復(fù)雜地層明挖地鐵車站基坑施工穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

高 闖

（中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司，山東 青島 266000）

由于地鐵車站環(huán)境復(fù)雜，基坑開挖卸荷時會引起土體變形和地表沉降，對周圍建筑物及地下管線產(chǎn)生較大的影響，因此保持基坑開挖的穩(wěn)定性尤為重要。易默成等[1]以某地鐵深基坑工程SMW 工法樁支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對象，進(jìn)行變形實(shí)測分析及有限元數(shù)值模擬研究。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)得出不同工況下的變形曲線，提出最大水平側(cè)移與最大地表沉降的冪函數(shù)擬合公式。熊勝等[2]研究風(fēng)化巖土質(zhì)深基坑在開挖過程中的變形演化規(guī)律，采用PLAXIS3D 軟件建立三維數(shù)值模型，分析基坑開挖深度、載荷位置、載荷大小對深基坑開挖過程變形的影響規(guī)律。李煒明等[3]通過研究復(fù)雜地層大直徑地鐵盾構(gòu)井基坑施工土體變形規(guī)律，得出數(shù)值模擬與工程實(shí)際具有顯著的差異性。馮春蕾[4]以北京和天津兩地地鐵車站深基坑工程建設(shè)為背景，從變形特性、安全穩(wěn)定、工程風(fēng)險分析及控制等方面展開研究，旨在初步形成能夠?qū)?fù)雜地層條件下城市軌道交通建設(shè)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃的工程建設(shè)安全管理體系。曹勇等[5]為探究復(fù)雜填海地層中深基坑的變形規(guī)律，對深圳地鐵13 號線深登明挖區(qū)間開挖過程中圍護(hù)樁水平位移和地表沉降的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。張靈熙等[6]在蘇州7 號線某交匯車站基坑工程中，為降低新建車站施工過程對既有運(yùn)營車站的影響，在鄰近區(qū)域設(shè)置液壓伺服系統(tǒng)，并對比分析采用伺服系統(tǒng)區(qū)與采用普通鋼支撐區(qū)的位移與沉降。

以青島地鐵2 號線二期工程合川路車站基坑開挖為背景，通過采用有限元分析方法，建立三維數(shù)值模型，研究基坑開挖施工過程中土體穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形問題。

1 工程概況

合川路車站是青島地鐵2 號線二期工程的第3 座車站，為地下2 層11 m 島式車站，車站總長217 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.9 m，最大寬度24.7 m，主體基坑采用鉆孔灌注樁結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)型式，內(nèi)支撐采用鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐，支護(hù)示意圖如圖1 所示，具體支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 支護(hù)參數(shù)表

圖1 基坑支護(hù)示意圖

本站地下水較為豐富，設(shè)700 mm 厚TRD 混凝土半包止水帷幕，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化下亞帶以內(nèi)1.5 m。合川路站所在場區(qū)地層由上而下分別為素填土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，巖面起伏較大，車站底板位于中風(fēng)化花崗巖及微風(fēng)化花崗巖層中。各地層主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 地層主要物理力學(xué)參數(shù)表

2 數(shù)值模擬方法與過程

2.1 基本假定

為了更好地表達(dá)基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性和變形特點(diǎn)，在數(shù)值模擬分析過程中進(jìn)行相應(yīng)簡化，并做出假定如下：開挖前各層土在自重下固結(jié)且為各向同性的均勻彈塑性體；土體厚度取車站開挖時土層厚度的平均值；初始應(yīng)力場中只考慮土體自重，基坑開挖過程中，不考慮施工荷載對土體的影響；基坑開挖時考慮15 MPa 的地面超載。

2.2 數(shù)值模擬方法

通過考慮基坑開挖施工范圍內(nèi)既有建筑物位置以及施工的影響區(qū)域，基坑施工的三維模型尺寸選取為300 m×100 m×50 m（長×寬×高），模擬基坑開挖分5 步進(jìn)行，每步序開挖深度為4 m 左右。模型整體示意圖如圖2 所示。

圖2 模型整體示意圖

模型中地層簡化為水平勻質(zhì)分布地層，采用摩爾-庫倫本構(gòu)建立3D 單元模型，TRD 混凝土止水帷幕采用2D 板單元模擬，灌注樁與支撐通過建立1D 梁單元模擬，建立界面和樁端單元來保證樁與土體之間的耦合。具體示意圖如圖3 所示。

圖3 TRD、樁、支撐模擬示意圖

施加自重，基坑周圍地面超載為15 kN/m2。對模型整體施加自動邊界條件，默認(rèn)約束模型底部X、Y 方向位移，左右約束X 方向位移，前后約束Y 方向位移；對模擬支撐的1D 梁單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束自由度如圖4 所示，以保證其與周圍土體耦合。

圖4 梁單元（支撐）節(jié)點(diǎn)自由度約束示意圖

2.3 數(shù)值模擬過程

數(shù)值分析軟件施工階段的模擬是通過激活/鈍化相關(guān)網(wǎng)格組、荷載組以及邊界條件等，模擬基坑施工中的開挖、支護(hù)等施工過程。具體施工步驟如下：計算初始應(yīng)力場，激活所有土層、開挖區(qū)域、灌注樁與TRD 混凝土止水帷幕，激活自重、地面超載與邊界條件，清零位移；鈍化基坑開挖第一步的土層；鈍化基坑開挖第二步的土層，激活冠梁、第一道混凝土支撐、鋼支撐；鈍化基坑開挖第三步的土層，激活第二道鋼支撐與鋼圍檁；鈍化基坑開挖第四步的土層，激活第三道鋼支撐與鋼圍檁；最后開挖剩余第五步的土層。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 基坑開挖對灌注樁的影響分析

3.1.1 樁體水平位移

隨著基坑開挖的進(jìn)行，樁體產(chǎn)生一定的水平變形位移，土體在側(cè)向卸荷的情況下，隨著抗剪強(qiáng)度的降低抵抗變形的能力會減弱[7]，這是樁體向開挖側(cè)位移的主要原因。樁體水平位移示意圖如圖5 所示；樁體水平位移最大值約為-4.80 mm，樁體水平位移隨基坑開挖深度的增大而增大，最大水平位移通常出現(xiàn)在開挖平面附近，隨基坑開挖深度的增大而逐漸下移；沿基坑夾角方向延伸。

圖5 樁體水平位移示意圖

3.1.2 樁體豎向位移

在基坑開挖及支護(hù)過程中，地下連續(xù)墻不斷發(fā)生向上的豎向位移，樁體水平位移示意圖如圖6 所示，最大豎向位移值約為4.57 mm；產(chǎn)生豎向位移的原因是由于基坑開挖降低了基坑底部的上覆荷載，導(dǎo)致坑底有向上隆起的趨勢，通過樁-土之間的摩擦作用[8]，帶動樁體發(fā)生向上的豎向位移。

圖6 樁體豎向位移示意圖

3.2 基坑開挖對地層的影響分析

3.2.1 基坑豎向變形

在基坑開挖及支護(hù)過程中，基坑內(nèi)部土體有向上隆起趨勢，基坑底部豎向位移隨開挖深度的增大而逐漸增大，最大豎向位移值約為21.45 mm；豎直位移云圖如圖7 所示，基坑坑底最大豎向位移發(fā)生在基坑底部中間位置處，降起量向基坑兩側(cè)逐漸降低。基坑坑底的向上位移演化規(guī)律與樁體向上的豎向位移規(guī)律較為一致。

圖7 基坑豎向位移示意圖

3.2.2 基坑水平位移

基坑開挖將導(dǎo)致基坑兩側(cè)土體向坑內(nèi)發(fā)生變形，由于支撐對于水平變形有明顯的約束作用[9]，導(dǎo)致應(yīng)力重分布。在基坑開挖及支護(hù)過程中，基坑兩側(cè)土體有向上基坑內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生水平位移的趨勢，基坑水平位移示意圖如圖8 所示；基坑水平位移隨開挖深度的增大而逐漸增大，最大水平位移值約為13.51 mm，基坑水平位移演化規(guī)律與樁體水平位移規(guī)律基本一致。

圖8 基坑水平位移示意圖

3.2.3 地表位移

基坑周邊地表豎直位移云圖如圖9 所示，表明緊挨基坑的地表隨開挖進(jìn)度總體呈現(xiàn)向上隆起的趨勢，最大隆起量為1.5 mm，這可能是因?yàn)闃扼w向上的豎向位移及樁頂向基坑外側(cè)的水平位移導(dǎo)致相鄰?fù)馏w的向上變形。在距基坑較遠(yuǎn)處，周邊地表隨基坑開挖深度的增大呈現(xiàn)向下沉降的趨勢，最大沉降量為0.38 mm，沉降量相較于坑底的隆起變形較小。

圖9 基坑周邊地表豎直位移云圖

4 結(jié)論

基于有限元分析軟件，考慮實(shí)際場地條件、開挖及支護(hù)過程等，對基坑開挖過程進(jìn)行模擬，研究了基坑分層開挖-支護(hù)過程中樁體水平位移和地表豎向位移演化規(guī)律，得出以下主要結(jié)論。

1）在基坑開挖及支護(hù)過程中，樁體的水平位移隨基坑開挖深度的增大而增大，最大水平位移通常出現(xiàn)在開挖平面附近，隨基坑開挖深度的增大而逐漸下移。

2）基坑內(nèi)部土體有向上隆起趨勢，基坑底部豎向位移隨開挖深度的增大而逐漸增大，基坑坑底最大豎向位移發(fā)生在基坑底部中間位置處，降起量向基坑兩側(cè)逐漸降低。

3）緊靠基坑的地表隨開挖進(jìn)度總體呈現(xiàn)向上升起的趨勢，在距基坑較遠(yuǎn)處，周邊地表隨基坑開挖深度的增大呈現(xiàn)向下沉降的趨勢，但沉降量相較于坑底的隆起變形較小。