某地鐵車站區域基坑蓋挖法開挖有限元數值模擬

劉 芳 黃海波

(1.廣西交通職業技術學院,南寧530012; 2.廣西建設職業技術學院,南寧 530007)

0 引 言

隨著城市的發展,地下空間的開發使用變得越來越重要,大量的地下工程出現于城市建筑設施密集區,包括地下通道,地鐵車站,地下商業街等。因此,基坑工程的重要性日益凸顯。為了不影響已建成設施的正常使用,基坑開挖過程的變形控制變得十分關鍵。許多學者已經開始研究基坑開挖對周圍環境的影響[1-4]。

為了不影響地面交通,地下車站的施工往往采用蓋挖法[5-7]。但是目前對于蓋挖法施工相關的技術和理論研究還有待深入,實際施工往往需根據工程經驗,并根據工程實際進行全面綜合分析,因此對于蓋挖法的理論研究具有重要的工程意義。本工程基坑與已建成地鐵車站結構正交,采用蓋挖法施工。本文通過數值模擬基坑開挖施工全過程,考慮逆作法頂板施工提供的支撐效應,監測地鐵結構以及基坑本身變形規律,提出了一些變形控制方案,可以為同類工程提供參考。

1 基坑工程概況

1.1 工程概況

工程位于較為繁華的商業區和交通主干道內,圖1為基坑工程平面布置圖,新開挖基坑與已建成地鐵結構正交,地坪標高為-0.1 m,基坑開挖深度為10.30 m。考慮到為了盡快恢復交通,主體結構采用蓋挖逆做法施工,圍護形式采用長螺旋鉆孔樁加高壓旋噴樁間止水,選用參數為φ700@1 000,L=15 m。施工順序如下:①圍護止水高壓旋噴樁、鉆孔樁、結構工程樁施工;②開挖淺部土方,施工蓋板,蓋板兼作圍護樁支撐;③蓋板結構強度達到100%后,施工管線及其他工序,回填上部覆土,恢復路面交通;④蓋板下部按照分區、分層、分塊的原則,開挖至底板墊層底;⑤基坑坑底以上30 cm土體進行人工挖土,清底后24小時內澆筑混凝土墊層和底板,墊層和底板施工至圍護樁邊;⑥施工地下人防剩余結構。

地鐵結構底板墊層底標高約-16.67 m,地鐵結構跨徑18.3 m,柱徑0.7 m×1.1 m,柱間距8 m,側墻厚度0.7 m,中樓板厚0.4 m,頂板和地板厚0.9 m,地下連續墻厚0.8 m,墻底標高約-24.6 m。頂板(頂板梁)、中板(樓板梁)、底板(底板梁)、側墻和內墻采用混凝土強度等級C35,立柱混凝土強度等級為C50。

圖1 基坑工程平面分布圖Fig.1 Plan graph pf foundation pit project

1.2 工程地質條件

工程場地地形平緩,地貌上屬滇池湖相沉積盆地北部盤龍江沖洪積Ⅰ級階地。勘探鉆孔揭露深度范圍內地基主要土層為第四系人工填土層(Qml),第四系沖洪積相(Qal+pl)黏土,第四系沖湖積圓礫、粉土、含粉質黏土圓礫、粉質黏土。場地土層自上而下依次為:①素填土,②黏土,②1粉土,③圓礫,③1粉土,④含粉質黏土圓礫,④1黏土,④2黏土。土層參數如表1所示。

表1土層參數

Table 1Parameters of the soil

2 模型建立

2.1 建立模型

根據已知工程資料分析,將模型簡化如下。

其中考慮基坑開挖的最大影響范圍3～4倍的開挖深度,因此模型長寬尺寸取為200 m×200 m的尺寸。影響深度為開挖深度的2～4倍[8],本模擬中基坑開挖深度為10.3 m,因此影響深度為20.6～41.2 m,同時考慮到基坑圍護樁主要打入第③層土作為持力層,因此模型的深度尺寸取為52.6 m。圖3為地基模型,模型分為五個部分,分別包括地基土(圖3(a))、已有隧道(圖3(b))、基坑開挖土(圖3(c))、基坑擋墻(圖3(d))和地基加固區(圖3(e))。

圖3(a)所示為開挖地基土的模型,其中每層分層為土層的分層。圖3(b)為已有隧道模型,其中分區主要方便用于劃分網格。圖3(c)為基坑要開挖出的土體,其中分區主要是土層分區和人防結構的建立及基坑分布開挖的深度。圖3(d)為基坑的擋墻,將灌注樁簡化為連續墻,彈性模量通過面積等效進行計算確定,考慮到基坑開挖對隧道變形的控制,增加基坑底部加固方案,基底加固方法在其他工程中也有類似應用[5]。圖3(e)為基坑底部的加固區,其區域模型基本與實際工程表示一致,進行了一定的簡化,設置為連續的加固區。

圖2 地基有限元模型Fig.2 Finite element model

圖3 地基模型組成部分Fig.3 Composition of foundation model

2.2 材料參數設置

土體及加固區采用摩爾庫倫本構模型。根據地質勘查資料,土體材料以及加固區部分模型參數的設置如表1所示。地鐵結構材料如前述,C35混凝土彈模為3.15×104,密度為2 500 kg/m3,C50混凝土彈模為3.45×104,密度為2 500 kg/m3。考慮到計算效率,擋土結構等效簡化為連續墻,因此其彈性模量簡化為3.15×104,密度為2 000 kg/m3。

2.3 計算參數設置

對應工程實際施工步驟,有限元模擬分析步設置如表2所示。

表2分析步設置

Table 2Analytical steps setting

接觸的設置較多,接觸需要設置接觸對,選擇兩個相接觸的Part,設置可以分為表3所示的三種類型。

表3接觸設置

Table 3Contact element setting

由于接觸對較多,需要在設置接觸時,將接觸面單獨設置出來。如圖4所示,基坑擋墻與地鐵結構的接觸設置。

圖4 基坑擋墻和地鐵結構接觸設置Fig.4 Retaining wall and subway structure contact setttig

荷載設置為模型整體加重力。邊界條件為模型側邊限制側向位移,底部限制豎向位移。

網格的劃分在有限元的計算中十分重要,目前處于調節網格階段,網格的好壞直接影響計算的結果。因此網格的劃分十分重要。網格單元只要分為四面體單元和六面體單元(8節點和20節點)。對于規則的模型可以采用六面體單元進行劃分,對于不規則或者復雜的模型可采用四面體單元進行劃分。由于本模型基坑開挖結構復雜,因此模型采用四面體進行劃分。

3 結果分析

3.1 開挖過程地鐵結構變形

為了不影響已建成結構的安全和正常使用,基坑開挖對已建成隧道的影響應該控制在一定范圍內,相關規范規定要求隧道豎向與水平位移不能超過20 mm,隧道變形曲率半徑必須大于15 000 m,相對彎曲不大于1/2 500[3,9]。圖5中在開挖過程中地鐵車站中部z方向位移變化,數值大于零表示位移向上,可見隨著基坑開挖,地鐵隧道呈現隆起變形且變形總體隨開挖深度增加而增大。圖中能看出未經過基底加固模型地鐵車站主體結構豎向位移較大(13.85 mm),因此考慮基坑坑底加固方案。

圖5 地鐵車站底部中點豎向變形隨開挖過程的變化Fig.5 Vertical deformation in the middle of subway structureinthe excavation process

加固區域為圖2(e),圖5可以看出基底加固后地鐵車站最大豎向變形減少了約63%。地鐵車站主體結構水平變形控制在0.55 mm左右,豎向變形在5.13 mm左右。在開挖完成后地鐵結構變形位移云圖如圖6所示。豎向變形影響較大,最大變形區域集中在地鐵隧道中間部位,對應基坑的開挖部分。

圖6 地鐵車站開挖完成后變形圖Fig.6 Deformation of the subway structure after excavation

由結果可知,采用在基坑底部邊緣設置加固區方案開挖對現有地鐵結構影響較小,產生的位移在一定程度上受邊界的影響,但是由于模型尺寸較大,基坑對地鐵車站的水平位移與豎向位移的影響能夠在模型中得到很好地體現。地鐵車站的水平位移與豎向位移控制在一定范圍內,滿足要求。可見加固土起到了較明顯的作用。

3.2 擋墻變形結果

選取東側基坑南側擋墻中點位置處進行記錄,開挖過程中此位置處隨深度的位移如圖7所示,大于零表示變形指向基坑內側。

圖7 開挖過程中擋墻變形Fig.7 Deformation of retaining wall in the excavation process

圖7可以看出,第二步為開挖西側第一層土,東側還未開挖土體,因此東側擋墻位移很小,第三步與第四步是同時的,即東側第一層土開挖完直接在同一分析步中改的頂板參數,因此第三步記錄的東側擋墻位移很小,第四步則開始產生較明顯的變形,可見擋墻較大變形的位置隨著支撐結構的施加和開挖深度的變化而變化,擋墻上部變形較大,頂板支撐附近變形很小,表明支撐可以起到控制變形的作用。

圖8為開挖完成后擋墻位移云圖,擋墻結構水平位移x方向(即沿地鐵車站的縱向方向)控制在1.78 mm。在擋墻的西北側轉折處、東北側轉折處,陽角(內折角)處由于基坑空間效應,受力較為不利,需要進行支撐加固,防止變形過大[10]。

圖8 開挖完成后擋墻位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of retaining walls after excavation

3.3 地基土變形

地基土變形隨著開挖過程逐漸加大,圖9為開挖完成后整體基坑土體變形圖,最大位移出現在基坑底部未加固區域,主要表現為隆起變形,最大位移控制在9.05mm左右(此時部分網格已經發生破壞,最大值發生在其他部分畸形網格位置)。

圖9 開挖完成后地基土位移變形云圖Fig.9 Displacement nephogram of the ground after excavation

3.4 二維模擬結果驗證

由于未有現場實測數據,因此作為對比驗證,同時對模型進行二維模擬,分析基坑土體及地鐵主體結構底板豎向位移,模型以及開挖完成后變形見圖10,模型參數和分析步設置均與三維模型保持一致。

表4為開挖過程中基坑和車站主體結構底板豎向位移。在未加固和加固工況下,地基土位移均隨開挖加深而增大,最大位移分別為16.41 mm和8.87 mm,對于基底加固工況,最大位移出現在基底非加固區,可見坑底加固能有效減小基坑隆起,三維模擬得到基坑最大位移約為9.05 mm,與二維模擬結果接近。在基底未加固工況下,地鐵結構底板位移隨著開挖先增大后減小再增大,最大位移發生在第四步(16.33 mm),在加固工況下,地鐵結構底板位移隨著開挖加深而增大,最大位移為4.76 mm,位于底板位置,與圖5進行對比可見,二維模擬車站結構底板位移結果和三維結果相一致。

圖10 二維模型模擬結果Fig.10 The simulation results for 2-D model

表4二維模型模擬結果

Table 4Results of 2-D simulation

4 結 論

本文通過模擬某地鐵車站基坑開挖過程對已建成地鐵車站的影響,工程采取蓋挖逆作法施工,并對比選擇了基底加固方案,分析了開挖過程中地鐵車站的變形以及支護結構和地基土的變形,同時考慮了蓋挖法頂板作為支撐對基坑結構變形的影響。主要得出以下結論:

(1) 基底未加固模型開挖造成地鐵車站變形較大,為了減小基坑開挖對已有地下結構的影響,采取加固基底部分區域的方案后,加固后地鐵車站最大變形減少約63%。地鐵車站變形主要集中在基坑開挖區域。

(2) 基坑開挖過程中變形主要集中在擋墻頂部,蓋挖法頂板施工除了可以快速恢復交通,還可以作為支撐,能起到控制支護結構變形的作用。

(3) 地基土的變形隨著開挖加深而逐漸增大,變形主要集中在非加固區。

(4) 建立了二維模型進行開挖過程模擬,基坑土體和地鐵車站結構變形結果與三維保持一致,驗證了結果的準確性。

本文研究結果為蓋挖逆作法以及基坑開挖對已有隧道結構的影響相關的工程有一定的參考意義。