地鐵車站深基坑開挖巖土體的變形特征

雷山川　吳廷堯

(1.中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，江蘇 無錫　214105；　2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢　430074)

0　引言

地鐵基坑的變形主要通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形反映出來，因此在圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測基礎(chǔ)上，分析地鐵基坑開挖巖土體變形特征可為地鐵基坑支護(hù)的選擇提供重要參考。很多學(xué)者在基坑監(jiān)測方面有過很多研究。朱文忠[1]、安關(guān)峰[2]通過分析地鐵明挖深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征，重點(diǎn)研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移及水平收斂，并對變形規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)；任建喜[3]、宋超[4]在地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測基礎(chǔ)上，分析了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形和支撐內(nèi)力的變化規(guī)律；曾國熙[6]、王洪德[7]基于FLAC3D研究了軟弱地層條件下地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和失穩(wěn)特征。

本文以武漢地鐵6號線東方馬城站深基坑項(xiàng)目為基礎(chǔ)，依托現(xiàn)場監(jiān)測，利用數(shù)值分析軟件FLAC3D建立起基坑開挖的簡化模型，設(shè)置相應(yīng)的開挖步驟和開挖工況，對基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)值模型的可靠性驗(yàn)證，從而得到基坑開挖過程中巖土體的變形規(guī)律。

1　工程地質(zhì)概況

武漢市軌道交通6號線東方馬城站采用明挖法施工，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐系統(tǒng)支護(hù)。車站總長度為312.0 m，車站中心里程處標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬24.9 m、基坑深度約為24.83 m；車站范圍土層主要為近代人工填土層、第四系河流沖洪積土層、砂層，下部基巖為志留系砂質(zhì)泥巖。

2　數(shù)值模型的建立

為簡化模擬過程，故基坑模型簡化為平面應(yīng)變模型，數(shù)值模型的尺寸為125 m×30 m×75 m,基坑開挖范圍為25 m×25 m，地連墻寬度為1 m，長度為25 m，基坑開挖步驟分工況1～工況8分步開挖至基底，其中工況1～工況8分別為開挖土體至-2.5 m處、-9.5 m處、-13.5 m處、-16.5 m處、-18.5 m處、-21 m處、-23.5 m處以及坑底處，并依次架設(shè)1道混凝土支撐和6道鋼支撐，鋼筋混凝土支撐架設(shè)位置為-2 m處，6道鋼支撐架設(shè)位置分別為-8.5 m處、-12 m處、-15 m處、-17.5 m處、-20 m處以及-22.5 m處。數(shù)值模型立體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，基坑監(jiān)測點(diǎn)布置圖如圖2所示。

3　數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1　數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比分析

測點(diǎn)S4位于所選研究區(qū)域上，為基坑冠梁水平位移監(jiān)測點(diǎn)，將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果同監(jiān)測結(jié)果做對比分析。監(jiān)測結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對比如表1所示，兩者對比曲線如圖3所示。

表1　S4測點(diǎn)水平位移實(shí)測值與計(jì)算值對比

由圖3可知，基坑實(shí)測值和數(shù)值模擬計(jì)算值在一定范圍內(nèi)波動。兩者相比，工況8時(shí)誤差最大，為7.9%，工況5時(shí)誤差最小，為1.4%，對比可知，所建立的數(shù)值模型是合理的，數(shù)值模擬所得結(jié)果可以為現(xiàn)場施工提供理論指導(dǎo)。

3.2　深基坑開挖位移模擬分析

以下為數(shù)值模型在自重應(yīng)力平衡后，工況1～工況8開挖后基坑水平位移、沉降位移和混凝土支撐軸力的開挖模擬結(jié)果。

3.2.1基坑周邊巖土體水平、沉降位移分析

為能更清楚地了解基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移的變化規(guī)律，在模型中布設(shè)相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn):位移監(jiān)測點(diǎn)具體布設(shè)如圖2所示，基坑初始應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)后，基坑開挖工況1～開挖工況8水平位移變化曲線如圖4所示，沉降位移變化曲線如圖5所示，基坑開挖過程中基坑周邊巖土體豎向位移值統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

1)圖4為基坑8個(gè)開挖步驟結(jié)束后，水平位移變化狀況，由圖4可總結(jié)出：基坑開挖過程中水平位移主要集中于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和墻后地表土體，隨著開挖的進(jìn)行，墻后土體出現(xiàn)了背向基坑方向的位移，分析認(rèn)為，是由于開挖卸載導(dǎo)致基坑出現(xiàn)應(yīng)力重分布，支撐體系作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的支撐應(yīng)力同墻后土體之間的壓力相互作用是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的主要原因。由圖4可知，隨著開挖的進(jìn)行，水平位移逐漸增大，在第一個(gè)開挖步驟結(jié)束后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)有1.73 mm向基坑內(nèi)移動的位移，在第三個(gè)開挖步驟結(jié)束后，基坑水平位移變形速率在緩慢變小，在開挖步驟8結(jié)束后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)的位移只達(dá)到了5.62 mm，說明該基坑開挖方案是合理的，支撐架設(shè)體系及時(shí)且有效的抑制了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。

2)圖5為基坑8個(gè)開挖步驟結(jié)束后，沉降位移變化狀況，由圖5可總結(jié)出：在開挖步驟1結(jié)束后，坑外土體沉降位移達(dá)到6 mm～8 mm，在開挖步驟8結(jié)束后，周邊巖土體沉降位移達(dá)到了20.1 mm，隨著鋼支撐的架設(shè)，土體沉降位移逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于支撐的增加，使施加在圍護(hù)體系上的支撐應(yīng)力增加，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用于墻后土體上的壓力也隨之增加，支撐應(yīng)力對遏制土體沉降有一定影響。

3)基坑底部土體位移不甚明顯，主要以隆起為主，最大隆起量不超過3.77 cm(見表2)，這表明基坑整體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)體系是完善合理的，有效的防止了基坑底部的隆起和回彈。

表2　基坑開挖過程中基坑周邊巖土體豎向位移值統(tǒng)計(jì)表

3.2.2混凝土支撐軸力分析

以第一道混凝土支撐為內(nèi)力監(jiān)測研究對象，重點(diǎn)分析在開挖結(jié)束后混凝土支撐內(nèi)力的變化情況?；炷林蝺?nèi)力隨開挖工況的變化曲線圖如圖6所示。

在工況1時(shí)，混凝土支撐由于剛架設(shè)，承擔(dān)了一定的墻后土體壓力，因此內(nèi)力有較高的水平，隨著開挖的進(jìn)行，墻后土體壓力隨之增大，到工況2時(shí)，雖然鋼支撐有所增加但測點(diǎn)處支撐內(nèi)力仍然有增大的趨勢，工況3～工況7時(shí)，支撐體系相對完善，各支撐均承擔(dān)了部分墻后土體壓力，因此測值有一定的下降，工況8是在工況7的支撐體系基礎(chǔ)上直接開挖至基底，因此支撐軸力有一個(gè)上升的趨勢。

4　結(jié)語

本文利用數(shù)值模擬軟件對武漢地鐵王家墩北站地鐵深基坑的變形和受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下：

2)混凝土支撐的內(nèi)力隨支撐體系的完善，逐漸變小并趨于穩(wěn)定，但由于開挖工況8是在開挖工況7的支撐體系基礎(chǔ)上直接開挖至基底，因此支撐軸力有一個(gè)上升的趨勢，故施工過程中應(yīng)盡快完成基坑地板的澆筑，以及在開挖至基底時(shí)注意相關(guān)鋼支撐軸力的增加，從而確?；娱_挖過程中穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn):