位移等值線呈現(xiàn)以開(kāi)挖面與連續(xù)墻交界處為中心，逐漸向兩側(cè)擴(kuò)張的漏斗形狀。隨著開(kāi)挖深度的增加，漏斗不斷向兩側(cè)擴(kuò)張，影響范圍隨之增大，同時(shí)漏斗核心區(qū)位移幅值不斷加大，在開(kāi)挖結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值。值得注意的是，水平位移最大值并不是發(fā)生于開(kāi)挖面連續(xù)墻處，而是在該點(diǎn)上方的一定位置。

開(kāi)挖過(guò)程中地表水平位移變化如圖4所示。圖4中水平位移變化值與圖5中各階段水平位移云圖變化趨勢(shì)相一致。隨著基坑向下開(kāi)挖，發(fā)生最大水平位移的位置逐漸遠(yuǎn)離墻體，并始終位于開(kāi)挖面偏上處。值得注意的是，連續(xù)墻的水平位移各工況均有兩個(gè)極值點(diǎn)，這就對(duì)應(yīng)了云圖開(kāi)挖面上下各存在一個(gè)承載集中區(qū)域。

3.3 土體豎向位移分析

第一次到四次挖階段的基坑豎向位移變化如圖5所示。由圖5可以看出，基坑圍護(hù)墻體嵌入一定深度的巖層中，隨開(kāi)挖深度的增加，最大豎向位移點(diǎn)的位置隨開(kāi)挖面逐漸向下移動(dòng)，且變形區(qū)域逐漸增大。

由圖5可知，不同開(kāi)挖階段的豎向位移極值區(qū)域均靠近連續(xù)墻的坑角位置。step1后，沉降最大位置靠近墻體。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，發(fā)生最大沉降位移的位置逐漸偏離墻體。step2之前的主要問(wèn)題是坑內(nèi)隆起問(wèn)題，step3之后坑外沉降變得越來(lái)越明顯，沉降量和范圍也不斷增大。

相比于豎向位移，地表沉降和坑內(nèi)隆起更值得重視。因此，下面分別用ABAQUS指定路徑畫(huà)XY曲線圖，在地表和坑底指定路徑，繪制各工況地表沉降如圖6所示，step6坑底隆起如圖7所示。

由圖6和圖7分析可知，地表最大沉降在step6地表距基坑邊緣的3～5 m處取得，為17.5 mm；坑底最大隆起量在step6的基坑中心位置取得，為19 mm。

3.4 墻體水平位移

選取計(jì)算鉆孔附近連續(xù)墻水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX-6監(jiān)測(cè)資料，與模擬連續(xù)墻水平位移數(shù)據(jù)做對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，在預(yù)測(cè)坑內(nèi)水平方向位移時(shí)，模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合，整體趨勢(shì)一致，模擬最大位移位置較監(jiān)測(cè)結(jié)果偏上，在基坑上部連續(xù)墻向土體方向的位移，兩者差別較大，誤差產(chǎn)生的原因主要有以下兩個(gè)。

3.4.1 模型計(jì)算沒(méi)有考慮鋼支撐預(yù)加力。實(shí)際施工施加了較大的預(yù)加力，導(dǎo)致墻體在頂端向墻后土體方向產(chǎn)生較大位移，以及在11 m深度處（第三道鋼支撐位置）位移方向由向坑內(nèi)變?yōu)橄蚩油獾奈灰?，這些因素又同時(shí)導(dǎo)致了坑內(nèi)位移最大值向下移動(dòng)。

3.4.2 模型沒(méi)有考慮施工和降水引起的土體參數(shù)改變?？傮w來(lái)說(shuō)，模型的建立和參數(shù)的選取是比較可取的，可以較為客觀地反映連續(xù)墻變形情況，本有限元模型可以用來(lái)模擬本基坑的開(kāi)挖與支護(hù)。模擬結(jié)果表明，基坑變形滿足一級(jí)基坑位移小于0.15% H（H為基坑深度），且不大于40 mm的變形控制要求。

4 結(jié)論

本研究以武漢市唐家墩地鐵車(chē)站深基坑工程為例，根據(jù)勘察報(bào)告分析其場(chǎng)地條件，比選支護(hù)方案，通過(guò)ABAQUS數(shù)值模擬的方式，選用Mohr-Coulomb模型研究了基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)土體的位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，并得出以下結(jié)論。

①綜合考慮工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，權(quán)衡經(jīng)濟(jì)、安全、施工難度、工期等因素的影響，采用連續(xù)墻加內(nèi)支撐的方法對(duì)唐家墩地鐵車(chē)站深基坑進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)。

②在被動(dòng)區(qū)和主動(dòng)區(qū)均存在一個(gè)水平位移極值集中區(qū)。開(kāi)挖初期，被動(dòng)區(qū)極值集中區(qū)幅值更大，主動(dòng)土壓力主要由開(kāi)挖面以下連續(xù)墻承擔(dān)。隨著開(kāi)挖加深和支撐設(shè)置，主動(dòng)土壓力在后期主要由開(kāi)挖面以上連續(xù)墻承擔(dān)。

③圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為30.3 mm，坑外最大沉降量17.5 mm，坑內(nèi)最大隆起量為19 mm，滿足一級(jí)基坑變形控制要求。

④在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，土體參數(shù)會(huì)隨施工過(guò)程改變，具體有待做進(jìn)一步的深入研究。

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