基于數(shù)值計(jì)算方法的地鐵車站深基坑施工變形規(guī)律研究

羅小剛，劉應(yīng)軍

（深圳市地鐵集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518026）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵成為人們出行的重要交通方式。完整的地鐵線路上會(huì)修建很多的車站，車站基坑的施工就顯得尤為重要[1]?；娱_挖會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，造成周邊地表土體沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，從而會(huì)給基坑本身和周圍環(huán)境帶來不安全因素，因而要選用合適的圍護(hù)結(jié)構(gòu)[2]。鑒于此，施工過程中對基坑進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量和監(jiān)測，內(nèi)容有基坑周圍地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌握基坑施工過程中的狀況，避免出現(xiàn)因施工過程中變形過大而導(dǎo)致的安全事故。首次將有限元法應(yīng)用于基坑工程的是Duncan和Chang[3-4]，他們對土體本構(gòu)關(guān)系采用雙曲線非線性彈性模型進(jìn)行研究，利用有限元數(shù)值方法對邊坡開挖的性狀做了模擬分析，并將模擬所得值與實(shí)測值進(jìn)行對比。得出有限元法可以有效預(yù)測邊坡開挖的結(jié)論。張浚厚[5]在2008年依托某實(shí)際隧道施工工程，利用數(shù)值模擬軟件，通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果作對比，揭示了地鐵隧道在施工開挖過程中所受力學(xué)機(jī)理。鄭江[6]在2011年針對數(shù)值模擬的局限性，提出了采用非線性應(yīng)力應(yīng)變的模擬方法可以更貼合工程實(shí)際中所產(chǎn)生的變性規(guī)律，克服了施工過程中多種因素的影響。陳志遠(yuǎn)等[7]在2014年對基坑工程“拆撐”的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測和分析。

文章采用數(shù)值計(jì)算方法，模擬深圳地鐵某地鐵車站基坑開挖施工過程，研究了基坑周圍地表沉降量和樁式圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔樁的水平位移量，為基坑工程提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

1 數(shù)值計(jì)算分析方法

1.1 工程概況

深圳地鐵某車站基坑呈東西向布量，為地下二層島式站臺(tái)車站，局部3～4層，為雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)，車站總長172.8m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.4m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為22.4m，深度約為17.9m，頂板覆土約3.5m（局部位置深度22.6～29.3m，頂板覆土約2.5m）。共設(shè)2組風(fēng)亭、3個(gè)出入口。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

本次基坑施工采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行模擬，依據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料和實(shí)際工程施工，建立了三維計(jì)算模型。考慮到相關(guān)的尺寸效應(yīng)和相應(yīng)的基坑施工規(guī)范，基坑數(shù)值模型的幾何尺寸一般取基坑開挖深度的3～5倍，模型的最終尺寸為長173m、寬120m、高90m。模型分為7層土，分別為雜填土、全風(fēng)化粉砂巖、土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、塊狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖、微風(fēng)化粉砂巖、碎裂石。整體三維模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

在實(shí)際模擬工程中，由于松元廈車站為地下二層島式站臺(tái)車站，局部車站是3～4層，并且該車站基坑長度較狹長，對于基坑施工階段的模擬較復(fù)雜。比較基坑1-1、2-2、3-3、4-4、5-5，1-1截面為4層車站，1-1是基坑最復(fù)雜的截面，因而選取1-1截面為標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行二維建模分析計(jì)算。1-1截面處是樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)φ1500mm鉆孔樁和φ1500mm抗拔樁，除了模型上表面是自由約束外，其余五個(gè)面分別進(jìn)行位移約束。施加自重為靜力荷載。在不影響分析結(jié)果的前提下，對模型進(jìn)行假設(shè)，具體假設(shè)如下：

（1）模型土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)材料為各向同性，土體本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫類型，支護(hù)結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型采用彈性類型。

（2）模型土層劃分按照均質(zhì)土考慮，并且計(jì)算過程中不考慮滲流作用。

（3）對于模型的屬性，將各個(gè)土體定義為2D平面應(yīng)變類型，地連墻、混凝土支撐、鋼支撐，定義為1D梁類型。為了能使1D單元耦合該模型，采用的方法是先建立2D單元，然后再在2D單元上析取1D單元。

（4）在有限元分析軟件模擬施工過程中不考慮實(shí)際施工的工序和時(shí)間效應(yīng)等對于土體的力學(xué)影響。

1.3 力學(xué)參數(shù)

巖石物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)材料屬性如表1、表2所示。

1.4 數(shù)值計(jì)算分析步驟

模擬計(jì)算基坑開挖和施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，施工工況模擬步驟如表3所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 坑底隆起變化

基坑施工坑底隆起位移結(jié)果圖如圖2所示。由圖可知：（1）樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔樁施工后，巖石土層應(yīng)力場重分布，鉆孔樁周圍的巖石土層會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩鉆孔樁間的巖石土體發(fā)生的沉降要比同深度的要大，此時(shí)基坑底部最大豎向沉降量為6.65mm；（2）開挖第一層土體，深度為4.3m，施加混凝土支撐，此時(shí)基坑底部最大沉降量為4.89mm，在坑底兩側(cè)，而在坑底中心沉降量最小，為0.73mm，所以基坑坑底呈隆起狀；（3）開挖第二層土體，深度4.7m，施加混凝土支撐，此時(shí)地表最大沉降量在坑底兩側(cè)，為3.2mm，坑底中心出現(xiàn)隆起，隆起量為6.55mm，坑底呈隆起狀；（4）開挖第三層土體，深度5.9m，施加鋼支撐，此時(shí)地表最大沉降量出現(xiàn)在坑底兩側(cè)，為1.57mm，坑底中心出現(xiàn)隆起，隆起量為11.36mm，坑底呈隆起狀；（5）開挖第四層土體，深度6.1m，施加混凝土支撐，此時(shí)地表最大沉降量出現(xiàn)在坑底兩側(cè)，為4.44mm，坑底中心出現(xiàn)隆起，隆起量為16.58mm，坑底呈隆起狀；（6）開挖第五層土體，深度6.1m，施加混凝土支撐，此時(shí)坑底都是隆起，最大隆起量出現(xiàn)在坑底中心，為24.72mm，坑底呈隆起狀；（7）開挖第六層土體，深度4.0m，此時(shí)地表最大沉降量出現(xiàn)在坑底兩側(cè)，為6.34mm，坑底中心出現(xiàn)隆起，隆起量為32.51mm，坑底呈隆起狀；（8）抗拔樁施工，地表最大沉降量出現(xiàn)在坑底兩側(cè)，為6.66mm，坑底中心出現(xiàn)隆起，隆起量為31.16mm，坑底呈隆起狀。

表1 巖石物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料屬性

表3 基坑開挖步驟

2.2 樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔樁的彎矩

圖2 基坑坑底豎向位移曲線圖

基坑開挖過程在不同開挖深度下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖如圖3所示。由圖3可知：（1）隨著開挖層數(shù)的增加，鉆孔樁最大彎矩值最大值分別為19.95kN·m、220.51kN·m、1453.21kN·m、1448.30kN·m、1505.14kN·m、1939.24kN·m、2034.22kN·m，增加的速率為1005.3%、559.0%、-0.3%、3.9%、28.8%、4.8%；在樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔樁施工后，最大彎矩出現(xiàn)在基坑深度24m，當(dāng)開挖第一層到第三層過程中，最大彎矩位置隨深度的增加而向下移，當(dāng)開挖到第三層后，最大彎矩位置就不變了。（2）基坑在開挖第一、二、四、五層后都施加混凝土支撐，在開挖第三層后施加鋼支撐，并在鋼支撐兩邊施加預(yù)加力1500kN，在開挖第六層后沒有施加支撐。

3 結(jié)束語

依托深圳市地鐵某地鐵車站基坑工程，采用數(shù)值計(jì)算分析方法，模擬計(jì)算地表沉降量和樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔樁的水平位移，可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著基坑的開挖，基坑底部隆起值差距逐漸擴(kuò)大，基坑底部呈現(xiàn)出“包”狀凸起，最大值集中在基坑中線位置。

（2）當(dāng)進(jìn)行到基坑開挖施工步驟的抗拔樁的施工后，坑底隆起差值比上一步縮小2.72%，說明抗拔樁的施工能緩解基坑底部隆起值差值擴(kuò)大。

（3）在基坑開挖過程中，施作混凝土支撐會(huì)加速圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩值的增加，但是施作鋼結(jié)構(gòu)支撐并在兩邊施加預(yù)應(yīng)力能夠有效地降低最大彎矩值，并且使最大彎矩的位置一直保持在鋼支撐附近。

圖3 鉆孔樁彎矩圖