地鐵深基坑分區(qū)開挖監(jiān)測及數(shù)值模擬

，，

(1.合肥工業(yè)大學(xué)a.土木與水利工程學(xué)院；b.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室，合肥 230009； 2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097)

地鐵深基坑分區(qū)開挖監(jiān)測及數(shù)值模擬

謝沃1a,2，盧坤林1a,1b，朱大勇1a,1b

(1.合肥工業(yè)大學(xué)a.土木與水利工程學(xué)院；b.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室，合肥 230009； 2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097)

2017,34(12):106-110，121

對于狹長的地鐵車站深基坑，圍護結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)巖土體在實際施工時經(jīng)常采用分區(qū)的方式進行開挖。為了分析分區(qū)開挖工況下深基坑的穩(wěn)定性規(guī)律，選取合肥市某地鐵車站深基坑作為研究對象，運用有限差分軟件對實際工程進行數(shù)值模擬。比較模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果，得到了基坑分區(qū)開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、橫向支撐軸力,以及地表沉降的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：現(xiàn)場實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近且均小于規(guī)范限值，數(shù)值模型能較好地反映基坑變形特性；隨著開挖的進行，圍護結(jié)構(gòu)變形出現(xiàn)明顯的“鼓肚”狀，最大側(cè)向位移點向基坑中段移動；支撐軸力前期發(fā)展較快，之后趨于平穩(wěn)；鄰近地表沉降呈現(xiàn)為凹槽狀，基坑開挖影響范圍約在40 m內(nèi)。研究結(jié)果可為其他類似工程設(shè)計或施工決策提供參考。

地鐵車站；深基坑；分區(qū)開挖；變形監(jiān)測；數(shù)值模擬

1 研究背景

隨著我國城市的不斷發(fā)展，地下空間不斷被開發(fā)利用，其過程中出現(xiàn)了大量的深基坑工程[1-3]。尤其在地鐵建設(shè)領(lǐng)域，每個地鐵車站的建設(shè)必然涉及深基坑工程。地鐵車站深基坑工程具有較強的綜合性和區(qū)域性,并且土壓力及變形是一個較為復(fù)雜的動態(tài)變化過程，每一個工況階段前均已存在一定的應(yīng)力和位移。因此，運用解析的方法來實現(xiàn)基坑穩(wěn)定性問題的求解一般較難實現(xiàn)。Lambe曾指出通過工程經(jīng)驗或數(shù)值分析可以較為有效地解決這類問題[4]。工程經(jīng)驗法具有較強的主觀性且缺乏一定的理論基礎(chǔ)，并不能滿足較高的安全要求和環(huán)境保護要求,而數(shù)值分析的方法能夠較為便捷準(zhǔn)確地實現(xiàn)這類問題的求解[5-8]。

有許多的學(xué)者進行過深基坑穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[9-11]，但是在模擬開挖基坑內(nèi)部土體時，多是以分層的方式逐步進行。地鐵車站深基坑常處于繁忙交通地帶，長寬比一般較大，對圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部巖土體較難以整體分層方式進行開挖。實際施工中順著車站走向進行分區(qū)開挖是較常見的開挖方式。由于基坑開挖存在著較強的空間效應(yīng)[12]，這類分區(qū)開挖的方式與整體分層開挖方式必然存在較大差異。

本文依托合肥市在建的望江西路地鐵車站深基坑工程，運用大型有限差分軟件FLAC3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)對實際工程進行了開挖支護數(shù)值模擬。依據(jù)實測數(shù)據(jù)結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果，分析該類分區(qū)開挖工況下深基坑穩(wěn)定性變化規(guī)律。

2 工程概況

合肥市望江西路地鐵車站位于潛山路與望江西路交叉口，交通繁忙且周邊建筑物密集。車站沿南北向布設(shè)，南北端頭井的主體結(jié)構(gòu)采用地下2層雙柱三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車站標(biāo)準(zhǔn)段的主體結(jié)構(gòu)為地下2層單柱雙跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。車站主體總長度489.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬度22.7 m，基坑平均深度19 m，開挖面積約11 200 m2。主體圍護結(jié)構(gòu)采用D800@1 000 mm鉆孔灌注樁，支護樁間采用100 mm厚掛網(wǎng)噴射混凝土?；又蜗到y(tǒng)共設(shè)置3道橫向支撐，第1道為800 mm×900 mm鋼筋混凝土支撐，第2、第3道為Ф609 mm，壁厚t=16 mm鋼支撐。南側(cè)端頭井及相鄰的標(biāo)準(zhǔn)段總長度46 m段開挖方式為由南向北分區(qū)開挖。

本工程對基坑開挖支護全過程進行實時監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括圍護樁變形、支撐軸力變化,以及鄰近地表的沉降。依據(jù)城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)范[13]，監(jiān)測點布置如圖 1。其中，圍護樁變形監(jiān)測(測斜)共設(shè)置9個監(jiān)測點(CX1—CX9)；支撐結(jié)構(gòu)共設(shè)置12個軸力監(jiān)測點(第1道支撐ZCL1-1—ZCL4-1，第2道支撐ZCL1-2—ZCL4-2，第3道支撐ZCL1-3—ZCL4-3，共3層)；基坑外地表沉降共設(shè)置9排垂直于基坑斷面監(jiān)測點(DBC1—DBC9)，每個監(jiān)測斷面布設(shè)7個監(jiān)測點。

圖1基坑監(jiān)測點平面分布

Fig.1Planedistributionofmonitoringpointsinfoundationpit

3 計算方法

3.1 模型建立

依據(jù)城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)范[13]中基坑開挖影響范圍，并考慮基坑平面規(guī)模和基坑長寬比的影響，擬定模型的尺寸為106 m×188 m×39 m(x×y×z)。土體及地下連續(xù)墻單元均采用六面塊體網(wǎng)格模型，混凝土支撐和鋼支撐采用梁單元(beam)模擬。地下連續(xù)墻實體單元與支撐構(gòu)件梁單元間采用Node-Zone進行連接。巖土體采用摩爾-庫倫彈塑性模型，支護結(jié)構(gòu)和支撐構(gòu)件為線彈性模型。在鄰近基坑0.7H(H為基坑開挖深度)范圍內(nèi)網(wǎng)格加密，離基坑越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏。模型共計33 579個結(jié)點，劃分為30 360個網(wǎng)格單元，建立模型如圖2所示。

圖2計算模型

Fig.2Modelofcomputation

3.2 模型參數(shù)

根據(jù)勘察資料及設(shè)計施工圖紙，確定建立模型所需的各項參數(shù)如下。

(1)鋼筋混凝土支撐：彈性模量為3.2×1010Pa；泊松比為0.167；截面面積為7.2×10-1m2。

(2)鋼支撐：彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3，截面面積為2.981×10-2m2。

(3)地下連續(xù)墻：密度為2 500 kg/m3；彈性模量為4×1010Pa；泊松比為0.167。其中地下連續(xù)墻為鉆孔樁根據(jù)抗彎剛度相等原則折算而來，厚度為0.8 m。

(4)接觸面：巖土體與地下連續(xù)墻接觸面采用無厚度的接觸面模型。法向剛度及切向剛度均為3.4×109N/m，黏聚力及內(nèi)摩擦角取值為支護樁所處地層的0.8[14]。

(5)工程所處地層自上而下分別為素填土、黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，各地層厚度及物理參數(shù)如表 1 所示。車站建設(shè)區(qū)域內(nèi)無地表河流、溝渠，地下水總體發(fā)育不完整，徑流形式主要為孔隙間滲流。因此建立的計算模型未考慮滲流影響。

表1 各層土的物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬工況

結(jié)合現(xiàn)場實際，模型共設(shè)置9個施工步驟。結(jié)合圖3，按A—J區(qū)順序依次開挖土體和架設(shè)支撐，具體開挖工況見表2。模型中監(jiān)測點位置與圖1中實測點位置一致。

圖3分區(qū)開挖簡圖

Fig.3Schematicdiagramofpartitionexcavation

4 結(jié)果及分析

4.1 圍護結(jié)構(gòu)變形分析

圖4為第3步、第6步、第9步開挖完成時圍護結(jié)構(gòu)變形云圖，圖5為各個開挖步驟完成時CX1—CX4監(jiān)測點最大側(cè)向位移分布。分析數(shù)值模擬結(jié)果可知，第3步開挖完成時，最深開挖了6.2 m，地下連續(xù)墻東西兩側(cè)變形較小，變形最大位于端頭井和標(biāo)準(zhǔn)段銜接處。第6步開挖完成時，最大開挖深度將近16 m，4軸開挖區(qū)域也達(dá)到3.5 m；地下連續(xù)墻變形增大，最大變形區(qū)域靠近3軸左側(cè)，最大變形為10.20 mm。當(dāng)基坑全部開挖完成時，地下連續(xù)墻東西兩側(cè)變形達(dá)到最大，最大區(qū)域位于基坑最右側(cè)區(qū)域,最大變形達(dá)到26.36 mm，未超過規(guī)范限值30 mm[13]。由圖5可知，開挖前期圍護結(jié)構(gòu)變形集中在基坑端部；隨著工況的進行，圍護結(jié)構(gòu)變形越來越大，地下連續(xù)墻最大變形區(qū)域向基坑中段移動；整體變形最終呈現(xiàn)為中段大，邊角小。

表2 基坑分區(qū)式開挖工況

(a)第3步開挖

(b)第6步開挖

(c)第9步開挖

圖4圍護結(jié)構(gòu)變形云圖

Fig.4Deformationnephogramofretainingstructure

圖5圍護樁最大側(cè)向位移分布

Fig.5Distributionofmaximumlateraldisplacementofretainingpile

在實測結(jié)果中，選取變形較大的CX4圍護樁監(jiān)測點分析圍護樁變形，如圖6所示。由圖6可知：前期開挖位于基坑南部區(qū)域，圍護樁變形較?。浑S著開挖工況的進行，圍護樁中部變形越來越明顯；開挖完成時，整體變形呈現(xiàn)為兩端小，中間大的“鼓肚”形狀。最大側(cè)向位移雖達(dá)到28.43 mm, 但未超過規(guī)范限值30 mm[13]。

圖6圍護樁實測變形曲線

Fig.6Measureddeformationcurvesofretainingpile

比較圍護結(jié)構(gòu)(CX2監(jiān)測點)側(cè)向變形的模擬結(jié)果與實測結(jié)果(圖7)，圍護結(jié)構(gòu)變形趨勢較為吻合，最大變形較為接近。說明圍護結(jié)構(gòu)變形模擬結(jié)果能較好地反映工程實際。

圖7圍護結(jié)構(gòu)變形實測值與計算值比較

Fig.7Comparisonbetweenmeasuredvaluesandcalculatedvaluesofdeformationofretainingstructure

4.2 支撐軸力分析

混凝土支撐最先澆筑完成，隨著分區(qū)開挖深度的增加，各區(qū)鋼支撐逐步架設(shè)，各支撐軸力變化曲線如圖8所示。由圖8可知：混凝土支撐監(jiān)測點中，ZCL1-1軸力最大，峰值達(dá)到4 868 kN；鋼支撐軸力監(jiān)測點中，ZCL2-2軸力最大，峰值達(dá)到2 156.7 kN?；炷林魏弯撝螌崪y軸力均小于規(guī)范限值5 000 kN和3 000 kN[13]。各道支撐雖然架設(shè)時間存在先后差異，但軸力發(fā)展趨勢較為相似，均為前期增長較快，之后波動趨于平穩(wěn)。其中混凝土支撐軸力波動較為明顯。這是由于實際施工存在不連續(xù)性，引起土體與支護結(jié)構(gòu)反復(fù)作用的結(jié)果。而采用分區(qū)開挖致使基坑內(nèi)部的土體分布不對稱也會使支撐軸力產(chǎn)生一定的波動。

(a)混凝土支撐軸力變化曲線

(b)鋼支撐軸力變化曲線

圖8支撐軸力變化曲線

Fig.8Curvesofaxialforceofdifferentsupports

分析基坑各層支撐軸力分布可知，南端先開挖區(qū)架設(shè)的支撐(ZCL1-1,ZCL1-2,ZCL2-1,ZCL2-2)軸力較大,而北部后開挖區(qū)架設(shè)的支撐(ZCL3-2,ZCL3-3,ZCL4-2,ZCL4-3)軸力較小，均<1 000 kN。這是由于最初開挖階段集中在基坑端頭，較大部分土壓力由端部支撐承擔(dān)；隨著各道支撐逐步架設(shè)，支護結(jié)構(gòu)鄰近土逐漸達(dá)到穩(wěn)定，后架設(shè)的鋼支撐軸力承擔(dān)的支撐軸力減小。

4.3 鄰近地表沉降分析

圖9為DBC2監(jiān)測斷面地表的累計沉降曲線。分析模型計算結(jié)果可以看出，隨著基坑逐步開挖，地表沉降越來越大。斷面沉降最大值出現(xiàn)在距離基坑約9 m附近，達(dá)到-16.63 mm。在距基坑約<9 m范圍內(nèi)，距離基坑越遠(yuǎn)，沉降越大，距離基坑>9 m，距離基坑越遠(yuǎn)沉降逐漸減小，曲線總體近似于“勺形”。

圖9垂直于基坑斷面地表沉降曲線

Fig.9Surfacesettlementcurvesofverticalfoundationpit

圖10為DBC2和DBC4斷面沉降監(jiān)測點實測值與計算值的比較。由圖10可知，通過數(shù)值計算所求得的坑外地表沉降與實測值基本吻合。

圖10地表沉降實測值與計算值比較

Fig.10Comparisonbetweenmeasuredvaluesandcalculatedvaluesofgroundsettlement

圖11為基坑鄰近土體整體變形云圖，結(jié)合圖9和圖10可知，鄰近土體變形主要集中在基坑周圍40 m范圍內(nèi)；當(dāng)超過40 m范圍時地表沉降較小，對周邊環(huán)境的影響可以忽略。模型計算結(jié)果影響范圍接近于基坑監(jiān)測規(guī)范[13]，主要影響區(qū)域為13.3 m(0.7H)，次要影響區(qū)域為38 m(2H)。結(jié)果表明，基坑開挖影響范圍較小，均在安全控制的范圍；但是若存在建筑物在影響范圍之內(nèi)，則須采取必要措施避免由于地表不均勻沉降而危及建筑物的安全。

圖11基坑整體變形云圖

Fig.11Deformationoftheoverallfoundationpit

5 結(jié) 論

(1)隨著分區(qū)開挖深度的增加及向前推移，支護樁側(cè)向位移逐漸增大，最終呈現(xiàn)為兩端小、中間大的變形趨勢?；娱_挖完成且變形穩(wěn)定后，位于基坑中段處的支護樁變形比邊角處大。

(2)橫向支撐軸力發(fā)展前期增長較快，之后逐步趨于穩(wěn)定。軸力分布為先開挖區(qū)支撐軸力較大，后開挖區(qū)支撐軸力較小。

(3)隨著基坑開挖工況的進行，鄰近土體地表沉降逐步增大，之后逐步趨于平穩(wěn)。沉降從基坑邊向外逐漸增大，然后又逐漸減小，呈現(xiàn)為明顯的“勺形”凹槽。

(4)數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合，且均在規(guī)范限值范圍內(nèi)，能較為全面地反映基坑的變形特性，可以為其他類似工程設(shè)計或施工決策提供參考。

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Partition Excavation of a Subway Deep Foundation Pit:Monitoring and Numerical Simulation

XIE Wo1,2，LU Kun-lin1,3，ZHU Da-yong1,3

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.China Highway Engineering Consulting Group Company Ltd., Beijing 100097, China; 3. Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In practical engineering, rock mass in the long and narrow deep foundation pit of subway station is usually excavated in partitions. To obtain the stability rules of deep foundation pit excavated in partitions, finite difference software was adopted for numerical simulation. The deep foundation pit of a subway station in Hefei was taken as a case study. Through comparison between model results and field measurement results, the variation rules of retaining structure’s lateral displacement and lateral support axial force and ground surface settlement during partition excavation were obtained. Results show that 1)field measurement results are in agreement with numerical simulation results, both within standard limits, indicating that the numerical model could well reflect the deformation characteristics of the foundation pit; 2) with the proceeding of excavation, the “belly” of retaining structure bulged apparently, with the maximum displacement point moving towards the middle of the foundation pit; 3) axial force of support developed rapidly in the early stage, and then tended to be stable; 4) the adjacent ground surface settlement was in a groove shape, and the range within 40 m was affected by foundation pit excavation. The results could be taken as reference for the design and construction of similar projects.

subway station; deep foundation pit; partition excavation; deformation monitoring; numerical simulation

10.11988/ckyyb.20160781

2016-08-04；

2016-08-21

國家自然科學(xué)基金項目(51078123)；合肥市軌道交通項目(2015FFCZ0617，2016FFCZ0701)

謝 沃(1990-)，男，廣西貴港人，碩士研究生，主要從事基坑工程及隧道工程方面的研究，(電話)18255121056(電子信箱)2951540074@qq.com。

盧坤林(1980-)，男，安徽廬江人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程、防災(zāi)減災(zāi)工程、地質(zhì)工程、交通工程等方面的研究，(電話)15555127260(電子信箱)hgd230009@163.com。

TU473

A

1001-5485(2017)12-0106-05

(編輯：羅 娟)