太原地鐵車站基坑變形規(guī)律三維數(shù)值模擬研究
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于 洋1，楊雙鎖1,2，劉光宇1，王永鵬1，崔立文1，仝曉軍1
（1．太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2．重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400030）
[摘要]針對太原漫灘地質(zhì)下基坑工程中所存在的地下水位高、開挖面積大、變形控制等級高等問題，通過對車站基坑開挖全過程進行三維數(shù)值仿真，并對基坑邊角部位和中間部位變形進行對比分析，揭示了太原漫灘地區(qū)深基坑變形的基本規(guī)律：該地區(qū)墻后地表沉降表現(xiàn)為明顯的凹槽形，空間效應(yīng)顯著，開挖過程中墻后地表局部隆起，提前降水和采用強支護可以提高基坑的整體穩(wěn)定性。最后給出太原漫灘地區(qū)深基坑工程墻后地表沉降預(yù)估曲線。
[關(guān)鍵詞]地鐵車站；河漫灘；深基坑；變形；數(shù)值模擬
[中圖分類號]TU753[文章編號]1002_8498(2016)07-0074-04
0 引言
城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，城市環(huán)境保護要求越來越嚴(yán)格，人們對基坑開挖引起周圍環(huán)境影響的重視程度越來越高。而地鐵多建造于建筑物密集區(qū)，場地狹小，管線密布，對周圍地表變形要求很高。地表的大幅度變形會引起建筑物的沉降、開裂甚至坍塌；管線局部扭傷甚至破壞，造成重大經(jīng)濟損失。因此，基坑工程不僅需要確保圍護結(jié)構(gòu)的自身安全，也必須確保周圍建筑物安全以及正常使用要求。
太原地區(qū)尚缺乏此類工程實施經(jīng)驗，工程實施難度大，在施工過程中如何確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與施工安全是本工程的重、難點。基于此，本文結(jié)合太原市某地鐵深基坑現(xiàn)有地質(zhì)資料以及實際情況，運用數(shù)值計算軟件對深基坑開挖全過程進行仿真，分析基坑開挖全過程中圍護墻與周圍地表變形的特征，總結(jié)相關(guān)規(guī)律，據(jù)此分析支護結(jié)構(gòu)的可行性，為今后太原市地鐵車站深基坑的設(shè)計與監(jiān)測提供指導(dǎo)。
1工程概況
太原市地鐵2號線一期工程正線全長23.38km，共設(shè)車站21座，均為地下線。其中，某車站總長為210.8m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.1m，車站頂板 覆土厚度約為3.5m，底板埋深約16.89m，主體結(jié)構(gòu)為全2層明挖車站。該車站所在街道為貫穿太原市區(qū)的交通干道，交通繁忙，管道密布。該車站位于汾河?xùn)|岸河漫灘且地下水位較高，含水層以粉土、粉細(xì)砂為主，水文地質(zhì)條件較差，施工時產(chǎn)生涌砂、邊坡失穩(wěn)的可能性大�？傮w評價工程地質(zhì)條件較差。
基坑采用明挖法施工，墻頂設(shè)冠梁，車站主體部分為800mm厚地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段基坑地下連續(xù)墻嵌固深度為8.5m。第1道內(nèi)支撐采用800mm×1 000mm鋼筋混凝土支撐，第2道內(nèi)支撐采用 ɸ800 x12鋼管，第3道內(nèi)支撐采用ɸ800 x16鋼管，橫撐間距3.0m。鋼支撐設(shè)計預(yù)應(yīng)力：第2道鋼支撐為400kN，第3道鋼支撐為580kN。
2開挖圍護過程計算
2.1數(shù)值計算模型
根據(jù)該地鐵車站深基坑的工程背景、地質(zhì)資料以及設(shè)計資料，基坑模型尺寸取為36m×21m×17m，地下連續(xù)墻人土深度為8.5m。由于基坑較長，如若選用實際長度模擬則會降低計算效率。整個模型為96m x172m×37m，共劃分單元27 972個，節(jié)點31 350個。在地表施加均布超載q=20kPa，模型側(cè)面設(shè)置為0法向位移約束，上表面為自由邊界，不予約束，底面為固定約束。
2.2 本構(gòu)模型及計算參數(shù)
選用Mohr-Coulomb模型模擬土體，空模型實現(xiàn)開挖過程的推進。地下連續(xù)墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用各項同性的彈性模型。根據(jù)工程勘察報告，對土層進行簡化，共劃分8個土層。地下連續(xù)墻的彈性模量為30MPa，泊松比為0.167。鋼管支撐彈性模量為200MPa，泊松比為0.3。
2.3計算步驟
本次模擬選擇分段分層開挖，基坑開挖前必須先進行坑內(nèi)降水施工，確保地下水位降至基底以下1.0m，計算分5個步驟進行：①第1步 待圍護墻達到設(shè)計強度后，開挖土體至第1道支撐下0. 5m;②第2步澆筑第1道混凝土支撐，開挖土體至下道支撐下0. 5m;③第3步 安設(shè)第2道鋼管支撐，加載預(yù)應(yīng)力后開挖土體至下道支撐下0. 5m;④第4步安設(shè)第3道鋼管支撐，加載預(yù)應(yīng)力后開挖土體至坑底設(shè)計標(biāo)高；⑤第5步澆筑基坑底板。
3 地下連續(xù)墻與墻后土體變形
3.1 地下連續(xù)墻側(cè)向位移
每一步驟下，地下連續(xù)墻的側(cè)向變形位移如圖1所示。在前4個步驟下，地下連續(xù)墻側(cè)移不斷發(fā)展，在步驟5執(zhí)行之后，地下連續(xù)墻有稍許回彈。地下連續(xù)墻最大側(cè)移大概發(fā)生在0. 88H（H為基坑開挖深度），最大側(cè)移為22. 68mm，約為0.13%H。最大側(cè)移發(fā)展最快的2個階段分別是在步驟1與步驟2之間、步驟2與步驟3之間，對應(yīng)的開挖深度為6.5，5m，相應(yīng)的側(cè)移變形增加量為8.4，7.6mm，兩者之和占最終變形的70%左右，由此說明無支撐條件下，基坑暴露時間越長，變形越大。對比步驟4與步驟5的變形曲線可以看出，澆筑混凝土底板之后，隨著混凝土底板強度逐漸發(fā)揮，地下連續(xù)墻出現(xiàn)了向坑外的回彈變形。這說明及時澆筑基坑底板，可以在一定范圍限制地下連續(xù)墻變形。
3.2墻后地表沉降
5個步驟下墻后地表沉降的計算結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，墻后地表沉降與地下連續(xù)墻的側(cè)移變化規(guī)律類似。地表沉降最大值發(fā)生在距離圍護墻約14. 5m，約為0.85H，基坑整體的沉降量偏小，為0.02%H~0.04%H，最大沉降為6. 65 mm。土方開挖引起的墻后地表變形范圍較大，但是顯著變形主要集中在2H范圍內(nèi)，這符合O u等給出的凹槽形沉降槽預(yù)估曲線的基本規(guī)律。同樣，地表沉降急速增長的2個階段分別是步驟1與步驟2之間、步驟2與步驟3之間，其對應(yīng)的開挖深度為6.5，5m，相應(yīng)的地表沉降增加量為2.52．2. 43 mm，兩者之和占最終變形的75%左右。由此說明，針對基坑整體性偏差的基坑，提前進行坑內(nèi)
降水與采用強支護可以有效增強基坑穩(wěn)定性，減少墻后地表沉降；在條件允許的情況下，縮短支撐間的垂直距離、及時施作底板同樣可以減小墻后地表的沉降量。
從圖2中可以看出，墻后地表的沉降值在4H處并未收斂，這顯然不符合基坑的變形規(guī)律，造成該情況的主要原因是本次模擬選用了較低級的Mohr-Coulomb模型。而該模型所需要的收斂范圍大約是8倍的基坑開挖寬度，遠(yuǎn)大于4H。針對該情況前人做過不同邊界條件下的沉降對比，結(jié)果表明：不同約束條件下的沉降值除了在邊界處差別較大外，在其他區(qū)域幾乎相同。如果不關(guān)注遠(yuǎn)處地表沉降，適當(dāng)減小模型寬度可以在保證計算精度達到要求的情況下提高計算效率。
3.3 空間效應(yīng)分析
圖3a所示為位于基坑邊角處（距基坑短邊垂直距離3m）的1組測點在5個步驟下的圍護墻變形圖，圖3b所示圍護墻側(cè)移對比，圖3c給出的是位于基坑邊角處1組測點的墻后地表沉降位移，圖3d所示為墻后地表沉降對比。
從圖3a，3b中可以看出，邊角處圍護墻在各步驟下的變形與中間部位幾乎一致，同樣最大位移發(fā)生在修筑底板之前。隨著開挖深度加深，最大位移也逐漸向下發(fā)展，最終最大位移位于基坑底板以上約1. 5m位置。但是邊角處的數(shù)值計算圍護墻最大位移值僅為3. 97 mm，約為中間部位最大位移值的17. 5%。
關(guān)于邊角處墻后地表沉降的位移值，從圖3c，3d中可以看出，基本規(guī)律類似于中間部位的墻后位移，最大沉降為3. 2mm，約為中間部位最大沉降值的48%，同樣在4H處未能收斂。從圖中可以看出，基坑開挖不僅會引起墻后地表沉降，還會形成地表隆起。但是最終表現(xiàn)為隆起的范圍不大，隆起值較小，大多數(shù)位于0~ 5mm范圍內(nèi)且<0.1mm。在土方開挖過程中，隨著深度增加，測點由原來隆起值較小逐漸變?yōu)槌两�。這是因為墻后土體受到的力是兩種不同運動趨勢的力綜合作用的結(jié)果。一種是由于坑內(nèi)土體的移除，圍護墻向內(nèi)擠壓變形，土體也向坑內(nèi)、向下變形；另一種是因為移除坑內(nèi)土體相當(dāng)于卸載作用，坑底土體向上浮動，帶動小范圍的墻后土體也向上運動。由于剛開始開挖深度較小，向上的力影響范圍可以到達地表，此時墻后小范圍的土體受到向上的力大于向下的力，此時表現(xiàn)為局部隆起。但是隨著開挖深度的加深，向上的力作用范圍到達不了地表，此時向上的力幾乎可以忽略不計，可以看作是向下的力的全部作用效果。
從圖3b，3d中可以看出，基坑邊角處的圍護墻位移與墻后土體的沉降和基坑中間部位差別較大，這是由于地鐵車站基坑的長遠(yuǎn)大于其寬，對于該種長大基坑，空間效應(yīng)更為明顯。在基坑的邊角處不僅受到水平支撐的作用，還有短邊圍護墻的約束作用、斜撐的限制作用，而中間部位受短邊圍護墻、斜撐的影響可以忽略不計，可近似看作水平支撐單一約束，故變形遠(yuǎn)小于中間部位。據(jù)此，監(jiān)測點最好選在基坑中間部位，以便及時了解基坑穩(wěn)定性狀態(tài)。
4地表變形實測值與預(yù)估曲線
由于基坑工程的復(fù)雜性，數(shù)值模擬不能同時考慮各種復(fù)雜因素對地表變形的影響。而現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)是多種復(fù)雜因素綜合作用效果的體現(xiàn)。太原市地鐵建設(shè)剛剛開始，對數(shù)值模擬計算值與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析可得出該地質(zhì)條件下的地表變形規(guī)律，形成適用于太原特殊地質(zhì)下沉降預(yù)估曲線，為今后太原深基坑工程的施工及變形預(yù)測提供超前指導(dǎo)以及參考依據(jù)。深基坑地表變形與地表沉降預(yù)估曲線如圖4，5所示。
從圖4，5可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本接近，95%以上的監(jiān)測點在計算值的包絡(luò)線以內(nèi)，其余點與計算值差別較小，這反映了數(shù)值計算在一定程度上也可以發(fā)揮其作用，并且對傳統(tǒng)的地表沉降預(yù)估曲線進行修正。在最低點右側(cè)，由于模型收斂緩慢，計算值相對于實際值偏大，所以在最低點之后預(yù)估曲線并未包絡(luò)計算點仍然符合要求。
預(yù)估曲線的數(shù)學(xué)表達式為：
式中：x表示墻后一點距圍護墻的距離與基坑深度的比值；y表示該點地表沉降與最大沉降的比值。
5結(jié)語
1)太原市深基坑工程墻后地表變形表現(xiàn)為明顯的凹槽形，最大地表沉降發(fā)生在墻后大約0. 85H處，距墻壁2H以外變形微小。
2)基坑開挖深度較小時，位于墻后0~5m內(nèi)邊角處局部測點表現(xiàn)為隆起，但是隨著開挖深度加深，隆起值減小甚至發(fā)生沉降。
3)基坑無支護暴露時間越長，墻后地表沉降越大。提高基坑的整體性可減少沉降差值，甚至回升。
4)基坑變形具有明顯的空間效應(yīng)，邊角處變形明顯小于基坑中間部位�；舆吔翘幍膰o墻位移與墻后土體的沉降為中間部位的17.5%與48%。這在圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以考慮差異設(shè)計，節(jié)省造價。
5)對于處于漫灘地區(qū)工程地質(zhì)條件較差的基坑工程，提前半個月采取降水措施與強支護可以控制圍護結(jié)構(gòu)的變形與地表沉降，提高基坑的整體性。
