基于MIDAS軟件探討施工工序?qū)ι罨臃€(wěn)定性的影響

李方成，郭利娜，胡 斌，蔣海飛，徐海清

(1.中南電力設(shè)計(jì)院，武漢 430071;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074;3.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，武漢 430030)

實(shí)踐證明，科學(xué)地制定可綜合考慮時(shí)空效應(yīng)［1－5］影響的開挖、支撐設(shè)計(jì)施工方案，并合理地利用巖土體在開挖過(guò)程中的結(jié)構(gòu)性而提供的自撐能力，由此達(dá)到控制坑周地層位移和保護(hù)環(huán)境的目的，以減少采用昂貴地基加固措施的做法，是安全經(jīng)濟(jì)地使基坑在開挖過(guò)程保持穩(wěn)定的有效途徑［6－8］。關(guān)于深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形時(shí)空效應(yīng)的研究已取得了不少成果［9－11］。文獻(xiàn)［9］采用連續(xù)介質(zhì)粘彈塑性三維有限元法對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行研究，但參數(shù)較復(fù)雜，難于由實(shí)驗(yàn)獲取，且計(jì)算工作量較大。文獻(xiàn)［10］采用彈性地基梁模型，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)信息采集，優(yōu)化反演被動(dòng)區(qū)地層土抗力系數(shù)m及水土壓力修正系數(shù)α，以達(dá)到近似考慮土體變形規(guī)律的時(shí)效特征和支護(hù)過(guò)程的空間效應(yīng)。文獻(xiàn)［11］則提出2種計(jì)算模型:對(duì)于長(zhǎng)條型基坑，仍采用彈性桿系有限元計(jì)算模型，但將其中被動(dòng)土壓力的彈性基床系數(shù)修改成為考慮開挖過(guò)程的時(shí)空效應(yīng)的基床系數(shù);對(duì)于大寬度、不規(guī)則深基坑，坑內(nèi)框架支撐體系與擋土結(jié)構(gòu)共同組成一空間結(jié)構(gòu)體系，在變形協(xié)調(diào)的原則下，對(duì)擋土結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)則分別按彈性桿系有限元及平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。

然而，到目前為止卻很少有考慮時(shí)空效應(yīng)變化的施工工序這一明確因素對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響做出過(guò)深入的分析。為此，筆者以武漢地鐵名都站深基坑工程為依托，利用巖土工程有限元軟件MIDAS的摩爾－庫(kù)侖本構(gòu)模型［12－13］和其優(yōu)越的前后處理及計(jì)算性能，對(duì)基坑施工過(guò)程中不同施工工序下每步開挖之后，基坑的變形情況做仿真模擬并做對(duì)比，分析其對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

武漢地處長(zhǎng)江沖積平原的中游地區(qū)，地層以第四系近代人工填土層(Qml)、第四系中更新統(tǒng)沖積層()、第四系中更新統(tǒng)沖洪積層()、下伏基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖為主。局部分布有容易產(chǎn)生巖溶災(zāi)害的灰?guī)r區(qū)域，地質(zhì)條件十分復(fù)雜。與其他城市地鐵相比，武漢地鐵具有獨(dú)有的特性。本文的研究對(duì)象為武漢地鐵2號(hào)線上的名都車站基坑，地質(zhì)條件尤其復(fù)雜，地處巖溶發(fā)育的區(qū)域，位于剝蝕壟崗、殘丘地貌單元，地下水位偏高，主要為孔隙水和巖溶水。

名都站是武漢市軌道交通2號(hào)線一期工程主線的第20個(gè)站，位于虎泉街與雄楚大街交叉口，沿虎泉街設(shè)置。車站有效站臺(tái)中心線的里程為右DK26+259.707，按8輛編組土建預(yù)留車站總長(zhǎng)度為241.3 m。車站結(jié)構(gòu)選用10 m站臺(tái)單柱兩跨兩層矩形框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外包尺寸為18.90 m×13.31 m，車站頂部覆土控制3.0 m。車站主體結(jié)構(gòu)基坑開挖深度為15.37～19.87 m，按照國(guó)家和湖北省建筑基坑支護(hù)的有關(guān)技術(shù)規(guī)范和規(guī)定，名都站深基坑支護(hù)的安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)1.1，地表沉降最大值和圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值均不得大于40 mm。綜合本站周邊環(huán)境、地質(zhì)條件和工程造價(jià)等，本車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水平受力體系采用鋼管內(nèi)支撐方案［14］。鉆孔灌注樁樁徑1.0 m，樁中心距1.3 m。圖1為 T87剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖(其他剖面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置同樣為這樣3道支撐)。

圖1 T87剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of monitoring points in profile T87

2 MIDAS仿真模擬的基本假定

(1)計(jì)算域:該車站總長(zhǎng)241.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為18.86 m，車站主體結(jié)構(gòu)基坑開挖深度為15.37～19.87 m，采用明挖法進(jìn)行分段開挖，場(chǎng)區(qū)總體地形平坦，地層變化不大。本文選取標(biāo)準(zhǔn)段基坑進(jìn)行模擬，此段開挖深度為17 m，其計(jì)算域的范圍，對(duì)于基坑側(cè)壁以外取2～3倍的基坑最終開挖深度，影響深度為開挖深度的1.5倍，故最終建立模型尺寸為130 m×110 m×43 m。

(2)地層:基坑四周地表假定為水平地面，且各地層分布均勻無(wú)交錯(cuò);各地層通過(guò)實(shí)體單元來(lái)模擬，各地層參數(shù)根據(jù)武漢地鐵提供的地質(zhì)勘察報(bào)告，經(jīng)地層簡(jiǎn)化及模型調(diào)整，取表1所示地層參數(shù)。

(3)地下水:場(chǎng)區(qū)地下水主要為上層滯水和巖溶裂隙水，水量不大;采用明溝集中排水方式排泄地下水，且鉆孔灌注樁外圍雜填土采用高壓旋噴做止水帷幕，防止上層滯水滲入;為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，故可以不考慮地下水的滲流作用。

表1 地層參數(shù)Table 1 Parameters of strata

(4)圍護(hù)樁:名都站采用d=1 000 mm，間距@1 300 mm的鉆孔灌注樁作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在GTS中，混凝土鉆孔灌注樁可采用梁?jiǎn)卧秵卧驅(qū)嶓w單元來(lái)模擬，但由于排樁單元所形成的網(wǎng)格會(huì)造成計(jì)算量龐大，不經(jīng)濟(jì)。因此在模擬過(guò)程中，按照樁墻抗彎剛度相等的原則，將排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)等效為地下連續(xù)墻，其受力形式與地下連續(xù)墻類似。經(jīng)驗(yàn)表明，利用等效的地下連續(xù)墻進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果更偏保守、更合理。等效后的地下連續(xù)墻厚度為600 mm。

(5)內(nèi)支撐:內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，其中預(yù)加軸力以集中力的方式加到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處，連續(xù)墻和支撐材料的本構(gòu)均采用線彈性。根據(jù)武漢地鐵提供的方案設(shè)計(jì)報(bào)告，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 支護(hù)參數(shù)表Table 2 Parameters of supporting measures

(6)施工荷載:①結(jié)構(gòu)自重按實(shí)際重量考慮，鋼混結(jié)構(gòu)重度為25 kN/m3，鋼重度為78 kN/m3;②臨時(shí)性荷載。深基坑施工過(guò)程中，為了施工方便，坑邊往往會(huì)有一定的堆載，如堆放鋼筋、鋪設(shè)龍門吊軌道等;此外，基坑兩側(cè)有一定的車流量，這些荷載作用時(shí)間不長(zhǎng)，且無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)計(jì)荷載大小，根據(jù)大量工程實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)，臨時(shí)性荷載可按20 kN/m2。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的三維模型Fig.2 Three-dimensional model of the bracing of foundation pit

(7)邊界條件:利用模型自帶的地面支承設(shè)置，模型側(cè)面限制水平向位移，底面全約束，地表面不限制位移，為自由面。

(8)力學(xué)模型:本文中巖土體的力學(xué)計(jì)算模型采用莫爾－庫(kù)侖本構(gòu)模型。

3 不同施工步序?qū)臃€(wěn)定性的影響分析

3.1 原設(shè)計(jì)施工工序

基坑從上至下分層開挖，車站主體基坑分3層開挖，通道、出入口、風(fēng)井等附屬結(jié)構(gòu)基坑分2層開挖。其施工工序如下:

施工步驟1，開挖至地面以下2.9 m，此時(shí)還未施加第1道鋼支撐，圍護(hù)樁近似等于1根懸臂梁。

施工步驟2，開挖至地面以下8.1 m。

施工步驟3，架設(shè)第1道支撐。

施工步驟4，架設(shè)第2道支撐。

施工步驟5，開挖至地面以下13.2 m。

施工步驟6，架設(shè)第3道支撐。

施工步驟7，開挖至17 m。

3.2 原施工工序下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形仿真模擬結(jié)果

對(duì)于基坑工程，土體是產(chǎn)生荷載的主要來(lái)源，但同時(shí)也是支撐體系的一部分，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形不僅影響基坑的穩(wěn)定性，也會(huì)使土體所受到的荷載和分布形態(tài)發(fā)生改變;由于基坑土方開挖卸荷作用改變了原有的應(yīng)力狀態(tài)，基坑內(nèi)側(cè)土體減小了對(duì)樁的支撐作用，從而使基坑外側(cè)土體的壓力增大。圖3為在每步開挖過(guò)程中的x方向位移變化云圖;圖4為在每步開挖過(guò)程中的y方向位移變化云圖。

從圖3、圖4可知:

(1)基坑開挖的深度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移變化量呈正比，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨著開挖深度的增加而增加，基坑的長(zhǎng)邊和短邊都是在最后一次開挖結(jié)束后出現(xiàn)水平位移最大值。

(2)通過(guò)分析比較各開挖步驟中墻體水平位移的分布情況，可知，第1步開挖后，墻體水平位移不大，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力形式類似1根懸臂梁，最大位移在墻頂，往下逐漸減少;第2步開挖后，墻體的位移分布形態(tài)有了一定變化，最大位移值點(diǎn)出現(xiàn)于開挖面以下6～7 m處;第3步、4步開挖后，隨著鋼支撐的架設(shè)完畢，墻體最大位移出現(xiàn)在各邊中上部。上部土體位移也有一定的擴(kuò)展，基坑可能存在安全隱患。

(3)樁底的位移慢慢地增大，這是由于土方開挖使樁體內(nèi)側(cè)的側(cè)壓力減少，同時(shí)，剩余土體得到部分卸荷回彈變形，在豎向得到彈性恢復(fù)，進(jìn)而產(chǎn)生水平向的移動(dòng)。

圖3 原方案開挖過(guò)程中x方向位移云圖Fig.3 Displacements in x direction during the excavation in the original scheme

3.3 施工工序的優(yōu)化

只要基坑空間滿足支撐架設(shè)要求，就應(yīng)該及時(shí)架設(shè)鋼支撐，以保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。所以，下面將原施工工序進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)研究施工步序的不同對(duì)基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

圖4 原方案開挖過(guò)程中y方向位移云圖Fig.4 Displacements in y direction during the excavation in the original scheme

(1)施工步驟1:初始地應(yīng)力分析，在施工過(guò)程中，土方開挖是在土體自重作用下固結(jié)沉降后開始的。

(2)施工步驟2:進(jìn)行鉆孔灌注樁施工。

(3)施工步驟 3:開挖至2.9 m(其中超挖0.5 m)，此時(shí)還未施加第1道鋼支撐，圍護(hù)樁近似等于1根懸臂梁。

(4)施工步驟4:施加第1道鋼支撐并開挖至8.1 m(其中超挖0.5 m)。

(5)施工步驟5:施加第2道鋼支撐并開挖至13.2 m(其中超挖0.5 m)。

(6)施工步驟6:施加第3道鋼支撐并開挖至17 m基坑底。

3.4 優(yōu)化后的模擬結(jié)果云圖及對(duì)比分析

圖5、圖6為優(yōu)化后不同施工步驟下基坑側(cè)壁的水平位移變化云圖。

圖5 優(yōu)化后不同施工步驟下x方向位移云圖Fig.5 Displacements in x direction at different excavation steps in the optimized scheme

圖6 優(yōu)化后不同施工步驟下y方向位移云圖Fig.6 Displacements in y direction at different excavation steps in the optimized scheme

由原施工工序模擬圖與優(yōu)化后施工工序模擬圖對(duì)比分析可知:

(1)鋼支撐的架設(shè)對(duì)限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移效果顯著。在支撐未架設(shè)前，墻體受力類似于懸臂梁;架設(shè)后，受力狀態(tài)改變，類似于桿件，使擋土效果得以加強(qiáng)。在第1步開挖之后及時(shí)架設(shè)鋼支撐與開挖到8.1 m后再架設(shè)第一道鋼支撐的位移云圖對(duì)比分析可以看出，圖5(b)與(d)的位移量明顯小于圖3(b)與(d)，且發(fā)生最大位移的位置偏于中下部，基坑上部位移值較穩(wěn)定。這是由于施工工序的優(yōu)化使得第1道鋼支撐的架設(shè)非常及時(shí)的緣故。

(2)調(diào)整后的施工工序下開挖到底后短邊和長(zhǎng)邊的位移量均小于原施工工序下的開挖變形量。由此可見(jiàn)，優(yōu)化施工工序后的基坑較原設(shè)計(jì)施工工序的基坑偏于穩(wěn)定。

(3)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移云圖形態(tài)出現(xiàn)較大變化，優(yōu)化后云圖呈“中部崛起”，最大位移出現(xiàn)在各邊中下部，這是由于施工工序的變化從而使得第1道支撐架設(shè)及時(shí)，連續(xù)墻上部有了一定的支撐的緣故。由分析可知，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況與施工工序有很大的關(guān)系，施工工序越準(zhǔn)確，上部土體變形越小，反之越大。

4 結(jié)論

本文通過(guò)國(guó)際著名巖體工程軟件MIDAS GTS對(duì)武漢地鐵名都站深基坑工程的數(shù)值仿真模擬，得出施工工序的變化影響基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的幾點(diǎn)規(guī)律，可以為類似的工程提供參考。

(1)在鋼支撐架設(shè)之前，基坑的穩(wěn)定性完全由地下連續(xù)墻提供，此時(shí)連續(xù)墻的受力狀態(tài)類似于懸臂梁，底端彎矩增長(zhǎng)過(guò)大，極不利于基坑的穩(wěn)定，變相說(shuō)明了及時(shí)架設(shè)內(nèi)支撐的重要性。

(2)在不同的施工工序中，總是存在超挖現(xiàn)象嚴(yán)重、支護(hù)不及時(shí)等現(xiàn)象，由分析可以看出，由于支撐架設(shè)不及時(shí)，使得連續(xù)墻的變形形態(tài)發(fā)生了較大的變化，尤其是上部結(jié)構(gòu)位移較大，容易形成內(nèi)傾，可能影響安全。

(3)施工工序的變化對(duì)基坑的穩(wěn)定性影響很大。因此，在基坑工程的施工過(guò)程中，要注重施工工序的優(yōu)化，從而保證基坑工程的安全，為以后武漢地區(qū)基坑工程的施工提供值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

(4)基坑開挖具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，開挖之后的暴露時(shí)間對(duì)基坑變形的影響很大?；娱_挖的施工工序要遵循“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的原則。故在實(shí)際施工中，要注意隨挖隨撐，謹(jǐn)防過(guò)度超挖。

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