金府站地鐵深基坑降水支護(hù)應(yīng)力滲流耦合演化機(jī)理

夏慶春

（慶陽(yáng)市建筑業(yè)管理局，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，國(guó)家大力推進(jìn)城市公共交通建設(shè)，并在加快發(fā)展常規(guī)公共交通方式的基礎(chǔ)上大力發(fā)展快速軌道交通方式。然而，在全國(guó)各大城市地鐵建設(shè)掀起高潮的同時(shí)，也帶來(lái)了不少的安全事故，造成了不必要的人員傷亡，其中一些是由于地鐵建設(shè)過(guò)程中的工程地質(zhì)問(wèn)題所引起的。本文通過(guò)對(duì)成都地鐵6號(hào)線車站深基坑工程變形控制系統(tǒng)研究，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了深基坑工程支護(hù)體系內(nèi)力變化規(guī)律、變形規(guī)律及其影響因素、變形控制標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)成都地鐵6號(hào)線中可能遇到的工程地質(zhì)問(wèn)題提出解決方案，從而對(duì)指導(dǎo)成都地鐵6號(hào)線深基坑工程的工程實(shí)踐具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

金府站中心里程為YDK24+066.187，設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為YDK23+925.187，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為YDK24+236.487。主體標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.4m，車站全長(zhǎng)195.2m。頂板平均覆土厚度約為5.3m，底板埋深約22.2m。車站主體站臺(tái)、站廳層公共區(qū)為無(wú)柱拱形框架結(jié)構(gòu)；主體站臺(tái)、站廳層設(shè)備區(qū)為地下兩層雙跨（局部三跨）框架結(jié)構(gòu)，采用半蓋挖順作法施工。本站共設(shè)3個(gè)出入口通道，2個(gè)消防疏散通道、2組風(fēng)亭及1個(gè)無(wú)障礙電梯。車站主體采用半蓋挖法施工，其中跨金府路路口為全蓋施工。車站兩端均接盾構(gòu)區(qū)間，本站兩端設(shè)置盾構(gòu)井，小里程端、大里程端均為雙線盾構(gòu)接收井。小里程端靠金府下穿隧道側(cè)，由于右線盾構(gòu)擴(kuò)大端寬度僅能滿足盾構(gòu)接收要求，無(wú)法設(shè)置盾構(gòu)接收井，故車站小里程端右線盾構(gòu)吊出需在左線盾構(gòu)孔進(jìn)行，盾構(gòu)機(jī)需站內(nèi)平移。基坑內(nèi)支撐采用一道鋼筋混凝土支撐+五道鋼支撐；鋼筋混凝土支撐標(biāo)準(zhǔn)水平間距6m，鋼支撐標(biāo)準(zhǔn)水平間距3m，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，第一道支撐撐于混凝土冠梁上，鋼支撐撐于鋼圍檁上，鋼圍檁采用雙拼I45c，樁間土采用 Φ8@150mmx150mm鋼筋網(wǎng)、150mm厚C20網(wǎng)噴混凝土封閉。

2 場(chǎng)地巖土特性

3 深基坑降水支護(hù)應(yīng)力滲流耦合分析

3.1 邊界條件

與常規(guī)的商業(yè)住宅建筑深基坑不同，地鐵基坑具有縱向平面尺寸較大橫向尺寸的典型特點(diǎn)，在分析計(jì)算時(shí)，屬于典型的平面應(yīng)變力學(xué)問(wèn)題。依據(jù)圣維南力學(xué)邊界條件，選用數(shù)值軟件進(jìn)行巖土工程分析時(shí)，模型截?cái)噙吔缡?倍開挖深度時(shí)，可以忽略模型邊界對(duì)基坑開挖土體造成的影響。成都地鐵6#線金府站深基坑，平面全長(zhǎng)195.2m，規(guī)范段開挖寬幅24.5m，將圍護(hù)樁按照剛度等效原則，等效為等厚度的地下圍護(hù)墻，支撐采用一道混凝土支撐外加五道鋼支撐。成都地區(qū)潛水水位補(bǔ)給充足，基坑開挖地，潛水水位位于地面-2.5m。最終基坑開挖模型如圖1所示，其圍護(hù)墻如圖2所示，內(nèi)支撐體系如圖3所示。

圖1 有限元實(shí)體單元模型（m）

圖2 地下連續(xù)墻

圖3 內(nèi)支撐體系

3.1.2 本構(gòu)模型

對(duì)于常規(guī)的基坑開挖分析，本文采用軟件自帶的各向同性修正的摩爾庫(kù)倫土體本構(gòu)模型，各層土體參數(shù)見表1。

表1 土層修正的摩爾庫(kù)倫模型參數(shù)

3.3 模擬方法及荷載簡(jiǎn)化

對(duì)于基坑開挖過(guò)程中的降水方法的模擬，結(jié)合Midas GTS NX的降水力學(xué)機(jī)理，采用在指定的過(guò)水?dāng)嗝嫔蠈嗝嫠骺紫端畨毫o定為零孔壓邊界條件，開挖總共采用6次降水，每一次開挖，將坑內(nèi)水位將至基坑開挖面1m以下，確保基坑開挖過(guò)程的安全，采用節(jié)點(diǎn)水頭設(shè)置方法，將對(duì)應(yīng)水面的節(jié)點(diǎn)壓力水頭設(shè)置為“0”，通過(guò)定義與時(shí)間相關(guān)的水頭時(shí)間函數(shù)，完成基坑降水的整個(gè)過(guò)程分析。由于基坑臨近道路且周邊存在住宅小區(qū)，為了考慮基坑開挖過(guò)程中周邊環(huán)境因素，在基坑兩側(cè)10m范圍內(nèi)施加15kPa的荷載，近似模擬基坑周邊建構(gòu)筑物的施工荷載。

3.4 分析工況

初始滲流場(chǎng)分析：采用瞬態(tài)分析方法，對(duì)基坑原始所處地層進(jìn)行初始滲流場(chǎng)的分析；

初始地應(yīng)力場(chǎng)分析：分析形成地層初始土層應(yīng)力狀態(tài)；

施做地下連續(xù)墻：仿真現(xiàn)場(chǎng)地下連續(xù)墻的實(shí)際施做過(guò)程；

工況一：開挖至地面以下-2.5m，施做第一道混凝土支撐及冠梁，降水至地面以下-3.5m；

工況二：開挖至地面以下-6.3m，施做第二道圍檁及第二道鋼支撐，降水至地面以下-7.3m；

工況三：開挖至地面以下-12.1m，施做第三道圍檁及第三道鋼支撐，降水至地面以下-13.1m；

工況四：開挖至地面以下-15.7m，施做第四道圍檁及第四道鋼支撐，降水至地面以下-16.7m；

工況五：開挖至地面以下-19.2m，施做第五道圍檁及第五道鋼支撐，降水至地面以下-20.2m；

工況六：開挖至基坑設(shè)計(jì)-22.2m，施做第六道圍檁及第六道鋼支撐，降水至地面以下-23.2m。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基坑工程數(shù)據(jù)，采用三維數(shù)值仿真軟件Midas GTS NX，選取合理的土體參數(shù)本構(gòu)模型，考慮深基坑開挖過(guò)程中降水支護(hù)應(yīng)力滲流耦合分析，主要得出以下結(jié)論：

1）在基坑挖掘進(jìn)程中，當(dāng)基坑挖掘深度較淺時(shí)，由于未及時(shí)施做第一道混凝土支撐，地下連續(xù)墻的變形在基坑頂點(diǎn)位置最大，呈“懸臂”模式，隨基坑開挖深度的逐步加大，基坑內(nèi)外土壓力差逐漸增長(zhǎng)，基坑圍護(hù)墻最大位移模式產(chǎn)生變化，由原來(lái)的懸臂模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮巍鼻业叵逻B續(xù)墻最大位移呈現(xiàn)在基坑挖掘面臨近，進(jìn)一步的體現(xiàn)出對(duì)于基坑縱向尺寸遠(yuǎn)大于基坑橫向尺寸的地鐵基坑，其基坑縱向與橫向的最大位移主要取決于基坑縱橫向的剛度。

2）在基坑挖掘進(jìn)程中，支撐主要提供側(cè)向剛度，保證基坑挖掘進(jìn)程中，地下連續(xù)墻的穩(wěn)定性，且在基坑挖掘進(jìn)程中，支撐之間存在軸力的相互協(xié)調(diào)性，保障了基坑開挖處理過(guò)程的穩(wěn)固性、安全性。

3）圍檁的彎矩受力受支撐與圍檁之間的鏈接方式不同而存在差異，對(duì)于混凝土支撐，標(biāo)準(zhǔn)段的Y向彎矩受力近似于簡(jiǎn)支梁的受力情況，而鋼支撐標(biāo)準(zhǔn)段圍檁幾乎不受彎矩，Z方向的彎矩最大值產(chǎn)生在基坑端頭部位。

4）地下連續(xù)墻后地表沉降的散布由“倒三角形”模式，隨著基坑挖掘深度的逐步增大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闉椤鞍疾坌巍保畲筘Q向位移沉降位置位于地下圍護(hù)墻（0.4～0.5）H0（H0為最終的開挖深度），且不隨開挖深度而發(fā)生變化。

5）基坑底部土體隆起值隨著基坑開挖深度的逐漸加大，最終造成中間大而兩邊小的基坑彈性隆起模式。

4 深基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)分析

4.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

（1）樁頂水平和豎直位移監(jiān)測(cè)；

（2）樁體水平位移監(jiān)測(cè)；

（3）支撐軸力監(jiān)測(cè)；

（4）地下水位監(jiān)測(cè)；

（5）地下管線沉降監(jiān)測(cè)；

（6）地面沉降監(jiān)測(cè)。

4.2 監(jiān)測(cè)周期

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)周期：圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂面豎向位移，水平位移、深層水平位移監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)自基坑開挖開始至主體結(jié)構(gòu)封頂后結(jié)束；周圍地表沉降從圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工開始到主體封頂且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后結(jié)束；支撐軸力監(jiān)測(cè)從支撐施工完成開始至支撐拆除結(jié)束。

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)論

通過(guò)分析金府站深基坑現(xiàn)場(chǎng)開挖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討在基坑開挖的各個(gè)過(guò)程坑外圍護(hù)樁頂豎向及水平位移、圍護(hù)樁深層水平位移、支撐軸力以及地面沉降的變化規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

1）在深基坑挖掘處理進(jìn)程中，圍護(hù)樁深層水平位移最大值隨基坑挖掘深度的增長(zhǎng)逐漸下移，最大值出現(xiàn)在挖掘面附近，圍護(hù)樁深層水平位移變化形像表現(xiàn)為“大肚狀”，說(shuō)明在基坑挖掘過(guò)程中，其圍護(hù)樁的側(cè)向位移主要有賴于基坑縱橫向地下圍護(hù)樁的相對(duì)約束剛度。

2）支撐軸力體現(xiàn)為整體增大的態(tài)勢(shì)，但是第一道混凝土支撐的軸力增大幅度明顯小于鋼支撐，這說(shuō)明混凝土支撐自穩(wěn)定強(qiáng)，剛度大，當(dāng)?shù)竭_(dá)基坑設(shè)計(jì)底標(biāo)高時(shí)，各個(gè)支撐軸力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）在基坑長(zhǎng)邊方向，圍護(hù)樁不同位置處墻后土體累計(jì)地面豎向變形存在空間上的分布，靠近基坑中間位置的測(cè)點(diǎn)累計(jì)地面豎向變形大于基坑井兩側(cè)測(cè)點(diǎn)，相比于基坑短邊方向，其圍護(hù)樁后土體累計(jì)地面豎向位移值較大，這也間接表明，考慮滲流應(yīng)力耦合的砂卵石地質(zhì)深基坑施工進(jìn)程中圍護(hù)樁變形存在中間大兩邊小的形態(tài)。

5 研究結(jié)論

本文依托成都地鐵深基坑金府站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程，采用三維數(shù)值軟件Midas GTS NX，考量基坑降水進(jìn)程中滲流應(yīng)力耦合，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了深基坑挖掘進(jìn)程中，地下連續(xù)墻的變形演化機(jī)理，主要獲得如下定論：

1）選用 Modified Mohr-Coulomb（修正莫爾-庫(kù)倫）本構(gòu)模型，分析研究基坑開挖過(guò)程中地下連續(xù)墻的變形演化機(jī)理可以精確的反映基坑開挖過(guò)程中，土體應(yīng)力卸載引發(fā)的基坑臨近土體變形的力學(xué)機(jī)理。

2）采用數(shù)值軟件分析基坑挖掘過(guò)程中，當(dāng)基坑挖掘深度較淺時(shí)，由于未及時(shí)施做支撐，地下連續(xù)墻的變形在基坑頂點(diǎn)位置最大，呈“懸臂”模式，隨基坑開挖深度的逐步加大，基坑內(nèi)外土壓力差逐漸增長(zhǎng)，基坑圍護(hù)墻最大位移模式產(chǎn)生變化，由原來(lái)的懸臂模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮巍鼻业叵逻B續(xù)墻最大位移呈現(xiàn)在基坑挖掘面鄰近，進(jìn)一步的體現(xiàn)出對(duì)于基坑縱向尺寸遠(yuǎn)大于基坑橫向尺寸的地鐵基坑，其基坑縱向與橫向的最大位移主要取決于基坑縱橫向的剛度。

3）在基坑挖掘進(jìn)程中，支撐主要提供側(cè)向剛度，保證基坑挖掘進(jìn)程中，地下連續(xù)墻的穩(wěn)定性，且在基坑挖掘進(jìn)程中，支撐之間存在軸力的相互協(xié)調(diào)性，保障基坑挖掘進(jìn)程的安全穩(wěn)定性。地下連續(xù)墻后地表沉降的分布模式由“倒三角形”，隨著基坑挖掘深度的逐漸加大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闉椤鞍疾坌巍保畲筘Q向位移沉降位置位于地下圍護(hù)墻 （0.4～0.5）H0（H0為最終開挖深度），且不隨著開挖深度而產(chǎn)生變化。基坑底層土體隆起值隨基坑開挖深度的逐步加大，最終造成中間大兩邊小的基坑彈性隆起模式。

4）通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以得到在深基坑挖掘進(jìn)程中，圍護(hù)樁深層水平位移的最大值隨基坑挖掘深度增長(zhǎng)而逐步下移，最大值呈現(xiàn)在挖掘面附近，圍護(hù)樁深層水平位移變化形象展現(xiàn)為“大肚狀”，說(shuō)明在基坑挖掘進(jìn)程中，其圍護(hù)樁的側(cè)向位移主要有賴于基坑縱橫向地下圍護(hù)樁的相對(duì)約束剛。