數值模擬在地鐵基坑樁體變形研究中的應用

韓函，高玉華 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

隨著社會經濟水平的提高以及科學技術的發展，城鎮化程度大幅提高，人們不斷向城市聚集，造成城市人口密度不斷增加，為了緩解人口及空間問題，人們對于建筑物的規模提出了更高的要求，同時也將目光聚焦在地下空間的利用。自上世紀七十年代至今，基坑工程在我國得到了飛速的發展，但由于城市化程度的提高，基坑工程通常緊鄰交通要道、人流量較大、地下管網密集，且周邊多為高層建筑物，導致基坑工程施工場地較為狹窄，如何在錯綜復雜的環境中施工，并且保證基坑工程的質量安全、減少對周邊已有建（構）筑物、地下管線的影響成為了近代基坑工程需要考慮的重點。

自上世紀70年代，Clough首次提出將有限元方法運用到基坑工程的研究中，數值模擬方法在基坑工程中的應用得到了飛速的發展，Duncan、Chang[1]對大量基坑工程進行有限元數值模擬，將模擬計算結果同理論計算結果進行對比并完成對有限元方法的修正，提出了Duncan-Chang模型來考慮土體的應力應變關系。Charles W.Ng與Martin Lings[2]于1995年提出將非線性塊體模型和完全彈性的Mohr-columb理論分別運用于有支護和無支護開挖條件下的硬塑性黏土基坑進行數值模擬。沈珠江[3]提出將封閉屈服面模型應用在正常固結土及超固土中，拓展了劍橋模型的適用范圍并證明了該模型的廣泛的適用性。周松、王洪新[4]建立了雙剛度模型，考慮了基坑開挖時的時空效應以及基坑的尺寸效應，為基坑研究提供依據。俞建霖、龔曉南[5]運用空間有限單元法對基坑施工過程中基坑底部隆起空間分布、周邊地表沉降空間分布、圍護結構變形空間分布分別進行研究分析，根據工程實例證明了有限單元法進行數值模擬在工程中的可靠性。

1 工程地質條件

H市地鐵3號線北至相城路站，南至方興大道站，3號線全長37.2km，共設置33座車站。界首路站位于臨泉路與界首路交叉口，車站與臨泉路平行，沿東西向布設。車站界首路站主體采用明挖法施工，車站站臺寬12m，車站埋深約2.75m～4.42m。結構形式為地下二層單柱雙跨（局部雙柱三跨）島式站臺車站，全長共478.45m，標準段寬度為20.7m，車站兩端均為盾構區間。車站采用明挖法施工，圍護結構采用鉆孔灌注樁+內支撐支護體系，標準段基坑平均深度約17m（西側盾構井段17.95～18.18m，東側盾構井段21.93～22.06m），覆土厚度 2.75～4.42m，地面設計標高約24.46～28.56m。車站共設置4個出入口、3組風亭，出入口、風亭等附屬結構均采用明挖法施工。車站主體及附屬明挖段圍護結構采用鉆孔樁+內支撐支護體系，內支撐為鋼筋混凝土支撐、鋼管支撐。

界首路站東側端頭井圍護結構采用φ1200@1500鉆孔灌注樁，內支撐共4道，第一道為800mm×800mm的鋼筋混凝土支撐，其余三道均為φ609mm、管壁厚16mm的鋼管支撐，鉆孔灌注樁頂部冠梁截面尺寸為800×1700（高×寬）,結構剖面圖如下所示。界首路站標準段圍護結構采用φ1000@1300鉆孔灌注樁，冠梁截面尺寸為（高×寬）,內支撐均同東側端頭井一致。

圖1 界首路站地質剖面圖

土層參數 表1

2 模型的建立及計算結果分析

2.1 模型建立

界首路站全長478.45m，標準段寬20.7m，本文選取標準段開挖過程作為分析對象建立有限元模型。影響基坑開挖范圍的因素較多，例如：土質條件、開挖深度、基坑開挖形狀等。Midas GTS NX模型中，水平邊界距基坑邊界設置為3倍基坑開挖深度；與地面垂直方向，模型底部至基坑底部距離設置為2倍開挖深度。考慮到工程特殊性與周邊建筑物，標準段模型選取42軸至50軸共計64m長的區間作為對象，最終計算模型尺寸為244m×129m×54m。有限元模型如圖2所示。

圖2 標準段圍護結構

根據地質勘查結果可以得出，車站結構底板主要位于黏土層，鉆孔灌注樁樁底部分位于粉土層，部分位于黏土層。本文采用Mohr-Coulomb模型作為土體的本構模型，考慮模型計算工作量模型土體皆采用六面體實體單元，并按照勘察報告分別進行定義。土體力學參數如下表所示。

土層參數表 表2

標準段施工工況及模型實現方式 表3

2.2 計算結果分析

通過數值模擬，選取監測斷面27處的樁體側移數據，繪制工況3-工況11下樁體側移與支護樁深度的關系曲線圖如圖3所示。

圖3 支護樁水平位移計算曲線

從樁體水平位移曲線圖中可以看出，在基坑開挖初期，支護樁位移大致呈線性，支護樁樁體水平曲線呈“鼓肚狀”，并且隨著基坑開挖更加飽滿，支護樁樁體位移最大值為22.48mm，出現在距離樁頂12m處。支護樁位移增幅最大值發生在冠梁及混凝土支撐澆筑完成至第一道鋼支撐架設前這一階段，出現在距離樁頂11.4m處，最大增幅為11.6mm，滿足相關規范中樁體水平位移累計值不得超過30mm的要求。因此應對該階段樁體水平位移進行重點關注，在開挖至設計高度后應及時架設鋼管支撐，防止因支撐架設不及時導致支護樁向坑內位移較大產生坍塌、傾倒事故。工況9至工況11支護樁樁體位移變化較小，這是由于第三道鋼管支撐架設后開挖面至基坑底部深度較前幾層開挖深度較淺的緣故。

3 計算值與實測值對比

將界首路站標準段測點ZQT27處支護樁在工況3/5/7/9/11下的樁體側移實測值與計算值進行對比分析，并繪制樁體側移對比圖如圖4下所示。

圖4 標準段支護樁側移監測值與計算值對比曲線

根據對比曲線分析可以看出，實際監測值與模擬計算值整體趨勢較為一致，樁體最大位移發生在第一道支撐與第二道支撐之間，支護樁水平位移監測最大值為20.35mm，模擬計算最大值為22.36mm，皆不超過樁體水平位移控制值30mm。在實際監測中，支護樁樁頂向基坑外側發生位移，原因是基坑外側淺層土體剛度較小，支撐架設時預加了較大應力，土體受到被動土壓力達到極限平衡狀態。支護樁在工況3至工況5期間樁體側移值漲幅較為明顯，應對該階段進行重點監測。由于現場大型機械施工、材料堆載以及道路車流等因素，模擬值與監測值有一定偏差。由對比圖可知，樁體側移實測值在支撐架設位置有一定的減小，因此在實際施工時應按照設計及時架設支撐，約束支護樁體變形，保障工程安全。

4 小結

根據界首路站實測值與計算值對比結果顯示，利用有限元軟件對基坑支護樁樁體水平位移進行模擬計算結果較為準確，樁體位移變化趨勢以及數值都非常接近實際檢測值，模型參數選取合理，證明數值模擬應用于樁體水平位移模擬具有較強的可靠性和應用價值。