地鐵車站深基坑開(kāi)挖影響分析

趙 平 唐文芳

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244061）

基坑工程屬于巖土工程，本身具有較強(qiáng)的不確定性、復(fù)雜性及偶然性[1]。研究地鐵車站深基坑開(kāi)挖影響對(duì)改善城市交通，減小因?yàn)榈罔F車站深基坑開(kāi)挖而帶來(lái)的影響對(duì)于城市建設(shè)具有較大意義[2]。為研究基坑在開(kāi)挖工程中對(duì)周圍產(chǎn)生的影響，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]建立了三維模型，研究了基坑開(kāi)挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況；文獻(xiàn)[4]分析研究了基坑開(kāi)挖對(duì)附近隧道的變形影響；文獻(xiàn)[5]針對(duì)某地鐵車站基坑在開(kāi)挖施工中的時(shí)空效應(yīng)開(kāi)展了相關(guān)研究；文獻(xiàn)[6]以臨海地區(qū)的深基坑為研究對(duì)象，對(duì)該基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響因素進(jìn)行了歸納總結(jié)；文獻(xiàn)[7]研究了天津地區(qū)的基坑工程開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化情況。雖然這些文獻(xiàn)對(duì)基坑開(kāi)挖的影響開(kāi)展了相關(guān)研究，但是目前針對(duì)合肥市的地鐵車站基坑開(kāi)挖影響的研究尚少。本文以實(shí)際地鐵車站深基坑為依托，建立三維立體模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，研究分析了合肥市某地鐵車站深基坑在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平、周圍地表沉降以及基坑底部隆起產(chǎn)生的影響，研究結(jié)果可為類似工程提供參考。

一、工程概況

合肥市某地鐵車站深基坑長(zhǎng)度為120m，標(biāo)準(zhǔn)段的寬度尺寸為20m和擴(kuò)大端寬度尺寸為24m?；娱_(kāi)挖的深度為24m。圍護(hù)體系為直徑1.2m的鉆孔灌注樁，樁之間的距離為1.8m，選用內(nèi)支撐支護(hù)體系?；又性O(shè)置5道支撐，自上而下分布。其中，第1道采用鋼筋混凝土支撐，第二道及其他內(nèi)支撐均為鋼支撐。內(nèi)支撐的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。土層為5層，自上而下分別為：（1）人工雜填土；（2）粉質(zhì)黏土；（3）黏土；（4）泥質(zhì)砂巖；（5）強(qiáng)風(fēng)化砂巖。建立計(jì)算模型的具體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)截面尺寸

表2 計(jì)算模型力學(xué)參數(shù)

二、MADAS/GTS數(shù)值模型的建立

（一）基本假定和邊界條件

基本假定：（1）各層土體均選擇Mohr Coulomb為本構(gòu)模型，其他材料均假定為線彈性；（2）土體分布均勻；（3）不考慮地下水的影響。邊界條件為：地表為自由面，不設(shè)置約束，4個(gè)側(cè)面邊界均受到平面法向位移約束，模型底部為固定約束。基坑附近所受其他荷載簡(jiǎn)化成基坑邊緣的均布荷載，其值為21kN/m2。

（二）模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

模型的支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)如表3所示。地連墻選擇3D實(shí)體，冠梁選擇植入式梁，混凝土支撐及鋼支撐選擇植入式桁架?？紤]到基坑開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生邊界效應(yīng)的影響條件[8]，本文建立的模型尺寸為：300m×150m×70m。模型共計(jì)23,159個(gè)單元，16,626個(gè)節(jié)點(diǎn)，三維模型網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

（三）模擬工況

模型定義的基坑開(kāi)挖過(guò)程施工階段共計(jì)11個(gè)（以下簡(jiǎn)稱“工況”）。工況(1)：進(jìn)行初始地應(yīng)力分析；工況(2)：位移清零；工況(3)：地下連續(xù)墻施工；工況(4)：土體開(kāi)挖至-2.5m，同時(shí)在-2m增加一道支撐；工況(5)：開(kāi)挖至-6m，并在-5.6m增加一道支撐；工況(6)：開(kāi)挖至-8m；工況(7)：開(kāi)挖至-10m；工況(8)：開(kāi)挖至-12m，并在-11.5m增加一道支撐；工況(9)：開(kāi)挖至-18m，并在-17.5m增加一道支撐；工況(10)：開(kāi)挖至-21m，并在-20.5m增加一道支撐；工況(11)：開(kāi)挖至-25m，底板施工。

三、數(shù)值模擬結(jié)果分析

（一）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移分析

地鐵車站深基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移產(chǎn)生影響。圖2為基坑開(kāi)挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響結(jié)果。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變形規(guī)律圖

通過(guò)對(duì)比分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，同一圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同位置，其水平位移受基坑開(kāi)挖的影響。此外，從工況（4）到工況（11），圍護(hù)結(jié)構(gòu)在同一深度的水平位移也在不斷變化，且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性?？傮w上來(lái)看，隨著基坑的開(kāi)挖，基坑不同深度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移呈現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢(shì)，這個(gè)規(guī)律與文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果相吻合。當(dāng)基坑開(kāi)挖至底部即工況（11）時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移在基坑中部深度約為12m的位置達(dá)到最大值，約為10.8mm。具體來(lái)看，初始開(kāi)挖即工況(4)時(shí)，基坑開(kāi)挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移影響較小,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移隨著基坑深度的增加而逐漸減小，基坑頂部圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移最大值為5mm，基坑底部圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移幾乎為0。工況（6）時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移增大，最大值約為6.7mm，出現(xiàn)在基坑深度約為6m的位置；工況（8）時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移增大，最大值約為8mm，出現(xiàn)在基坑深度約為12m的位置；工況（10）時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移繼續(xù)增大，最大值約為9.3mm，出現(xiàn)在基坑深度約為12m的位置；基坑開(kāi)挖后期即工況(11)時(shí),基坑頂部圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移約為7.5mm，隨著基坑深度的加大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移呈遞增趨勢(shì)，在基坑中部位置即深度約為12m處，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移達(dá)到最大值約10.8mm。此時(shí)基坑中部容易因基坑中部土體變形過(guò)大而產(chǎn)生破壞，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)基坑中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向的監(jiān)控與保護(hù)。此后，隨著基坑深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移呈遞減趨勢(shì)，基坑底部圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最小值約為6mm。這是由于基坑內(nèi)外的壓力差值隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而逐漸變大，內(nèi)外土壓力差使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，表現(xiàn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移增大，但是這種變形因?yàn)槭艿剿街蔚挠绊懚皇蔷€性的。

（二）地表沉降分析

從圖3可以看出，基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)周圍地表沉降產(chǎn)生影響。總體來(lái)看，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加地表沉降曲線呈現(xiàn)出隨著距離基坑Y方向邊緣增加，地表沉降先增大后減小，然后逐漸趨于穩(wěn)定的規(guī)律。沉降變化曲線呈“拋物線”狀，最大值約為11.9mm，出現(xiàn)在工況（11）距離基坑Y方向邊緣距離約為10m（即x=10m）的位置。這是由于基坑開(kāi)挖使得初始的土體應(yīng)力平衡狀態(tài)得到了破壞，開(kāi)挖后的基坑土體應(yīng)力為了達(dá)到新的平衡，基坑周圍土體會(huì)向著基坑內(nèi)側(cè)變形，從而使得地表產(chǎn)生沉降，地表沉降值隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而越來(lái)越大。此外，基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)比土體材料的剛度大，對(duì)周圍土體的變形起到制約作用，進(jìn)而影響地表沉降變化范圍。具體來(lái)看，基坑初始開(kāi)挖即工況(4)時(shí)地表沉降量較小，且隨著距離基坑邊緣距離的變化，沉降值變化較小，最大值出現(xiàn)在x=15m的位置，最大值約為4.3mm。工況（6）時(shí)，地表沉降增大，最大值約為7.2mm，發(fā)生在x=10m的位置；工況（8）時(shí)，地表沉降增加，最大值約為8.3mm，發(fā)生在x=10m的位置；工況（10）時(shí)，地表沉降繼續(xù)增加，最大值約為10.1mm，發(fā)生在x=10m的位置；工況(11)時(shí)，當(dāng)x=0時(shí)，地表沉降量約為5.5mm；此后，隨著x的不斷增大，地表沉降量也在逐漸增加，當(dāng)x=10m時(shí)，達(dá)到最大值，最大值約為11.9mm；此后，隨著x的不斷增大，地表沉降量在逐漸減小，當(dāng)x超過(guò)55m時(shí)，地表沉降量較小，且趨于穩(wěn)定，當(dāng)x=60m時(shí)，地表沉降量約為3.9mm。

圖3 地表沉降變形規(guī)律圖

（三）基坑底部隆起分析

距離基坑中部距離的不同，基坑底部隆起情況受基坑開(kāi)挖的影響不同。不同的施工工況對(duì)同一位置的坑底的隆起影響亦不同?；拥拈_(kāi)挖對(duì)基坑底部影響規(guī)律見(jiàn)圖4。

圖4 基坑開(kāi)挖過(guò)程中坑底隆起規(guī)律圖

通過(guò)對(duì)比分析圖4不難發(fā)現(xiàn)，基坑開(kāi)挖會(huì)產(chǎn)生基坑坑底土體隆起現(xiàn)象?？傮w上來(lái)看，基坑底部隆起變化呈現(xiàn)出“中間大，兩端小”的規(guī)律，最大值約為19.3mm，出現(xiàn)在距離基坑中部距離約2m的位置。具體來(lái)看，基坑底部隆起值隨著與基坑中間位置的距離改變而改變，表現(xiàn)為隆起值先增大后減小，再趨于穩(wěn)定的特征。從工況(4)到工況(11)，同一位置的基坑底部隆起值逐漸增大，且增大的幅度越來(lái)越小，最后趨于穩(wěn)定。工況(4)時(shí)基坑底部隆起值相對(duì)較小，最大值約為8mm；工況（6）時(shí)基坑底部隆起值增大，最大值約為12mm；工況（8）時(shí)基坑底部隆起值增大，最大值約為15mm；工況（10）時(shí)基坑底部隆起值繼續(xù)增大，最大值約為17.3mm；工況(11)時(shí)，基坑底部隆起值較大，最大約為19.3mm。整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程，基坑坑底隆起最大值都出現(xiàn)在距離基坑中部約2m的位置。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是基坑內(nèi)的土體隨著基坑的開(kāi)挖而逐漸減少，開(kāi)挖掉的土體會(huì)釋放自重應(yīng)力，原來(lái)的土體應(yīng)力平衡遭到破壞，為了達(dá)到新的土體應(yīng)力平衡，基坑底的土體會(huì)產(chǎn)生向上的變形即“隆起現(xiàn)象”，同時(shí)基坑圍護(hù)及支撐結(jié)構(gòu)對(duì)坑底土體隆起有一定的約束作用。

四、結(jié)論

本文的研究工作主要得到以下四點(diǎn)結(jié)論：

（1）隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨深度的變化呈現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢(shì)，基坑開(kāi)挖至底部時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移達(dá)到最大值，最大值約為10.8mm，出現(xiàn)最大值的位置在基坑中部約12m位置，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)基坑中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向的保護(hù)。

（2）地表沉降變化曲線呈“拋物線”形式，最大值約為11.9mm，最大值出現(xiàn)在距離基坑Y方向邊緣距離約為10m的位置。

（3）基坑底部隆起變化規(guī)律呈現(xiàn)出“中間大，兩端小”的趨勢(shì)，最大值約為19.3mm，最大值出現(xiàn)在距離基坑中部約2m的位置，隆起值相對(duì)較大，需要在施工時(shí)加強(qiáng)坑底隆起的監(jiān)測(cè)與控制。

（4）本文進(jìn)行的是對(duì)地鐵車站深基坑開(kāi)挖影響的數(shù)值模擬分析，研究結(jié)果可為類似工程提供參考，下一步將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究分析。