臨河深大復(fù)雜基坑變形分析

劉　誠，　應(yīng)國柱，　朱大勇，　陳志斌，　羅　飛

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009；2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室， 安徽 合肥　230009；3.上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海　200032)

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臨河深大復(fù)雜基坑變形分析

劉誠1,2，應(yīng)國柱3，朱大勇1,2，陳志斌1，羅飛1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009；2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室， 安徽 合肥230009；3.上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海200032)

摘要：文章以合肥地鐵1、2號線交叉換乘車站大東門車站復(fù)雜深大基坑工程為研究背景，通過MIDAS-GTS有限元分析軟件，分別建立車站整體三維模型、1號線單獨模型和1號線車站截斷模型，對其蓋挖逆作施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬,重點研究在不同河水水位情況下，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地表沉降的變化規(guī)律，并和現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。結(jié)果表明，所建模型可以較好地模擬不同施工條件下的基坑變形，研究所得相關(guān)結(jié)果可供設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：基坑；MIDAS-GTS有限元分析軟件；水位；地下連續(xù)墻；變形

0引言

城市地鐵建設(shè)過程中涉及到眾多的地鐵車站深大復(fù)雜基坑，其開挖深度和施工環(huán)境復(fù)雜程度均呈不斷加大趨勢,需要針對性地分析計算[1-8]。

蓋挖逆作法作為一種新型的施工方法，將主體結(jié)構(gòu)的樓板、梁、柱等作為基坑開挖時的支護(hù)體系，有利于節(jié)省開支和減小對周邊環(huán)境的影響，但其施工過程復(fù)雜，必須加強其施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測[9-13]。

本文以合肥地鐵1、2號線換乘車站臨河蓋挖逆作深大基坑工程為背景，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過MIDAS-GTS有限元數(shù)值模擬，分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和基坑周邊地表沉降的變化規(guī)律[14-15]。

1工程概況及地質(zhì)條件

(1) 工程概況。本工程為合肥市軌道交通1號線與2號線的換乘站，即大東門車站深大基坑，位于勝利路和長江東路交叉路口西側(cè)，如圖1所示。其中，1號線車站位于勝利路(現(xiàn)狀為雙向6車道)下方，近似南北向敷設(shè)；2號線車站位于長江東路下方(現(xiàn)狀為雙向4車道)，近似東西向敷設(shè)，兩站斜交，呈T型換乘。1號線車站在下，2號線車站在上，兩站同期實施。1號線車站上方需同期建設(shè)市政下穿路，該下穿路待車站主體結(jié)構(gòu)施工完后再進(jìn)行施工。南淝河從車站西側(cè)和南側(cè)繞過，1號線車站主體基坑圍護(hù)離河較近，距河堤約為24 m，2號線基坑盾構(gòu)井段圍護(hù)結(jié)構(gòu)距河堤僅為4.9 m。1號線車站為地下4層站，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約為31.7 m，寬約為23.3 m；2號線部分為地下3層站，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約為24.4 m，寬約為23.3 m；車站覆土大部分約為4 m，最小覆土約為1 m，最大覆土約為5.3m。車站主體基坑采用蓋挖逆作法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。采用止水帷幕和坑內(nèi)疏干井結(jié)合的地下水控制方案，1號線和2號線車站主體共布置疏干井33眼，井深為29 m，井間距為20 m。

圖1　車站周邊環(huán)境圖

(2) 地質(zhì)條件。本場地屬于南淝河河床與河漫灘地層，即工程地質(zhì)Ⅱ單元，線路地形基本平坦，自然地面標(biāo)高在14～16 m之間。1號線車站標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)底板埋深約為31.7 m(底板所在土層為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖⑥2層)，2號線車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約為24.4 m(底板所在土層為強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖⑥1層)，基坑側(cè)壁土層自上而下主要為雜填土①1層、粉質(zhì)黏土②1層、粉土②2層、粉細(xì)砂②3層、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖⑥1層、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖⑥2層。

地下水類型分別為上層滯水(一)和承壓水(三)。上層滯水(一)水頭埋深為1.35～5.50 m，水頭標(biāo)高為10.17～13.98 m，含水層為粉質(zhì)黏土填土①層、雜填土①1層。承壓水(三)水頭埋深為1.20～4.90 m，水頭標(biāo)高為10.77～14.17 m，水頭高度為6.10～14.55 m，含水層主要為粉土②2層、粉細(xì)砂②3層。土層參數(shù)見表1所列。

表1　基坑土層主要物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表

2基坑開挖模擬

2.1三維數(shù)值計算模型建立

本文只介紹工況1的建模過程，工況1為1、2號線車站的三維交叉數(shù)值計算模型。1號線主體結(jié)構(gòu)長度為140 m(南北走向)，寬度為23.3 m，2號線主體結(jié)構(gòu)全長約為160 m，但是因為研究重點為1號線圍護(hù)結(jié)構(gòu)，故只截取約80 m長，寬為23.3 m。土體計算范圍尺寸取540 m×323.3 m×95.7 m的長方形計算區(qū)域。

(1) 基坑開挖深度。1號線地下4層，共開挖5次，第1層開挖需回填，平均開挖深度為31.5 m；2號線為地下3層，共開挖4次，第1層開挖需回填，平均開挖深度約為24 m。

(2) 基坑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻厚度。1號線部分為1.2 m，2號線及1、3號風(fēng)道部分為1 m。以地下樓板作為基坑的內(nèi)支撐，并將鋼管立柱打入巖石層用以支撐樓板。土體的本構(gòu)模型選用莫爾-庫倫彈塑性模型，地下連續(xù)墻、樓板內(nèi)支撐均采用二維板單元結(jié)構(gòu)模型，鋼管立柱采用一維梁單元模型。

在模型的豎向邊界處限定水平方向的位移，在模型的底面邊界處限定水平和豎直方向的位移。同時,由于南淝河的影響，考慮水頭邊界條件，模型左側(cè)邊界靠近南淝河附近的初始水頭主要由南淝河的河流水位控制，而模型右側(cè)邊界的初始水頭邊界主要由勘察得到的地下水位控制。降水方案在每次基坑開挖前，將地下水位降至坑底0.5～1 m。其中1號線的模型有5次降水，而2號線只到第4次降水。

2.2模型施工階段

開始通過初始滲流和初始位移得到初始孔隙水壓和初始應(yīng)力場，然后打入圍護(hù)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行降水、開挖和回填。本模型分成五步開挖模擬各個主要階段計算分析，在MIDA S/GTS有限元分析軟件里，對各個工況采取激活和鈍化的方式來實現(xiàn)。

3計算結(jié)果及分析

3.1地表沉降模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

該基坑最大開挖深度為31 m，地面沉降監(jiān)測點布置在離基坑距離為0～70 m范圍內(nèi)，以1號線車站橫向中線位置的一系列沉降測點沉降值為分析對象。圖2所示為數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測值的對比情況。可以看出，地表沉降模擬值和實際監(jiān)測值雖然在數(shù)值上存在一定的差異，但整體變化趨勢一致，證明所建的1、2號線車站三維交叉模型的可行性。

圖2　地表沉降模擬值與監(jiān)測值對比圖

在基坑邊緣15～20 m，地表沉降值最大，且最大值在安全范圍內(nèi)。當(dāng)距基坑壁距離大于60 m后，地表沉降值逐漸趨于穩(wěn)定，并且在每步開挖下，實測最大沉降值比數(shù)值模擬值大。

3.2交叉模型和單獨模型對比

考慮如下2種工況，即工況1：基于1、2號線車站交叉整體模型；工況2：基于1號線車站單獨模型。

圖3、圖4所示在工況1和工況2時，不同開挖階段，地下連續(xù)墻中間位置沿豎向方向上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向變形值變化規(guī)律。可以看出，由于基坑上部土體壓力較小，位移較小，隨著開挖深度增加，主動土壓力也隨之增大，且基坑下部土體受濕陷性影響，強度迅速減小，位移急劇增大。又由于樁入土部分對底部位移的約束作用，導(dǎo)致水平位移曲線從上至下呈中間大兩頭小的弓型，最大值均約在2/3～3/4H深度處，而順作法地下連續(xù)墻最大水平位移處大致位于基底開挖面處；無論是在靠河側(cè)、背河側(cè)，連續(xù)墻側(cè)向位移均隨著開挖深度的增大而迅速增大，尤其是在距離地面深度為12 m以下，其增大趨勢更為明顯，這為兩側(cè)連續(xù)墻隨著開挖進(jìn)行而所具有的共性。

圖3　工況1下1號線連續(xù)墻橫向變形圖

圖4　工況2下1號線連續(xù)墻橫向變形圖

由圖3可知，靠河側(cè)連續(xù)墻每開挖一步的側(cè)向位移均大于背河一側(cè)的位移，其中開挖1最大位移靠河側(cè)約為3 mm，背河側(cè)約為1 mm；開挖2最大位移靠河側(cè)約為9 mm，背河側(cè)約為6 mm；開挖3最大位移靠河側(cè)約為12 mm，背河側(cè)約為8 mm；開挖4最大位移靠河側(cè)約為16 mm，背河側(cè)約為12 mm；開挖5最大位移靠河側(cè)約為19 mm，背河側(cè)約為15 mm。

對比分析2種工況下連續(xù)墻的變形情況，工況1最大位移位置位于2/3～3/4H處，而工況2最大位移位置位于1/2～2/3H處，說明1、2號線基坑交叉開挖使1號線連續(xù)墻的位移最大值整體下移。

3.3不同河水水位條件下模型計算分析

工況3(南淝河河流水位為常水位91.2 m)中基坑周圍的孔隙水壓力分布云圖如圖5所示，可以看出，隨著基坑降水開挖進(jìn)行，基坑周邊形成一個非穩(wěn)定復(fù)雜的滲流場，孔隙水壓力分布不均勻。在5次降水過程中，雖然南淝河河流水位基本保持不變，坑外地表水位不斷下降，且土體中的孔隙水壓力也在降低，孔隙水壓力線呈連續(xù)漏斗狀，靠近墻體處孔隙水壓力變化最大。離墻體越遠(yuǎn)，降水開挖對孔隙水壓變化影響越小，降水自由面之上和降水影響范圍內(nèi)形成負(fù)超靜孔隙水壓力，隨著降水持續(xù)，負(fù)超靜孔隙水壓不斷增大。同時，對比2種情況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，可知在南淝河水位為洪水位的情況下，其連續(xù)墻側(cè)向最大位移值比水位為常水位時明顯增大，說明河流流動水位對連續(xù)墻側(cè)向位移的影響較明顯，應(yīng)予以慎重考慮。圖6所示為不同水位下，基坑臨河側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形值。

圖5　工況3孔隙水壓分布

圖6　不同水位下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形值對比

此外，河水滲流對地表沉降也有一定的影響。靠河側(cè)地面最大沉降值明顯大于背河側(cè)的沉降值，這是由于河流滲透作用引起的土層沉降。同時比較工況3與工況4基坑周邊地表沉降最大值，可知南淝河水位為特大洪水位的情況下，其地表沉降值比常水位時大，說明河流流動水位對地面沉降也有較大的影響。

4結(jié)論

(1) 基坑外地表的沉降變形曲線大致呈凹形槽分布，計算模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果有較好的吻合度，證明所建模型的合理性。

(2) 逆作法施工時，地下連續(xù)墻的水平位移曲線從上至下呈中間大兩頭小的弓型，與順作法發(fā)生在基底開挖面附近有顯著不同；1、2號線基坑交叉開挖使1號線連續(xù)墻的位移最大值整體下移。

(3) 由于基坑臨近河水，基坑兩側(cè)受到非對稱荷載作用，相比背河側(cè)，靠河側(cè)的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形值較大。

(4) 南淝河河流水位的變化與地下水連通引起的滲流應(yīng)力耦合對基坑的變形影響較大，水位升高時，地下連續(xù)墻的水平位移和基坑周邊地表沉降均變大。

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收稿日期：2016-02-19；修改日期：2016-02-23

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51179043；41402256)

作者簡介：劉誠(1990- )，男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；朱大勇(1965-)，男，安徽樅陽人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授．

中圖分類號：TU470

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0001-04