基于數(shù)值計算分析方法的地鐵車站深基坑施工變形規(guī)律研究

李國棟,劉文麗,楊洪娜,趙嘉輝,張 政,武 科

(1.中國電建市政建設集團有限公司, 天津 300384;2.山東大學 土建與水利學院, 山東 濟南 250061)

隨著路面交通形式日趨嚴峻，地鐵成為了緩解交通壓力的關鍵，但不同于路面建設，地鐵所處的地下環(huán)境十分復雜，受到來自土壓力，水以及路面上部荷載等多方面因素的影響。深圳地處沿海軟土地區(qū)，建設地下工程需面臨各項技術難題和技術風險，惡劣的地質(zhì)條件，使建設難度劇增。施越[1]通過基坑數(shù)值模型計算與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比，得到了基坑開挖過程中土體變化規(guī)律；宋廣等[2]、馮曉臘等[3]和謝沃等[4]通過研究模擬的本構模型，從力學方面研究了基坑開挖中的各項力學機理變化；文獻[5-10]通過對比不同工況下的圍護結構變形特征，總結出了開挖過程中圍護結構變形的一般規(guī)律；文獻[11-16]通過模擬分析，揭示了基坑開挖過程中的時空效應。文獻[17-22]對過支撐材料的敏感性分析，研究了不同支撐材料下的基坑側向位移規(guī)律。

本文在總結前人研究的基礎上，依托深圳地鐵4號線觀瀾站工程，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測對比，研究在深基坑開挖過程中的各項力學機理和圍護結構的變形規(guī)律，旨在為后續(xù)施工提供指導。

1 工程概況

觀瀾站(見圖1)所在場地原始地貌主要為沖洪積平原，地形較為平坦，地表高程約為36.69 m～39.14 m，位于觀瀾大道與橫坑路交叉口處，沿觀瀾大道是北東—南西走向建筑，與規(guī)劃龍華有軌電車示范線換乘。車站為地下二層島式站臺，車站有效站臺中心里程：DK26+981.000，車站起訖里程：DK26+890.415—DK27+226.505，全長335.94 m。車站主體結構基坑寬度21.3 m～26.1 m，深度18.6 m～20.8 m，附屬結構基坑深度13.7 m～15.5 m。車站主體結構擬采用明挖法施工。

圖1 觀瀾站平面圖

1.1 工程地質(zhì)

巖土分層及其特征：

根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗結果，按地層沉積年代、成因類型，將本工程場地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層、第四紀中更新統(tǒng)沖洪積層、白堊紀泥巖三大類。并按地層巖性及其物理力學性質(zhì)進一步分為3個小層。

① 素填土：褐黃色、灰黃色、灰褐色、黃褐色、褐紅色等，以回填黏性土為主，可塑，含少量砂礫，局部夾碎石，碎石粒徑約5 mm～50 mm，含量一般小于10%。位于現(xiàn)狀道路范圍內(nèi)的填土經(jīng)過壓實處理，稍密為主，表層為混凝土墊層和路面。填筑時間大于10 a。該層進行標準貫入試驗共4次，標準貫入錘擊數(shù)7～9，平均擊數(shù)8.0，場地內(nèi)均有分布，揭露層厚0.60 m～6.60 m，平均厚度2.69 m。層底埋深0.60 m～6.60 m層底高程32.31 m～38.16 m。

② 粉質(zhì)黏土：灰褐色、淺黃色、黃褐色、褐紅色、褐黃色、深灰色等為主，可塑，局部含少量砂粒。該層進行標準貫入試驗共50次，實測標準貫入擊數(shù)為7擊～18擊，平均11.8擊。場地內(nèi)大部分地段均有分布，揭露層厚0.90 m～6.10 m，平均厚度3.26 m，層頂埋深0.70 m～8.40 m，層頂高程29.77 m～37.40 m，層底埋深3.80 m～9.80 m，層底高程28.37 m～34.43 m。

③ 全風化碎裂巖：黃褐色，由構造碎裂巖風化形成，巖石風化劇烈，巖芯呈土狀，遇水浸泡易軟化。該層進行標準貫入試驗共42次，實測標準貫入擊數(shù)為40擊～69擊，平均51.9擊。該層在場地內(nèi)大部分分布，揭露層厚0.70 m～12.30 m，平均厚度3.90 m，層頂埋深0.60 m～12.90 m，層頂高程25.69 m～38.06 m，層底埋深3.00 m～21.30 m，層底高程16.86 m～35.68 m。巖土參數(shù)見表1。

表1 土的各項參數(shù)表

1.2 支護方案

本次深基坑支護采用厚度為1 m的地下連續(xù)墻作為圍護結構，支撐結構采用半徑為800 mm，厚度為30 mm的支撐鋼管，總共設置7排支撐。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

根據(jù)現(xiàn)場實際工程概況建立了圖2所示計算模型，由于不同車站位置具有大致相似的工程概況，車站的受力狀況是連續(xù)的，所以可以截取某一段車站進行研究，所以本次模擬截取108 m×88 m×4 m的一段車站區(qū)間，忽略地下水的影響，根據(jù)現(xiàn)場勘測的數(shù)據(jù)建立3層土層，采用明挖法，分三次開挖，每次開挖分別是7 m、8 m、6 m，每次開挖后立即施加支護，保證基坑不產(chǎn)生較大變形。

圖2 整體模型圖

2.2 結果分析

2.2.1 地表沉降分析

圖3—圖5是基坑三次開挖后的豎向位移云圖，由圖可以看出，隨著土體的開挖，基坑兩側土體發(fā)生沉降，隨著距離基坑邊緣距離的增加，地表沉降顯著增大，當距離達到13 m時，地表沉降又開始逐漸減小為零，這是由于在基坑邊緣有地連墻的圍護作用，但隨著距離的增加，維護作用越來越小，地表沉降因此逐漸增加，當?shù)竭_最大值后，由于開挖對土體的影響隨著距離的增加逐漸減小，因此地表沉降逐漸減小，由圖可以得到，第一次開挖后最大的地表沉降為7.8 mm，第二次最大沉降為1.4 cm，第三次為2.3 cm，由于每次開挖深度大致相同，對比分析可以得知，隨著開挖深度的增加，地表沉降呈線性增大。通過分析開挖過程中地表沉降規(guī)律，可以大致得到地表沉降影響范圍，減少對周圍建筑物的影響。隨著基坑深度的不斷增加，由于上部土體被開挖，坑底的土體失去了上層土體的自重作用，加上兩側土體的側向擠壓，導致基坑底部產(chǎn)生明顯的基地隆起，由圖可以看出，第一次開挖后，坑底產(chǎn)生1.376 cm的隆起，第二次開挖后隆起增大36%，第三次開挖后隆起又繼續(xù)增大36%，這與開挖深度成比例增加。基坑隆起會影響基坑的穩(wěn)定，過大的坑底隆起會降低后建車站的穩(wěn)定性。

圖3 第一次開挖豎向位移云圖

圖4 第二次開挖豎向位移云圖

圖5 第三次開挖豎向位移云圖

2.2.2 地連墻側向位移分析

圖6—圖8是三次開挖后基坑的橫向位移云圖，由圖可以得知，基坑的土體開挖會導致基坑產(chǎn)生側向位移，隨著開挖深度的增加，基坑側向位移逐漸增大，兩側土體向基坑中部擠壓，以基坑中軸線為對稱線，產(chǎn)生了大小一致方向相反的側移，通過圖中數(shù)據(jù)可以得知，第一次開挖后，基坑地連墻以及兩側土體產(chǎn)生了最大值為9.050 mm的側向位移，隨著第二次開挖，最大側向位移為2.017 cm，增大了一倍左右，這也符合兩次開挖深度的比例，當基坑開挖到坑底時，側向位移又增大到了3.619 cm，通過分析對比可以得知，隨著開挖深度的增加，土體的側向位移不斷增大，這是由于隨著深度的不斷增加，土壓力也會呈線性增加導致的。由圖還可以得知，土體開挖對基坑產(chǎn)生側向位移影響區(qū)域是特定的，有范圍的，側向位移只會發(fā)生在基坑地連墻周圍，影響范圍大約是開挖深度的1.5倍距離。

圖6 第一次開挖橫向位移云圖

圖7 第二次開挖橫向位移云圖

圖8 第三次開挖橫向位移云圖

2.2.3 位移分析

圖9和圖10分別是三次基坑開挖后的地連墻側移隨深度變化曲線和地表沉降隨距基坑邊緣的距離變化曲線圖，由圖9可以得到，隨著地連墻入土深度的不斷增大，地連墻側移呈現(xiàn)出一種近似函數(shù)變化的趨勢，在增大到最大值后又逐漸減小。由圖可以看出，在開挖至地下7 m時，地連墻側向位移最大值為14 mm，在開挖至-15 m時，地連墻側向位移增大到19.5 mm，在開挖到基坑最低端時，地連墻側向位移最大值為25 mm，通過對比分析可以看出，幾乎每次開挖后，地連墻側向位移都會增加30%左右，而且從最大側向位移發(fā)生的位置可以看出，隨著開挖深度的增大，最大側向位移的位置不斷下降。由圖10可以得知，隨著開挖深度的增加，地表沉降的最大值也顯著增大，通過比較三個曲線可以得知，地表沉降隨深度增加呈線性增大，并在最大開挖深度下產(chǎn)生最大地表沉降，但產(chǎn)生最大的地表沉降的位置并沒有顯著改變，基本都發(fā)生在距離基坑邊緣16 m處。

圖9 地連墻側移隨深度變化曲線圖

圖10 地表沉降隨距基坑邊緣距離變化曲線圖

3 結 論

本文模擬了深基坑的開挖過程，研究了深基坑開挖過程中的力學機理，對開挖過程中土體變形和圍護結構變形規(guī)律進行了研究，總結了土體和圍護結構在開挖過程中的各項力學機理規(guī)律，研究表明：

(1) 基坑開挖會導致土體發(fā)生豎向位移，并在基坑底部發(fā)生坑底隆起，隨著開挖深度的增加，地表豎向位移和坑底隆起會呈線性增加。

(2) 隨著基坑的開挖，兩側土體向內(nèi)側擠壓，圍護結構會發(fā)生側向位移，并且圍護結構隨著入土深度的不斷加大，呈現(xiàn)出先增大后減小函數(shù)的變化規(guī)律。

(3)通過對比曲線圖可以得知，最大地表沉降發(fā)生的位置是相對固定的，而圍護結構最大側向位移發(fā)生的位置是隨著開挖深度不斷增加的。