某地鐵站非對稱坑中坑開挖數(shù)值模擬研究

王 興， 張克勛， 吳建佳， 趙 驍

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 320601；2.鐵道部第一勘測設(shè)計院，蘭州 730000；3.南昌工程學(xué)院 土木與建筑學(xué)院，南昌 330000）

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，交通擁堵和用地緊張日益成為制約城市進一步發(fā)展的首要瓶頸。近年來隨著地下空間開發(fā)技術(shù)的不斷成熟，地下商場、地下車庫、地下通道等地下建筑日益劇增，地下軌道交通系統(tǒng)和地下建筑已成為解決城市交通問題和用地緊張的有力途徑。在建設(shè)地下建筑過程中，經(jīng)常需要基坑的開挖，支護結(jié)構(gòu)是基坑工程中必要的安全措施。

目前對于普通基坑開挖和支護的研究已經(jīng)很成熟，而在實際工程中由于周邊環(huán)境或者結(jié)構(gòu)本身等因素導(dǎo)致的坑中坑的實例卻越來越多。然而對于坑中坑相關(guān)問題的研究比較有限，目前有關(guān)坑中坑代表性的研究主要有：鄭俊星等［1］從計算理論上分析了坑中坑抗隆起安全穩(wěn)定性系數(shù)的計算方法；申明亮等［2－3］分析了內(nèi)坑影響的基坑被動土壓力疊加算法并對基坑應(yīng)力場進行了參數(shù)化分析；侯新宇等［4－6］結(jié)合工程實例分析了坑中坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律；陳樂意等［7－8］通過有限元數(shù)值模擬分析了對稱坑中坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移；陳暢等［9－11］從實際應(yīng)用出發(fā)論述了坑中坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計、加固以及監(jiān)測方法。

以上有關(guān)坑中坑的研究成果推動了科研人員對于坑中坑的認(rèn)識和重視，然而以上有關(guān)于坑中坑的研究大多是基于對稱內(nèi)基坑的開挖，而基于整體考慮的非對稱坑中坑的開挖對于支護結(jié)構(gòu)的變形特性分析鮮有涉及。因此本文以蘭州地鐵盤旋路站基坑工程為背景分析此類問題，具有十分重要的現(xiàn)實和社會意義，同時可為類似的工程設(shè)計提供一定的參考與借鑒。

1 工程概況

盤旋路站為蘭州市城市軌道交通1號線一期工程中間車站，位于城關(guān)區(qū)天水路與東崗西路交口處，車站沿東崗西路東西方向鋪設(shè)。車站在東崗西路南北兩側(cè)各設(shè)兩個出入口，在車站北側(cè)設(shè)置兩組風(fēng)亭。其中車站主體開挖深度為18m，風(fēng)亭開挖深度為10m，為方便施工將北側(cè)風(fēng)亭基坑與主體基坑同時開挖，因此形成了一個內(nèi)坑為8m的非對稱坑中坑，兩坑相距為10m。基坑圍護結(jié)構(gòu)采用φ800＠1200鉆孔灌注樁，南側(cè)支護樁插入深度為24m，北側(cè)支護樁插入深度為17m，內(nèi)坑支護樁插入深度為14m，基坑內(nèi)設(shè)三道609（t＝16）鋼管支撐，坑外超載取20kPa，距離坑邊10m?；拥钠矫婕暗湫推拭嬉妶D1、圖2。

圖1 基坑平面圖

圖2 基坑典型剖面圖

工程地質(zhì)條件：

根據(jù)鉆孔及探井的揭露，擬建工程場地在勘探深度45.0m范圍內(nèi)的地層從上至下依次主要為第四系全新統(tǒng)人工填土、沖積黃土狀土、卵石及第三系古新統(tǒng)～始新統(tǒng)砂巖。

素填土：0.5－4.2m，雜色，硬塑，主要成分以黏性土為主、含礫石、零星磚屑、炭渣及白灰等，巖性不均、結(jié)構(gòu)雜亂。

黃土狀土：0.1－4.5m，黃褐色，硬塑，稍濕。巖性主要為粉土，局部為粉質(zhì)黏土，土質(zhì)較均勻，小孔隙發(fā)育，含鐵錳質(zhì)斑紋，較多云母粉，零星小結(jié)核?？紫侗萫＝1.138，液性指數(shù)IL＝0.12，壓縮系數(shù)a1－2＝0.41。

卵石：6.5－12.3m，雜色，密實，顆粒母巖成分以灰?guī)r、花崗巖為主，磨圓度較差，呈次圓狀～次棱角狀，分選性一般，顆粒之間交錯排列，充填物以砂礫石為主。

強風(fēng)化巖：24.3m，橘紅色，密實，細粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。巖芯較完整，多呈3～8cm短柱狀，泥質(zhì)膠結(jié)。礦物成分以長石、石英為主，含少量云母。錘擊聲啞，無回彈，手可捏碎。

2 有限元模型的建立

PLAXIS2D是巖土工程有限元分析軟件，是用于解決巖土工程的變形、穩(wěn)定性及地下水滲流等問題的通用有限元系列軟件。有限元計算在PLAXIS2D中實現(xiàn)，采用二維非對稱平面對基坑典型剖面進行整體建模。模型中支護樁按等效剛度［12］原則簡化為連續(xù)墻，等效厚度為：EA＝6 000 000kN，EI＝180000kN·m－2。采用15節(jié)點三角形單元模擬土體；土體的本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型；用板單元模擬擋土墻；用點對點錨桿模擬橫向支撐；同時建立土體與結(jié)構(gòu)接觸面單元；模型水平方向取90m，豎向取30m；采用標(biāo)準(zhǔn)邊界條件；有限元計算模型如圖3。支撐參數(shù)和土層參數(shù)分別如表1、表2。

圖3 有限元計算模型

表2 土層計算參數(shù)

表1 支撐參數(shù)

具體計算工況如下：

工況1：激活外圍護結(jié)構(gòu)和地面超載，基坑開挖深度為3m。

工況2：激活外圍護結(jié)構(gòu)和地面超載以及第一道支撐，基坑開挖深度為10m。

工況3：激活外圍護結(jié)構(gòu)、內(nèi)坑圍護結(jié)構(gòu)、地面超載以及一、二道支撐，內(nèi)坑開挖深度為12m。

工況4：激活外圍護結(jié)構(gòu)、內(nèi)坑圍護結(jié)構(gòu)、地面超載以及一、二道支撐，內(nèi)坑開挖深度為14m。

工況5：激活外圍護結(jié)構(gòu)、內(nèi)坑圍護結(jié)構(gòu)、地面超載以及所有內(nèi)支撐，內(nèi)坑開挖深度為16m。

圖4 支護樁水平位移

工況6：激活外圍護結(jié)構(gòu)、內(nèi)坑圍護結(jié)構(gòu)、地面超載以及所有內(nèi)支撐，內(nèi)坑開挖深度為18m。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 支護樁水平位移分析

左側(cè)支護樁、右側(cè)支護樁、內(nèi)坑右側(cè)支護樁在6個計算工況下水平位移大小及變化曲線如圖4。

由圖4可見：

（1）隨著基坑開挖深度的增加左側(cè)支護樁開挖范圍內(nèi)的最大水平位移由3.9mm逐漸增加到21.4mm，其位置也由樁頂向下移動至－11.46m，最大水平位移值和位置變化都比較均勻；右側(cè)支護樁由于內(nèi)支撐的作用最大水平位移均發(fā)生在樁頂位置，位移走向由坑內(nèi)轉(zhuǎn)向坑外，基坑整體向右偏移。

（2）在工況1下，基坑開挖深度為3m，兩側(cè)樁頂水平位移均向坑內(nèi)發(fā)展，最大位置均在樁頂，大小分別為3.93mm、3.39mm。

（3）在工況2下，基坑開挖深度為10m，第一道支撐發(fā)揮作用。左側(cè)支護樁水平位移繼續(xù)向坑內(nèi)發(fā)展達到4.49mm。地表土層和較深土層的土體強度均較低、右側(cè)墻體入土深度較淺，右側(cè)支護樁嵌固作用較小。左側(cè)支護樁受到的主動土壓力通過第一道鋼支撐傳遞到右側(cè)樁體，右側(cè)支護樁上部和下部發(fā)生反方向的傾斜，右側(cè)支護樁上部水平位移轉(zhuǎn)向坑外發(fā)展大小為5.65mm。

（4）在工況3和工況4下，內(nèi)外坑挖深比分別為0.2和0.4；內(nèi)坑開挖導(dǎo)致左側(cè)支護樁最大水平位移繼續(xù)增加至9.84mm、15.4mm；此時內(nèi)坑右側(cè)土體并未開挖且第二道支撐發(fā)揮作用，內(nèi)坑開挖導(dǎo)致左側(cè)支護樁承受的主動土壓力繼續(xù)增加并通過第一、二道支撐分別傳遞到右側(cè)支護樁和內(nèi)坑右側(cè)支護樁；外坑右側(cè)支護樁上部水平位移繼續(xù)向坑外發(fā)展，最大值分別為8.32mm、10.34mm；內(nèi)坑右側(cè)支護樁受到的被動土壓力明顯小于第二道支撐傳遞的土壓力，內(nèi)坑右側(cè)支護樁頂部水平位移向坑外發(fā)展，最大值分別為8.72mm和10.96mm。

（5）在工況5和工況6下，內(nèi)外坑挖深比分別為0.6和0.8；內(nèi)坑開挖仍然導(dǎo)致左側(cè)支護樁的最大水平位移繼續(xù)增加，分別為19.64mm和20.85mm；此時第一、二、三道支撐均發(fā)揮作用，內(nèi)坑開挖導(dǎo)致左側(cè)支護樁承受主動土壓力增加并通過第一、二、三道支撐分別傳遞部分到外坑右側(cè)支護樁和內(nèi)坑右側(cè)支護樁；右側(cè)支護樁水平位移繼續(xù)向坑外發(fā)展，最大值分別為12.24mm、13.91mm；內(nèi)坑右側(cè)支護樁受到第二、三道支撐傳遞的土壓力，第三道支撐的作用導(dǎo)致第二道支撐內(nèi)力有所減小，內(nèi)坑右側(cè)支護樁上部水平位移變化不大，第三道支撐位置處坑內(nèi)水平位移明顯減小。

3.2 內(nèi)坑右側(cè)土體位移分析

內(nèi)坑右側(cè)未開挖土體是本基坑工程受力最復(fù)雜區(qū)域，首先上部土體開挖導(dǎo)致卸載，然后左側(cè)卸載的同時受到左側(cè)樁體的約束和右側(cè)樁體的作用，此部分土體的穩(wěn)定對于整個基坑的穩(wěn)定至關(guān)重要。監(jiān)測點的布置如圖3中所示，A、B、C、D、E、F、G、H、I和J點的水平和豎向位移如圖5。

圖5 監(jiān)測點位移變化曲線

由圖5（a）可見，隨著基坑的開挖A和B點水平位移由向左轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛴仪宜轿灰浦祷境示€性增加；C、D、E、F點水平位移始終向左且不斷增加但增加值逐漸減??；G、H、I、J點均位于基坑開挖底以下，兩側(cè)遠近范圍內(nèi)均無土體開挖因此水平位移線基本重合；內(nèi)支撐對較淺監(jiān)測點的水平位移影響較小對較深監(jiān)測點水平位移影響較大。

由圖5（b）可見，監(jiān)測點豎向位移變化趨勢均相同，在基坑開挖初始出現(xiàn)了微量的沉降，隨著基坑的開挖即土體上部逐漸被卸載，各監(jiān)測點均向上隆起且隆起量隨著深度的增加逐漸減??；土體的豎向位移主要是由于上部土體卸載導(dǎo)致的隆起，因此 A、B、C、D、E、F、G、H、I、J點變化規(guī)律相同，最大豎向位移值均勻增加。

3.3 內(nèi)坑開挖對支護樁的影響分析

首先定義影響系數(shù)，即內(nèi)坑開挖后的位移與內(nèi)坑開挖之前的位移比。即；其中δ，為內(nèi)坑開挖后樁體的水平位移；δ為內(nèi)坑開挖前樁體的水平位移。對比內(nèi)坑挖深h與外坑挖深H之比分別為0.2、0.4、0.6、0.8時，內(nèi)坑開挖對左右兩側(cè)維護樁水平位移的影響系數(shù)，如圖6。

由圖6可知，左右兩側(cè)支護樁在基坑開挖范圍內(nèi)影響系數(shù)近似于正態(tài)分布，其對稱中心基本位于基坑開挖深度的1／2處；內(nèi)坑開挖對樁體的影響由對稱軸處向兩端逐漸減小，在兩端處挖深比對其影響可忽略；內(nèi)坑開挖對左右兩側(cè)支護樁影響很大，不同挖深比下的最大影響系數(shù)分別為2.8、4.8、6.2、6.6與6.9、13.9、22.1、28.1。

圖6.b中負值表示內(nèi)坑開挖后樁體水平位移方向發(fā)生變化?？梢姡瑑?nèi)坑開挖對右側(cè)支護樁上部約5m范圍內(nèi)水平位移發(fā)展方向造成影響，而5m－10m范圍內(nèi)由于內(nèi)坑的開挖使樁體水平位移發(fā)展方向發(fā)生了變化，其絕對值大小整體依然呈正態(tài)分布，如圖6.c所示。由圖6.b中可見右側(cè)支護樁水平位移方向發(fā)生變化始于－10m，這是由于第二道支撐作用于此，內(nèi)坑的開挖導(dǎo)致左側(cè)部分土壓力通過第二道支撐傳遞到右側(cè)支護樁，同時第一道支撐軸力同樣增加，由于右側(cè)支護樁右側(cè)被動土壓力小于第二道支撐的作用力，從而使上部水平位移方向發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖6 內(nèi)坑開挖對支護樁的影響曲線

4 結(jié)論與建議

（1）左側(cè)支護樁開挖范圍內(nèi)水平位移均向坑內(nèi)，最大水平位移和位置均變化較均勻；外坑右側(cè)和內(nèi)坑右側(cè)支護樁上部位移均向坑外。

（2）左側(cè)基坑開挖深度較大支護樁受力較大，內(nèi)支撐將部分受力傳遞到外坑右側(cè)和內(nèi)坑右側(cè)支護樁；左側(cè)支護樁向坑內(nèi)的位移增加值減小、右側(cè)支護樁上部位移均轉(zhuǎn)向坑外，基坑整體向右偏移。

（3）內(nèi)坑開挖對外坑兩側(cè)支護樁水平位移的影響在挖深中部最大，向上下兩側(cè)迅速減??；曲線隨著挖深基本呈正態(tài)分布，對稱中心基本位于基坑挖深的中部。

（4）內(nèi)坑開挖對內(nèi)坑右側(cè)中部土體水平位移的影響與深度有關(guān)：內(nèi)坑對位于基坑開挖底上部的土體影響較大，對下部土體基本無影響；豎向位移主要是由于上部土體卸載導(dǎo)致的隆起，內(nèi)坑對其基本無影響。

（5）本基坑工程體系受力較復(fù)雜，外坑兩側(cè)支護樁、內(nèi)坑右側(cè)支護樁以及三道內(nèi)支撐相互作用。左側(cè)支護樁中部、內(nèi)坑底左側(cè)、右側(cè)支護樁上部被動土體、內(nèi)坑右側(cè)支護樁被動土體是此工程施工時必須重點監(jiān)測和防護的重點區(qū)域。

1 鄭俊星，賈 堅.地下空間開發(fā)與地鐵共建中坑中坑的安全穩(wěn)定性分析［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2012，46（1）：36－41.

2 申明亮，廖少明，紹 偉.考慮內(nèi)坑影響的坑中坑基坑被動土壓力疊加算法［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2012，46（1）：79－84.

3 申明亮，廖少明，周小華，等.坑中坑基坑應(yīng)力場的參數(shù)化分析［J］.巖土工程學(xué)報，2010，32（增刊2）：187－191.

4 侯新宇，劉松玉，童麗元.地鐵換乘站坑中坑開挖變形特性［J］.東南大學(xué)學(xué)報，2011，41（6）：1289－1294.

5 霍軍帥，宮美全，陳 娟.坑中坑基坑圍護結(jié)構(gòu)變形特性分析［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2011，33（增刊1）：139－142.

6 徐飛飛，崔梓萍，徐意智，等.坑中坑的基坑變形分布極其變化規(guī)律［J］.地下空間與工程學(xué)報，1（增刊1）：1376－1380.

7 陳樂意，李鏡培，梁發(fā)云，等.坑中坑對基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移影響數(shù)值分析［J］.巖土工程學(xué)報，2008，30（增刊）：59－61.

8 王 新.某坑中坑基坑動態(tài)施工的數(shù)值模擬研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2012，169（7）：116－118.

9 陳 暢，邸國恩，王衛(wèi)東.軟土基坑工程坑中坑支護的設(shè)計方法［J］.巖土工程學(xué)報，2008，30（增刊）：286－290.

10 吳銘炳，林大豐，戴一鳴，等.坑中坑基坑支護設(shè)計與監(jiān)測［J］.巖 土工 程 學(xué) 報，2006，28（增 刊）：1569－1572.

11 徐為民，屠毓敏.某工程坑中坑塌滑原因分析及加固設(shè)計［J］.巖土力學(xué)，2010，31（5）：1555－1558.

12 謝康和，周 建.巖土工程有限元分析理論與應(yīng)用［M］北京：科學(xué)出版社，2002：293－301.