隧道地鐵開挖過程中的數(shù)值模擬與施工技術(shù)*

黃永堅 沈 鋒 范廣震

（1.大連泛華工程建設(shè)監(jiān)理有限公司 大連 116000）

（2.大連交通大學土木工程學院 大連 116028）

1 引言

研究基坑開挖過程，重點在于如何準確并有效地預(yù)測基坑的變形［1～2］。一方面，基坑支護方案的選取對于基坑的變形和其對周圍環(huán)境的影響至關(guān)重要［3～4］；另一方面，基于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和工程的突發(fā)性，使得能夠較準確可靠預(yù)測基坑的變形難度加大［4～5］?；庸こ探⒃趲r土工程基礎(chǔ)上，具有理論滯后于實踐的缺陷，且基坑工程具有一定的地域特性。相對于上海軟土地區(qū)較成熟的基坑變形性狀的理論分析，其他地區(qū)在基坑開挖和降水方面的理論研究尚成統(tǒng)一體系，因此也一定程度上限制了該地區(qū)基坑工程的發(fā)展、進步［6］。

李志通等在研究超大超深基坑施工時充分考慮時空效應(yīng)的影響，針對坑壁中間部分做了強化［7］。劉菊通過采用新方法角度方式推論出基坑的最佳支護體系［8］。吳鋒波等采取統(tǒng)計手段，對大量基坑實測數(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)基坑周圍地表最大變形呈現(xiàn)正態(tài)分布形式［9］。唐紅等則巧妙地使用建模（BIM）技術(shù)對基坑工程建立三維模型進行研究［10］。袁釬等對釘墻的專項研究其適用的土層類型［11］。許亞軍采取基坑設(shè)計與實測數(shù)據(jù)對比方式，通過設(shè)計不同工況得出基坑變形理論計算值與實測值的對應(yīng)關(guān)系［12］。秦鵬飛闡述了基坑支護工程最新新技術(shù)［13］。李少和等基于實測結(jié)果進行分析，揭示了MW 工法樁和鉆孔灌注樁支護形式的特點［14］。殷玲通過系統(tǒng)性研究，基于圓弧滑動法基礎(chǔ)上，提出了分析支撐結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性方法［15］。

因此，本文根據(jù)實際施工工況通過數(shù)值建模對比方式，研究相同支護體系下采取不同開挖方式對基坑穩(wěn)定性的影響。通過各開挖方案的綜合對比分析，為實際工程方案的優(yōu)化提供參考和依據(jù)。

2 工程概況

1 號線某車站起點里程DK7+978.234，終點里程DK8+370.406，其中有效站臺中心里程DK8+163.706。車站結(jié)構(gòu)長392.172m，設(shè)計為島式站臺、分為地下二層，主體采用明挖法施工，標準段開挖深度約16.9m、寬23.9m；標準段基坑開挖深度約24m，寬度約23.1m，主體圍護采用1000mm 地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護體系。其工程地質(zhì)條件如表1所示。

表1 工程地質(zhì)條件

3 開挖方案

車站換乘段從平面上可劃分為三部分區(qū)域，如圖1 所示。上層即地面至第一道混凝土支撐部分采取全斷面開挖，一次開挖完成；而下層土方開挖在一道支撐達到條件后進行?；娱_挖過程，關(guān)鍵點的布置如圖2所示。

圖1 開挖區(qū)域分布圖

下層土體即第一道支撐以下采取斜面分層分段開挖，開挖順序有如下幾種方式：

開挖方案一：區(qū)域1→區(qū)域2→區(qū)域3，為斜面分層分段開挖；

開挖方案二：區(qū)域1、區(qū)域3→區(qū)域2，區(qū)域1、3同時向區(qū)域2，為分層分段開挖；

開挖方案三：區(qū)域2→區(qū)域1、區(qū)域3，區(qū)域2 同時向區(qū)域1、3，為分層分段開挖；

開挖方案四：區(qū)域3→區(qū)域2→區(qū)域1，為斜面分層分段開挖；

開挖方案五：區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3，為分層不分段開挖。

圖2 關(guān)鍵點布置圖

4 基坑施工過程數(shù)值模擬模型

根據(jù)研究和經(jīng)驗表明，基坑開挖影響范圍主要與開挖的平面形狀、深度和地質(zhì)等主要因素有關(guān)［7～8］。因而數(shù)值計算的精度會受到基坑邊界范圍的影響［9～10］。通過試算確定基坑施工主要影響區(qū)域為：基坑圍護結(jié)構(gòu)以外部分取基坑開挖深度3 倍計算，即基坑邊緣外兩側(cè)方向58m范圍；基坑底部以下部分取基坑深度的3 倍計算，結(jié)合巖層實際狀況深度y 方向取基底下80m 計算，計算模型尺寸三維尺寸為240m×100m×240m。如圖3所示。

圖3 計算模型

計算模型x、z 軸為水平方向，y 軸為豎向方向，且設(shè)定y 軸向下取值為正；其中外邊界x=0m、x=240m，z=0m、z=240m 均采用側(cè)面約束，模型底部y=100m 水平邊界采用固定約束，y=0m 水平面為自由約束。土體采用12節(jié)點4面體單元進行模擬。

5 結(jié)果的對比

分別對各個施工方案的數(shù)值模擬結(jié)果進行分析總結(jié)，主要對五個施工方案進行對比，得到最優(yōu)的施工方案。

5.1 地連墻的豎向移動

在施工的過程中，地連墻豎向移動均為下沉，下沉量有所不同，如表2 所示為施工完成后各個施工方案的地連墻豎向位移值。對比各施工方案地連墻豎向位移值，方案一、二、三的位移值相對方案四、五得要小，其中最大位移值比最小位移值大6.72%。

表2 地連墻豎向位移最大值

5.2 基坑底部隆起

各施工方案分析結(jié)果表明，基坑底部土體均出現(xiàn)隆起變形現(xiàn)象，且最大變形出現(xiàn)在中間位置，呈離基坑邊緣越近變形值越小趨勢。表3 為基坑開挖后基底和基坑周圍地表土體變形值。

表3 基底及基坑周圍地表土體變形最大值

基坑開挖后，其中方案三、四的基底隆起最大值均小于方案一、二、五，方案中隆起值最大值比最小大27.6%，差距較大。

5.3 水平支撐軸力

表4 給出了各工況下各施工方案橫稱軸力的最大值，對比表中各工況下各方案軸力最大值，得出方案三各工況下橫稱軸力均最小，而開挖完成后軸力最大的方案一比最小方案三大8.43%。

表4 各施工方案各工況下橫稱軸力最大值（KN）

6 結(jié)語

針對地連墻變形、基底土體隆起變形、地表沉降、橫稱軸力變化方面，采取的施工方案不同其結(jié)果表現(xiàn)也不同，綜合比較下，可以得出方案一和方案三相較其它幾種方案更為合理，主要是由于按照方案一和方案三的開挖順序避開了可能產(chǎn)生的陽角效應(yīng)的地方，使得地表土體側(cè)移量較小。