西安地鐵某車站深基坑開挖變形特性分析

孫建超，毛紅梅，高攀科，張華兵，劉大鵬

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2．中交遠(yuǎn)洲工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050035)

近年來，城市軌道交通迅猛發(fā)展，地鐵深基坑開挖施工引起地面沉降、周邊建筑物下沉和傾斜等問題越來越多，甚至引起路面塌陷等安全事故。為確保施工中周邊建筑物和道路的安全，有效控制地表沉降和變形，指導(dǎo)基坑的開挖工作，地鐵深基坑開挖引起的地表沉降的數(shù)值分析和監(jiān)測研究顯得尤為重要。夏雄等[1]研究了常州某地鐵站基坑施工臨近地面沉降的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基坑開挖引起的地表變形總體呈“凹槽形”，可近似用多項式進行擬合，地表沉降最大值距離地下連續(xù)墻約0.5H(H為基坑開挖深度)，地面隆起出現(xiàn)在距離基坑斷面較遠(yuǎn)處。李全文[2]對深厚軟土地區(qū)地鐵車站基坑施工對周邊地表的影響進行研究，結(jié)果表明地表沉降橫斷面隨著基坑開挖深度的增加逐漸從“三角形”形沉降轉(zhuǎn)向“拋物線”形沉降。王玉田等[3]運用有限元分析結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測的方法，分析了青島地鐵車站基坑開挖引起的地表沉降及圍護結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律，結(jié)果表明在基坑開挖支護施工過程中，圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向水平變形沿基坑開挖深度的變化曲線逐步由“懸臂式” 發(fā)展為“弓形”，最大水平位移值位于基坑最大開挖深度的 2/3 處，周邊地表沉降隨著到基坑邊緣距離的變化逐步由“三角形”發(fā)展為“凹槽形”，地表最大沉降位置距離基坑邊緣9 m處。代朋飛[4]研究了合肥地鐵盾構(gòu)法施工引起地表沉降的變化規(guī)律，運用有限元建模分析開挖與地表沉降的關(guān)系并與實測數(shù)據(jù)進行對比，得到不同開挖方案的地表沉降曲線，通過對比同組沉降曲線的變化特征進而得到隧道埋深、注漿強度、掘進力對地表沉降的影響規(guī)律，利用地表沉降的規(guī)律對地鐵建設(shè)工程提出控制地表沉降的有效措施。李永靖等[5]在理論分析的基礎(chǔ)上，提出了地表沉降數(shù)值計算模型，并對模型中的參數(shù)進行分析，結(jié)果表明考慮支護結(jié)構(gòu)側(cè)移影響下建立起來的數(shù)值計算模型具有一定的合理性，能夠很好地預(yù)測基坑周圍地表的沉降趨勢。而西安地區(qū)存在地裂縫的地質(zhì)災(zāi)害[6]，關(guān)于西安地鐵深基坑開挖變形分析的實例和監(jiān)測數(shù)據(jù)還不多見，因此對基坑開挖引起變形分析的研究對施工安全尤為重要。

本文運用ABAQUS有限元模擬分析與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，對某地鐵車站深基坑開挖引起周邊地表沉降和圍護結(jié)構(gòu)變形進行模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析沉降和變形規(guī)律，研究結(jié)果可指導(dǎo)現(xiàn)場的基坑開挖和監(jiān)測工作，確保基坑開挖及周邊環(huán)境的安全。

1 工程概況及周邊環(huán)境

該車站主體結(jié)構(gòu)尺寸為159.1 m×22.3 m(標(biāo)準(zhǔn)段寬)的地下三層換乘站，車站地下一層為站廳層，地下二層為設(shè)備層，站臺位于地下三層，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，車站結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 車站結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the station structure

車站中部標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬22.3 m，深度23.24 m，北端頭井寬26.3 m，基坑深24.5 m，南部擴大端寬24.4 m，開挖量約為85 043 m3，采用半蓋挖順做法施工。基坑圍護采用1000 mm厚地下連續(xù)墻，深約41.24 m，標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)6道內(nèi)支撐，其中第一道為1200 mm×1000 mm的鋼筋混凝土支撐，第五道和第六道為800 mm(鋼管壁厚t=16 mm)的鋼管支撐，其余均為609 mm(t=16 mm)鋼管支撐。

該車站沿道路布設(shè)，東側(cè)是8層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，距車站基坑20 m；西側(cè)是2～4層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑，兩棟建筑均有地下室。車站東南側(cè)為商業(yè)廣場，車站南端緊貼已運營的地鐵2號線，站址北側(cè)為空地約800 m2。車站基坑平面及周邊建筑示意如圖2所示，施工場地狹小，該基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，又緊鄰已運營的既有地鐵線路，基坑開挖深度大，施工風(fēng)險高，地表沉降的控制顯得尤為重要。

圖2 車站基坑及周邊建筑平面示意圖Fig.2 Schematic of the foundation pit and surrounding buildings of the station

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

2.1 工程地質(zhì)

該站基坑開挖范圍地層從上到下依序為雜填土、粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、黏土、含卵礫石粉質(zhì)黏土和泥質(zhì)粉砂巖。車站底板位于粉質(zhì)黏土層，地連墻墻趾主要位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，地層分布情況如表1所示。

表1 地層分布情況表

根據(jù)勘察報告，場地未發(fā)現(xiàn)巖溶、滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等不良地質(zhì)作用，場地范圍內(nèi)的粉土為輕微液化土層，埋藏淺、厚度較小，車站底板部分位于液化土層以下。

2.2 水文地質(zhì)

本段地下水類型分別為地表水、孔隙潛水和弱承壓水3種類型。孔隙潛水主要位于雜填土層、粉質(zhì)黏土層，對車站基坑開挖影響較大，施工時需在基坑內(nèi)設(shè)置降水井，在施工前對基坑內(nèi)采用疏干降水，對承壓水層根據(jù)按需降水原則進行降水。弱承壓水主要賦存于含卵礫石粉質(zhì)黏土，隔水頂板為粉質(zhì)黏土，對工程影響較小。

3 基坑開挖對地表影響模擬計算

3.1 基本假定

在建立基坑開挖模型時作了如下假定：各層土體水平狀分布且是各向同性的彈塑性材料，不考慮地下水的影響，只考慮土的豎向自重應(yīng)力，按不排水條件下的基坑進行開挖，不考慮時間因素對土體變形的影響[7-9]，地下連續(xù)墻和支撐結(jié)構(gòu)為彈性體，土體為服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的均質(zhì)彈塑性體。

3.2 模型的參數(shù)選取

運用ABAQUS建立三維基坑開挖模型，長度和和寬度方向取2倍實際尺寸的影響范圍，深度方向取3倍的影響范圍，模型尺寸為300 m×110 m×60 m，本例中土體采用三維八節(jié)點實體減縮積分單元(C3D8R)進行模擬，圍護結(jié)構(gòu)采用四節(jié)點減縮積分的殼單元(S4R)，支撐結(jié)構(gòu)采用兩節(jié)點梁單元(B31)，地下連續(xù)墻與土體間采用硬接觸關(guān)系，支撐與圍護結(jié)構(gòu)采用ABAQUS中的tie進行約束。模型在模擬計算中取位移邊界約束取為：模型的頂面為自由邊界面；底面3個方向都約束，短邊兩個面約束X方向位移，長邊兩個面約束Y方向位移。土體和連續(xù)墻模型的網(wǎng)格劃分見圖3～4。

圖3 模型土體網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Grid division of soil

圖4 地連墻的網(wǎng)格劃分圖 Fig.4 Grid division of diaphragm wall

地基土的參數(shù)根據(jù)勘察報告如表2所示，支護結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)如表3所示，開挖前先進行初始地應(yīng)力平衡，然后施做地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)，共分7個工況進行開挖和支護，首先開挖到-1.2 m，施作第一道混凝土支撐，然后依次開挖支撐，每次開挖深度為4 m左右，第六道支撐施工完成后，開挖至設(shè)計深度，施工工況情況如表4所示。

表2 地基土的計算參數(shù)

表3 支護結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)

表4 施工工況模擬表

3.3 有限元計算結(jié)果分析

3.3.1 周邊地表沉降分析

基坑的開挖會導(dǎo)致周圍土體應(yīng)力重分布，發(fā)生地層的移動，引起地面沉降[10-13]。沉降的大小直接影響周邊環(huán)境的安全。本文選取基坑的長邊和短邊沉降量最大的中點位置進行地面沉降分析，總結(jié)地表沉降隨開挖的變形規(guī)律[14-15]。地表沉降如圖5所示，U3表示沉降變形量，單位為mm，長邊和短邊中點處周邊地表沉降隨基坑開挖變化曲線如圖6和圖7所示。

圖5 地表沉降和坑底隆起情況Fig.5 Surfacesettlement and pit bottom uplift

圖6 長邊中點處周邊地表沉降Fig.6 Ground settlement around the midpoint of the long edge

圖7 短邊中點處周邊地表沉降Fig.7 Ground settlement around the midpoint of the short edge

從圖6和圖7可以看出，基坑長邊的沉降主要影響范圍比短邊大，坑底隆起最大值為14.88 mm，周邊地表最大沉降為3.298 mm。由圖6可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，周邊地表沉降也在不斷變大，曲線形態(tài)隨著開挖深度的增加由開始時的“三角形”逐漸變?yōu)椤鞍疾坌巍保鞴r最大沉降量都出現(xiàn)在距基坑邊緣11 m(0.5H)左右的位置，距基坑邊緣0～25 m內(nèi)沉降量最大，施工中應(yīng)重點關(guān)注[16-17]。通過圖7可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，地面沉降也在不斷變大，曲線變化呈拋物線型，各工況最大沉降量都出現(xiàn)在距基坑邊緣7 m(0.3H)左右的位置，距基坑邊緣0～22 m內(nèi)沉降量最大，施工中應(yīng)重點關(guān)注，地面沉降最大值發(fā)生在長邊一側(cè)。基坑開挖長邊對地表沉降影響范圍為1.72倍開挖深度，約為40 m；短邊對地表沉降的影響范圍為1.59倍開挖深度，約為37 m，超過后影響很小。

3.3.2 圍護結(jié)構(gòu)變形

隨著開挖深度的增加，圍護結(jié)構(gòu)會向臨空方向發(fā)生較大變形，選取長邊中點處的圍護結(jié)構(gòu)變形進行分析，圍護結(jié)構(gòu)的變形如圖8所示，U2表示圍護結(jié)構(gòu)向臨空方向的位移，單位為mm，各工況下長邊中點處圍護結(jié)構(gòu)位移如圖9所示。

圖8 圍護結(jié)構(gòu)位移Fig.8 Displacement of the retaining structure

圖9 長邊中點處圍護結(jié)構(gòu)位移Fig.9 Displacement of the retaining structure at the midpoint of the long edge

由圖8、9可以看出，隨著開挖深度的增加，圍護結(jié)構(gòu)的位移也逐漸增大，最大位移位置有逐漸下移的趨勢，曲線由“懸臂式”變?yōu)椤皰佄锞€形”，最大變形出現(xiàn)在深度12.5 m(約0.5H)左右的位置，最大位移為11.05 mm，在此位置附近要加強支撐，防止產(chǎn)生過大變形；深度26 m以下位移都在1 mm以下，圍護結(jié)構(gòu)墻底位移近似為0，分析原因是圍護結(jié)構(gòu)已經(jīng)嵌入巖層。短邊圍護結(jié)構(gòu)位移整體比長邊小，變化規(guī)律與長邊相似，在此不再贅述。

4 與實測數(shù)據(jù)的對比分析

本文重點關(guān)注地表沉降監(jiān)測情況與數(shù)值模擬的對比情況，選取長邊基坑中點處的地表沉降監(jiān)測斷面，長邊中點處周邊地表沉降實測值如圖10所示。由圖10可以看出，隨著基坑的開挖深度增加，地表沉降也在逐漸增大，曲線呈拋物線形，各工況最大沉降出現(xiàn)在距基坑邊緣約10 m處，與模擬的最大沉降距基坑邊緣約11 m處相近；主要影響范圍為0～20 m，與模擬計算的0～25 m影響范圍吻合；實測最大地表沉降為5.30 mm，與模擬的最大沉降3.298 mm有一定差距，主要原因在于場地內(nèi)的部分土層結(jié)構(gòu)松散，分布不均，而建模時假定同一土層參數(shù)相同，加之模擬中主要考慮開挖引起的地表沉降，沒有考慮基坑周邊建筑物和其他荷載的影響；但是模擬值與實測值的地表沉降曲線變化規(guī)律基本一致，驗證了模擬計算的合理性，在施工中還要做好建筑物和地面沉降監(jiān)測工作，確保安全。

圖10 長邊中點處周邊地表沉降實測值Fig.10 Measured value of ground settlement around the midpoint of the long edge

5 結(jié)論

本文以西安地鐵車站深基坑工程為背景，運用ABAQUS進行模擬分析計算，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，主要分析基坑開挖引起的圍護結(jié)構(gòu)變形和周邊地表沉降的變化規(guī)律，并將周邊地表沉降的模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值進行對比，得到以下結(jié)論：

(1)基坑開挖中的周邊地表沉降的模擬變化規(guī)律為：沉降曲線隨著開挖深度的增加逐漸增大；同一工況下，隨著距基坑邊緣距離的增大，沉降是先增大，后減小，地表最大沉降位置在距離基坑邊緣約11 m處；長邊為距基坑邊緣0～25 m范圍內(nèi)沉降量最大，短邊為距基坑邊緣0～22 m范圍內(nèi)沉降量最大，施工中應(yīng)作為監(jiān)測的重點。

(2)模擬分析中，圍護結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在深度11 m(0.5H)左右的位置，最大位移為11.05 mm，深度26 m以下的位移都在1 mm以下，施工中要加強0～21 m深度范圍內(nèi)的監(jiān)測。

(3)實測周邊地表沉降值大于模擬值，但是實測值與模擬值曲線的變化規(guī)律一致，最大沉降位置與模擬值相近，主要影響范圍也一致。

今后的研究中，還需考慮基坑周邊建筑物及其他荷載對基坑開挖引起地表沉降的影響，施工中應(yīng)加強對臨近建筑物變形和地表沉降的監(jiān)測。