臺(tái)階后退式開(kāi)挖對(duì)基坑圍護(hù)樁的變形影響分析

張?zhí)斐?方詩(shī)圣 應(yīng)克忠 趙 旭

1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 安徽 合肥 230002；

2.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司 安徽 合肥 230011

對(duì)于地鐵深基坑的研究而言，數(shù)值模擬是一個(gè)重要的方法。

王峰等[1]以成都某地鐵深基坑為實(shí)例建立了二維數(shù)值模型，采用分層開(kāi)挖方法。結(jié)果表明樁體變化曲線呈現(xiàn)弓形，樁體最大位移值也隨著開(kāi)挖深度的增加而下降。

吳意謙等[2]以蘭州市某地鐵深基坑為依托，采用分層開(kāi)挖方法并將圍護(hù)樁等效成地下連續(xù)墻建立三維數(shù)值模型。結(jié)果表明鉆孔灌注樁＋內(nèi)支撐能夠有效地抑制基坑的變形，同時(shí)也提出了如何改進(jìn)計(jì)算精度、提高結(jié)果的真實(shí)性是今后需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

深基坑工程是一個(gè)三維空間結(jié)構(gòu)，具有空間效應(yīng)特性[3]，因此采取二維數(shù)值模擬，無(wú)法很好地反映其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)變化。同時(shí)學(xué)者在建立基坑圍護(hù)樁時(shí)大多利用等效剛度法將其替換成地下連續(xù)墻，且對(duì)于地鐵開(kāi)挖方式的模擬大多采用的是將土體分層開(kāi)挖，與實(shí)際工程有一定的區(qū)別[4-7]。

本文結(jié)合合肥某地鐵深基坑，利用Midas/GTS有限元軟件對(duì)比了圍護(hù)樁在土體分層開(kāi)挖和土體臺(tái)階后退式開(kāi)挖下的區(qū)別，同時(shí)結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出一些關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨臺(tái)階后退式開(kāi)挖的變形規(guī)律。

1 工程概述

1.1 工程概況

合肥某地鐵車站主體為地下三層三跨島式站臺(tái)車站，結(jié)構(gòu)形式為三層三跨矩形框架結(jié)構(gòu)。車站主體總長(zhǎng)度167.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬度22.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度25.03～25.14 m。其中南方端頭處與另一條地鐵線路相匯，本文中不對(duì)其進(jìn)行討論。車站位置和尺寸如圖1所示，其中1、2、3、4代表4個(gè)斷面。

圖1 地鐵車站結(jié)構(gòu)平面示意

1.2 工程地質(zhì)條件

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，根據(jù)沿線勘察揭露的地層沉積年代、成因類型和巖性特征，將本勘察單元范圍內(nèi)的巖土層劃分為6個(gè)單元層和若干個(gè)亞層（表1）。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 支護(hù)方案

支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁＋內(nèi)支撐。基坑圍護(hù)樁采用φ1 200 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁，圍護(hù)樁間采用網(wǎng)噴混凝土（砂漿）護(hù)壁，基坑兩側(cè)圍護(hù)樁上方采取鋼筋混凝土擋土墻圍護(hù)。內(nèi)支撐采用鋼支撐與混凝土支撐，第1道為混凝土支撐，第2、3、4、5道為鋼支撐（其中，第2、3、5道為φ609 mm、壁厚16 mm的鋼管支撐，第4道為φ800 mm、壁厚18 mm的鋼管支撐。

第1道混凝土支撐位于地下－1 m處，基坑兩側(cè)有擋土墻；第2道鋼支撐位于地下－6 m處；第3道鋼支撐位于地下－9.8 m處；第4道鋼支撐位于地下－13.6 m處；第5道鋼支撐位于地下－19.4 m處。鋼支撐預(yù)加軸力如表2所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意

表2 鋼支撐預(yù)加軸力

2 計(jì)算模型

2.1 模型的建立

采用有限元軟件Midas/GTS對(duì)此地鐵站深基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。圣維南原理和目前大量工程經(jīng)驗(yàn)表明：地鐵車站基坑開(kāi)挖對(duì)周圍土體影響的范圍大致為3～5倍開(kāi)挖寬度、3倍開(kāi)挖深度。所以取土體邊界長(zhǎng)為187 m、寬為220 m、深度為75 m。有限元計(jì)算模型如圖3所示。邊界條件為土體模型側(cè)面約束法向位移和底部約束3個(gè)方向的位移。

圖3 有限元計(jì)算模型

土的本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫(kù)侖模型，圍護(hù)樁、鋼支撐、混凝土支撐、格構(gòu)柱和鋼圍檁均采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬；抗拔樁采用直插式梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬；擋土墻以及樁間噴射的混凝土采用板單元來(lái)模擬；土體采用實(shí)體單元來(lái)模擬。

2.2 施工工況模擬

實(shí)際施工時(shí)，首先將基坑開(kāi)挖至地下－1 m處，進(jìn)行鉆孔灌注樁、格構(gòu)柱、抗拔樁、冠梁、混凝土支撐和擋土墻施工。第1層土體開(kāi)挖完成后，剩余采用臺(tái)階后退式開(kāi)挖方法施工，鋼支撐隨挖隨撐。實(shí)際開(kāi)挖步驟如圖4所示。

圖4 實(shí)際開(kāi)挖步驟（單位：m）

針對(duì)本工程的開(kāi)挖方案，在數(shù)值模擬中將其簡(jiǎn)化為分層開(kāi)挖和臺(tái)階后退式開(kāi)挖這2種方式，以研究不同開(kāi)挖方式下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能空間效應(yīng)。

2.2.1 分層開(kāi)挖

1）工況0：初始地應(yīng)力平衡，計(jì)算完成后將位移清零。

2）工況1：開(kāi)挖至地下－1 m處， 鉆孔灌注樁、格構(gòu)柱、抗拔樁、冠梁、混凝土支撐和擋土墻開(kāi)始施工。

3）工況2：開(kāi)挖至地下－6 m處，將整層土體全部挖完，同時(shí)激活第2道鋼支撐和鋼圍檁并施加預(yù)應(yīng)力。

4）工況3；開(kāi)挖至地下－11 m處，將整層土體全部挖完，同時(shí)激活第3道鋼支撐和鋼圍檁并施加預(yù)應(yīng)力。

5）工況4：開(kāi)挖至地下－16 m處，將整層土體全部挖完，同時(shí)激活第4道鋼支撐和鋼圍檁并施加預(yù)應(yīng)力。

6）工況5：開(kāi)挖至地下－21 m處，將整層土體全部挖完，同時(shí)激活第5道鋼支撐和鋼圍檁并施加預(yù)應(yīng)力。

7）工況6：開(kāi)挖至地下－25.1 m處，將整層土體全部挖完。

2.2.2 臺(tái)階后退式開(kāi)挖

將基坑土體分成12個(gè)開(kāi)挖部分，具體如圖5所示。其中網(wǎng)噴混凝土護(hù)壁隨挖隨噴，鋼支撐隨挖隨撐，預(yù)應(yīng)力隨撐隨加。

圖5 基坑簡(jiǎn)化開(kāi)挖示意（單位：m）

1）工況0：初始地應(yīng)力平衡，計(jì)算完成后將位移清零。

2）工況1：開(kāi)挖第1部分土體至地下－1 m處，將整層土體全部挖完，鉆孔灌注樁、格構(gòu)柱、抗拔樁、冠梁、混凝土支撐和擋土墻開(kāi)始施工。

3）工況2：開(kāi)挖第2部分土體至地下－6 m處，基坑向后開(kāi)挖長(zhǎng)度為8.5 m。

4）工況3：開(kāi)挖第3部分土體至地下－11 m處，基坑向后開(kāi)挖長(zhǎng)度為8.5 m。

5）工況4：開(kāi)挖第4部分土體至地下－16 m處，基坑向后開(kāi)挖長(zhǎng)度為8.5 m。

6）工況5：開(kāi)挖第5部分土體至地下－21 m處，基坑向后開(kāi)挖長(zhǎng)度為8.5 m。

7）工況6：開(kāi)挖第6部分土體至地下－25.1 m處，基坑向后開(kāi)挖長(zhǎng)度為8.5 m。

8）工況7：開(kāi)挖第7部分土體，基坑向后開(kāi)挖長(zhǎng)度為8.5m。

9）工況8：開(kāi)挖第8部分土體，基坑向后開(kāi)挖長(zhǎng)度為16m。

10）工況9：開(kāi)挖第9部分土體。

11）工況10：開(kāi)挖第10部分土體。

12）工況11：開(kāi)挖第11部分土體。

13）工況12：開(kāi)挖第12部分土體。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)對(duì)比

3.1 2種開(kāi)挖方案的對(duì)比

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布

圖7為圍護(hù)樁在2種模擬開(kāi)挖方案下的ZQT12側(cè)移計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線。設(shè)沿基坑長(zhǎng)度方向?yàn)閥方向，沿基坑寬度方向?yàn)閤方向。當(dāng)開(kāi)挖完成后，測(cè)點(diǎn)ZQT12監(jiān)測(cè)最大值為18.65 mm，所處深度為－13 m；圍護(hù)樁分層式開(kāi)挖的最大側(cè)移值為27.38 mm，誤差為46.8%，所處深度為－12.55 m，誤差為3.5%；圍護(hù)樁臺(tái)階后退式開(kāi)挖的最大側(cè)移值為17.66 mm，誤差為5.3%，所處深度為－12.52 m，誤差為3.7%。

圖7 ZQT12側(cè)移計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線

結(jié)果表明：在數(shù)值模擬中圍護(hù)樁采用分層式開(kāi)挖的側(cè)移峰值和其所處深度要遠(yuǎn)大于采用臺(tái)階后退式開(kāi)挖，這說(shuō)明土體卸載量大小對(duì)于圍護(hù)樁的影響十分明顯；采用臺(tái)階后退式開(kāi)挖的數(shù)值模擬結(jié)果曲線與實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線趨勢(shì)相近，因此下文的數(shù)值分析中采用的是圍護(hù)樁臺(tái)階后退式開(kāi)挖。

3.2 圍護(hù)樁y方向側(cè)移分析

圖8為端頭井處ZQT12各工況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線。從圖8中可以看出：當(dāng)開(kāi)挖的土體距離未開(kāi)挖處的圍護(hù)樁較遠(yuǎn)時(shí)，未開(kāi)挖處的圍護(hù)樁所受到的影響較小；隨著開(kāi)挖土體逐漸靠近未開(kāi)挖處的圍護(hù)樁，圍護(hù)樁的側(cè)移值逐漸增大，側(cè)移的峰值深度逐漸增大，直至未開(kāi)挖處的圍護(hù)樁周圍土體全部開(kāi)挖完成后達(dá)到最大值。當(dāng)開(kāi)挖完成后，ZQT12監(jiān)測(cè)值最大值為18.65 mm，最大值位于－13 m處，計(jì)算值最大值為17.66 mm，最大值位于－12.52 m處。結(jié)果表明：端頭井處圍護(hù)樁監(jiān)測(cè)值曲線與計(jì)算值曲線趨勢(shì)相近。說(shuō)明該數(shù)值計(jì)算模型、參數(shù)的選取和開(kāi)挖方式的簡(jiǎn)化是合理的，并且精確程度高的計(jì)算結(jié)果可以更好地優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，確保施工的安全性。

圖8 ZQT12各工況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線

圖9為基坑兩側(cè)y方向上的側(cè)移云圖，圖10為標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁同一深度y方向上的側(cè)移曲線（深度為－10.5 m）。

圖9 基坑兩側(cè)y方向上的側(cè)移云圖

圖10 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁同一深度y方向上的側(cè)移曲線

結(jié)果表明：圍護(hù)樁隨著臺(tái)階后退式開(kāi)挖呈現(xiàn)明顯的時(shí)空效應(yīng)。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，圍護(hù)樁存在y方向上的側(cè)移，且側(cè)移方向與臺(tái)階后退式開(kāi)挖的方向相反，側(cè)移的最大值隨著臺(tái)階后退式開(kāi)挖向后移動(dòng)，同時(shí)當(dāng)開(kāi)挖的土體遠(yuǎn)離已開(kāi)挖完成的圍護(hù)樁時(shí)，y方向上的側(cè)移達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定。

兩側(cè)圍護(hù)樁y方向側(cè)移呈現(xiàn)橢圓形分布，橢圓形中間處側(cè)移最大并隨后退開(kāi)挖方向移動(dòng)，直至開(kāi)挖至端頭井處，橢圓形分布變?yōu)榘霗E圓形分布。

3.3 圍護(hù)樁x方向側(cè)移分析

圖11為標(biāo)準(zhǔn)段ZQT10關(guān)鍵工況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線。當(dāng)開(kāi)挖完成后，監(jiān)測(cè)值最大值為16.89 mm，深度為－11.5 m，數(shù)值計(jì)算結(jié)果中x方向最大側(cè)移值為15.92 mm，深度為－10 m，通過(guò)對(duì)比曲線可以看出數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)曲線的趨勢(shì)相近。

圖11 ZQT10關(guān)鍵工況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線

圖12為標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁同一深度x方向上的側(cè)移曲線（深度為－10.5 m），圖13為標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁x方向上的側(cè)移云圖。結(jié)果表明：圍護(hù)樁隨著臺(tái)階后退式開(kāi)挖呈現(xiàn)明顯的時(shí)空效應(yīng)。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，基坑兩側(cè)圍護(hù)樁x方向側(cè)移呈半橢圓形擴(kuò)散，其側(cè)移值隨著周圍土體開(kāi)挖深度的增加而增加，直至周圍土體全部挖完，開(kāi)挖土體遠(yuǎn)離該圍護(hù)樁時(shí)趨于穩(wěn)定。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁同一深度x方向上的側(cè)移曲線

圖13 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁x方向上的側(cè)移云圖

圖14為端頭井處圍護(hù)樁同一深度x方向上的側(cè)移曲線，通過(guò)曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土體開(kāi)挖至端頭井處時(shí)端頭井開(kāi)始出現(xiàn)x方向上的側(cè)移，鄰近端頭井拐角處的圍護(hù)樁x方向上的側(cè)移較大，并且端頭井處圍護(hù)樁x方向上的側(cè)移值呈現(xiàn)對(duì)稱分布。

圖14 端頭井處圍護(hù)樁同一深度x方向上的側(cè)移曲線

4 結(jié)語(yǔ)

以合肥某地鐵車站深基坑為實(shí)例，通過(guò)對(duì)圍護(hù)樁分層開(kāi)挖和臺(tái)階后退式開(kāi)挖數(shù)值的模擬計(jì)算，同時(shí)結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁分層開(kāi)挖側(cè)移峰值的誤差為46.8%，圍護(hù)樁臺(tái)階后退式開(kāi)挖側(cè)移峰值的誤差為5.3%。采用圍護(hù)樁臺(tái)階后退式開(kāi)挖側(cè)移曲線與監(jiān)測(cè)曲線趨勢(shì)相近，采用圍護(hù)樁臺(tái)階后退式開(kāi)挖進(jìn)一步提高了計(jì)算的精確度和真實(shí)性，可供后續(xù)類似工程參考。

2）基坑兩側(cè)圍護(hù)樁隨著臺(tái)階后退式開(kāi)挖呈現(xiàn)明顯的時(shí)空效應(yīng)，沿基坑寬度方向上的側(cè)移近似呈半橢圓形向后擴(kuò)散，沿基坑長(zhǎng)度方向上的側(cè)移呈橢圓形向后擴(kuò)散，直至開(kāi)挖至端頭井處呈現(xiàn)半橢圓形狀。

3）基坑圍護(hù)樁呈現(xiàn)明顯的空間效應(yīng)，圍護(hù)樁的側(cè)移值及其深度隨著周圍土體開(kāi)挖深度的增加而增加，直至開(kāi)挖土體遠(yuǎn)離該圍護(hù)樁時(shí)趨于穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)段最大側(cè)移值為15.92 mm，端頭井最大側(cè)移值為17.66 mm，二者都位于基坑深度的1/2處。