地鐵換乘站坑中坑開挖變形特性

侯新宇 劉松玉 童立元

(1東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096)

(2江蘇廣播電視大學(xué)建工系，南京 210036)

地鐵換乘站是城市地下交通樞紐的重要組成部分，坑中坑工程作為基坑工程的獨特形式之一，具備傳統(tǒng)基坑工程卸載開挖的部分特征.傳統(tǒng)基坑工程土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系隨土體開挖發(fā)生改變，Lambe［1］在1967年提出的應(yīng)力路徑方法能夠很好地描述這一變化過程;被動區(qū)土體由于上部土體卸載導(dǎo)致豎向應(yīng)力減小，應(yīng)力主軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏應(yīng)力減小的同時球應(yīng)力減?。?］;文獻(xiàn)［3］對卸載條件的應(yīng)力路徑和模量進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［4］把正常固結(jié)飽和黏土用雙曲線擬合并歸一化，用于軟黏土深基坑開挖非線性有限元計算;文獻(xiàn)［5-10］采用模型試驗以及數(shù)值模擬等方式，對卸載條件下基坑土體的應(yīng)力路徑變化進(jìn)行研究.

坑中坑工程的結(jié)構(gòu)形式和土方施工特點有別于傳統(tǒng)基坑，施工開挖形成的土體應(yīng)力場分布比傳統(tǒng)基坑更為復(fù)雜.現(xiàn)行的基坑工程設(shè)計規(guī)范中未涉及坑中坑方面的問題，用傳統(tǒng)的基坑支護(hù)理論指導(dǎo)設(shè)計和施工，往往會因諸多不確定性因素導(dǎo)致重大工程事故.目前國內(nèi)對坑中坑問題的研究多限于圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工方法及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析等方面［11-13］.文獻(xiàn)［14］對坑中坑問題進(jìn)行了歸納分類;文獻(xiàn)［13］對坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算取值進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)［15］對坑中坑結(jié)構(gòu)形式參數(shù)對應(yīng)力場的敏感程度進(jìn)行了分析.

本文對坑中坑土體的應(yīng)力路徑變化進(jìn)行了分析，并通過對蘇州軌道交通一號線某換乘站進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，歸納了坑中坑工程土體的變形特點.

1 坑中坑開挖土體變形機(jī)理

坑中坑基坑形式是在傳統(tǒng)的大基坑底部開挖小基坑，常常把大基坑稱為外坑，小基坑稱為內(nèi)坑.坑中坑基坑開挖總體分為2個階段(見圖1)，第一階段挖除外坑的全部土體(8區(qū))，第二階段挖除內(nèi)坑的土體(7區(qū)).在不同開挖階段，基坑不同區(qū)域的土體處于不同的應(yīng)力狀態(tài)，隨著開挖階段的變化，其應(yīng)力狀態(tài)也隨之改變.

圖1 坑中坑開挖剖面示意圖

第一階段，8區(qū)的土體卸載導(dǎo)致外側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向位移.1區(qū)的水平應(yīng)力減小，豎向應(yīng)力基本保持不變，水平應(yīng)力介于主動土壓力與靜止土壓力之間，應(yīng)力路徑沿圖2中AC方向發(fā)展.2區(qū)上部土體卸載導(dǎo)致其豎向應(yīng)力減小，應(yīng)力主軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏應(yīng)力和球應(yīng)力均減小，應(yīng)力路徑沿AE方向發(fā)展，5區(qū)和7區(qū)也有相似的特點.3區(qū)和6區(qū)豎向應(yīng)力減小的同時，水平應(yīng)力也有小幅變化，應(yīng)力路徑沿AD方向發(fā)展.4區(qū)豎向應(yīng)力基本不變，水平應(yīng)力小幅變化，應(yīng)力主軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，應(yīng)力路徑沿AC方向緩慢發(fā)展.

圖2 坑中坑p-q空間應(yīng)力路徑

第二階段，7區(qū)的土體卸載導(dǎo)致坑中坑內(nèi)外支護(hù)結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)展的位移.基坑不同區(qū)域的土體應(yīng)力狀態(tài)重新分布.

1區(qū)應(yīng)力路徑發(fā)展與第一階段相似，沿原AC方向繼續(xù)發(fā)展.2區(qū)土體側(cè)向卸載，應(yīng)力主軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其應(yīng)力路徑在AE某位置發(fā)生改變，沿EE'繼續(xù)發(fā)展，EE'有近似平行AC的趨勢;由于5區(qū)上部土體卸載，豎向應(yīng)力減小，應(yīng)力路徑繼續(xù)沿AE向EMF方向發(fā)展.6區(qū)豎向應(yīng)力減小，沿著原有應(yīng)力路徑AD向S發(fā)展.3區(qū)在卸載作用下，應(yīng)力主軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，應(yīng)力路徑在AD某位置發(fā)生改變，沿DD'繼續(xù)發(fā)展，DD'有近似平行AC的趨勢.4區(qū)應(yīng)力路徑沿原方向繼續(xù)發(fā)展.

2 工程概況

蘇州軌道交通一號線某車站位于廣濟(jì)路與干將西路交叉路口地下，為一號線和二號線換乘車站.車站由一號線、二號線、北聯(lián)絡(luò)線及控制中心4部分組成:①一號線為東西向，結(jié)構(gòu)外包全長315.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度32.4 m，車站主體為地下兩層，采用雙層雙跨或多跨鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu).②二號線為南北向，結(jié)構(gòu)外包全長113.9 m，外包寬度24.7 m，車站主體為地下三層，采用雙柱三跨鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu).③北聯(lián)絡(luò)線位于二號線北端，長約168 m，為地下負(fù)三層結(jié)構(gòu).④控制中心位于一號線北側(cè)，長約108 m，寬約60 m，為地下負(fù)一層結(jié)構(gòu).

車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，一號線地下雙層段、二號線和一號線相接部分均采用800 mm厚連續(xù)墻，墻體埋深29～32 m;二號線及聯(lián)絡(luò)線地下三層段采用1 m厚連續(xù)墻，墻體埋深約41 m;控制中心采用600 mm厚地下連續(xù)墻，墻體埋深約18 m;車站主體交叉部位、車站與商務(wù)區(qū)、商務(wù)區(qū)與控制中心結(jié)合部位采用半截墻，墻體埋深14.11～20.37 m.車站主體地基加固主要采用φ850 mm三軸攪拌樁局部加固(裙邊方式加固，寬度4 m).坑內(nèi)加固深度為基底至基底以下3 m(局部4 m).取換乘站典型斷面進(jìn)行分析(見圖3).

圖3 坑中坑剖面圖(單位:mm)

3 坑中坑開挖有限元模型的建立

典型坑中坑斷面外坑開挖深度15 m，外地連墻厚0.8 m，入土深度27 m，外坑3道鋼筋混凝土支撐.內(nèi)坑開挖深度6 m，內(nèi)地連墻厚0.6 m，入土深度13 m，內(nèi)坑采用2道φ609 mm(t=16 mm)的鋼管支撐，坑中坑剖面如圖3所示.基坑土體開挖共7個卸載工況，每次開挖深度到達(dá)下一支撐位置超挖1 m，坑外超載距離地連墻2 m，取20 kPa，有限元計算模型如圖4所示.

圖4 有限元計算模型

根據(jù)坑中坑開挖基坑土體應(yīng)力路徑的分析，理想的彈塑性模型不能滿足坑中坑開挖模擬的要求.不管是卸載模量Eur，還是首次加載模量E50，都會隨著圍壓的增加而增加，基坑土體卸載模量必須選擇一個與應(yīng)力水平和應(yīng)力路徑發(fā)展相一致的數(shù)值.本文采用的Hardening-Soil(HS)模型是一個考慮了土體剪脹性的塑性模型，在Mohr-Coulomb屈服面基礎(chǔ)上引入了一個屈服帽蓋.當(dāng)對土體施加偏應(yīng)力(σ1－σ3)時，土體表現(xiàn)出剛度下降，產(chǎn)生塑性應(yīng)變.HS模型能夠模擬具有不同應(yīng)力路徑條件下的土體剛度變化.該模型采用三軸固結(jié)不排水剪(CU)的有效應(yīng)力指標(biāo)、土層參數(shù)、地連墻參數(shù)和支撐參數(shù)如表1～表3所示.

表1 土層參數(shù)

表3 支撐參數(shù)

表2 地連墻參數(shù)

4 坑中坑開挖數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 土體開挖對外地連墻側(cè)向位移的影響

外坑開挖的4個工況(LD1～LD4)中，由于基坑土體側(cè)向卸載，外地連墻向坑內(nèi)產(chǎn)生側(cè)向移動，鋼筋混凝土支撐剛度較大，外地連墻產(chǎn)生的土拱效應(yīng)隨開挖深度增大越明顯，最大側(cè)移位置隨開挖深度向下移動(見圖5).工況4墻體側(cè)向位移最大達(dá)到0.028 m，最大位置出現(xiàn)在墻體11.2 m深度處.內(nèi)坑開挖的3個工況(LD5～LD7)對外地連墻側(cè)向位移影響不大，外墻上部在支撐剛度持續(xù)作用下側(cè)移幾乎無變化，外墻下部在內(nèi)坑卸載作用下發(fā)生側(cè)移，每次側(cè)移幅度在2 mm左右，遠(yuǎn)小于外坑開挖對外墻側(cè)移的影響.基坑外地連墻實測的側(cè)向位移值略小于數(shù)值模擬結(jié)果(見圖6)，各開挖工況變形趨勢與數(shù)值模擬相一致，以上變形趨勢符合坑中坑應(yīng)力路徑的定性分析.坑趾系數(shù)(內(nèi)墻到外墻的距離/外坑深度)1.07＞0.5，內(nèi)坑開挖導(dǎo)致外墻土壓力增長較小，這與文獻(xiàn)［15］結(jié)果吻合.

圖5 外地連墻側(cè)向位移曲線

圖6 外地連墻側(cè)向位移實測曲線

4.2 土體開挖對內(nèi)地連墻側(cè)向位移的影響

內(nèi)地連墻在基坑土方開挖前已經(jīng)施工完畢.外坑開挖的過程中，內(nèi)墻無支撐作用時相當(dāng)于懸于坑內(nèi)土體中，其位置完全受到周邊土層側(cè)向移動的制約.在外坑開挖的過程中，內(nèi)墻總體保持遠(yuǎn)離外墻的側(cè)移趨勢(見圖7)，內(nèi)墻外側(cè)應(yīng)力主軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏應(yīng)力和球應(yīng)力均減小;同時內(nèi)墻頂卻出現(xiàn)側(cè)移隨開挖深度增大有減小的趨勢，分析這種現(xiàn)象主要由開挖卸載使基坑內(nèi)土體產(chǎn)生隆起所導(dǎo)致.工況5(LD5)為內(nèi)墻懸臂開挖，內(nèi)墻側(cè)向卸載導(dǎo)致內(nèi)墻后土體應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)，應(yīng)力路徑趨勢發(fā)生改變，墻頂產(chǎn)生明顯側(cè)移.隨著內(nèi)墻支撐的施加，內(nèi)墻墻頂?shù)膫?cè)移量得到限制，但內(nèi)墻墻底側(cè)移限制程度不明顯，這主要是因為內(nèi)坑卸載改變了內(nèi)墻外側(cè)土體的應(yīng)力場分布，也包括外墻周邊土體應(yīng)力場.內(nèi)地連墻實測的側(cè)向位移結(jié)果如圖8所示，各工況變形趨勢與數(shù)值模擬相一致，內(nèi)坑開挖導(dǎo)致內(nèi)地連墻側(cè)移值增加超過11 mm.

圖7 內(nèi)地連墻側(cè)向位移曲線

圖8 內(nèi)地連墻側(cè)向位移實測曲線

4.3 土體開挖對外墻外側(cè)土體沉降的影響

外墻外側(cè)土體沉降受外坑土體開挖影響較為明顯，而內(nèi)坑開挖對其影響微弱(見圖9).在外墻外側(cè)1倍開挖深度處，前4個工況都會使之發(fā)生一定程度的沉降;在內(nèi)坑開挖過程中，外墻外側(cè)土體沉降基本趨于穩(wěn)定，內(nèi)坑土體卸載對外墻外側(cè)土體沉降影響很小.內(nèi)坑開挖產(chǎn)生的卸載對外墻地面附近土體的應(yīng)力路徑改變較小.基坑監(jiān)測結(jié)果也呈現(xiàn)相同的變化趨勢.

圖9 外墻外側(cè)土體沉降曲線

4.4 土體開挖對外墻外側(cè)土體水平位移影響

坑中坑土體開挖導(dǎo)致土層側(cè)向移動，而外墻外側(cè)土體水平位移是基坑環(huán)境影響的重要指標(biāo)之一.由圖10可知，由于外坑土體卸載導(dǎo)致外墻外側(cè)地面水平位移較為明顯，局部超過15 mm，而內(nèi)坑的3次土體開挖產(chǎn)生外墻外側(cè)地面水平位移曲線幾乎重合，側(cè)移增量不超過1 mm.這與外墻外側(cè)土體沉降趨勢保持一致，即內(nèi)坑開挖對地面水平位移影響甚微.

圖10 外墻外側(cè)土體水平位移曲線

4.5 坑中坑土體開挖對內(nèi)墻外側(cè)土體豎向位移的影響

內(nèi)墻外側(cè)土體頂面即為外坑的基坑底面.工況4開挖產(chǎn)生的內(nèi)墻外側(cè)土體豎向位移即為外坑坑底隆起量.由圖11可以看出:外坑土體4次開挖結(jié)束，外坑坑底產(chǎn)生較大隆起，最大隆起發(fā)生在內(nèi)墻外側(cè)附近，隆起量達(dá)到0.136 m，在內(nèi)墻外側(cè)10 m范圍內(nèi)隆起量都超過0.10 m.在內(nèi)墻外側(cè)10 m處，由于外墻內(nèi)側(cè)有水泥土深層攪拌樁坑底加固，隆起量逐漸降低，到達(dá)外墻位置隆起量僅為0.024 m.

圖11 內(nèi)墻外側(cè)土體豎向位移曲線

內(nèi)坑土體的3次開挖并未對內(nèi)墻外側(cè)土體豎向位移產(chǎn)生較大的改變.但隨著內(nèi)坑開挖工況進(jìn)行，內(nèi)墻外側(cè)土體豎向位移有增大趨勢，這種情況與常規(guī)基坑外側(cè)土體豎向位移趨勢相反.分析其原因，主要是由于內(nèi)坑土體開挖導(dǎo)致內(nèi)墻外側(cè)土體應(yīng)力路徑趨勢發(fā)生改變(見圖2中AEE'曲線)，同時外墻外側(cè)土體應(yīng)力路徑持續(xù)發(fā)展(見圖2中AC)，內(nèi)墻和外墻外側(cè)土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，土層發(fā)生移動.內(nèi)坑卸載導(dǎo)致的外坑坑底隆起部分超過內(nèi)坑外側(cè)土體沉降部分，形成了圖9中內(nèi)坑3次開挖的豎向位移趨勢.

應(yīng)力路徑的改變是坑中坑土體變形的直接根源，這種復(fù)雜的變化通過實際坑中坑工程土體開挖得以體現(xiàn).在所選的典型案例中，內(nèi)坑開挖的3個工況對外地連墻側(cè)向位移影響不大，有支撐作用的外墻上部側(cè)移幾乎無變化，外墻下部在內(nèi)坑卸載作用下發(fā)生側(cè)移;外坑、內(nèi)坑的開挖都導(dǎo)致內(nèi)墻向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)移;內(nèi)坑開挖對外墻外側(cè)土體的豎向和水平向位移影響較小;內(nèi)坑外側(cè)土體(即外坑坑底)的隆起主要由卸載條件下的內(nèi)坑外側(cè)土體沉降和外坑坑底隆起兩部分組成，變化幅度不大.

5 結(jié)語

坑中坑基坑的內(nèi)坑土體卸載導(dǎo)致基坑不同區(qū)域土體應(yīng)力-路徑發(fā)生改變.這種基坑土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的變化比常規(guī)基坑應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系更為復(fù)雜.不同應(yīng)力路徑條件下的土體模量發(fā)生變化，在進(jìn)行坑中坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相關(guān)受力變形分析過程中，土體模量變化的差異是不容忽視的，這直接影響著坑中坑開挖的變形.坑中坑基坑開挖應(yīng)力路徑以及其開挖變形特性的研究，能夠為更多坑中坑工程確定更為科學(xué)合理的設(shè)計和施工方案提供一定的參考依據(jù).

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