李曙光，吳應(yīng)明，王洪坤

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

近年來(lái)，地鐵車(chē)站向著深、長(zhǎng)、大的方向發(fā)展，深基坑工程在城市軌道交通建設(shè)中更加普遍[1-3]。而在我國(guó)南方富水軟土地區(qū)進(jìn)行深基坑作業(yè)前，為營(yíng)造一個(gè)干燥的施工環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)常采取基坑降水的方式控制地下水的影響。富水軟土地區(qū)地鐵車(chē)站基坑降水及開(kāi)挖共同作用下引起的基坑及周?chē)翆拥淖冃我?guī)律和影響因素成為城市軌道交通建設(shè)的關(guān)鍵。

目前，對(duì)于深基坑降水開(kāi)挖滲流的研究已取得了較多成果。Helm等[4]發(fā)現(xiàn)地下水滲流運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土體中應(yīng)力的變化，進(jìn)而引起基坑周?chē)乇沓两?。紀(jì)佑軍等[5]通過(guò)對(duì)基坑工程中滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下的地下水滲流有限元模擬計(jì)算，研究了基坑降水過(guò)程中地下水運(yùn)動(dòng)情況，得到基坑開(kāi)挖時(shí)周邊土體變形規(guī)律和幾種在開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)的破壞形式?；魸?rùn)科等[6]借助現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用PLAXIS有限元軟件，分析得出深基坑開(kāi)挖進(jìn)程中土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。周勇、陳永才等[7-8]研究了基坑開(kāi)挖降水進(jìn)程中周邊地下管道的位移，借助ADINA有限元軟件建立三維模型，通過(guò)有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到了地下管道的變形規(guī)律。張剛等[9]通過(guò)對(duì)上海某基坑工程降水引起的地表沉降進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到地下水滲流和地表沉降規(guī)律，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，計(jì)算基坑降水過(guò)程中地面沉降情況及沉降影響范圍。

在分析以往案例經(jīng)驗(yàn)和科研成果的基礎(chǔ)上，本文以蘇州市軌道交通S1線(xiàn)帆路站深基坑施工項(xiàng)目為例，通過(guò)有限元分析軟件MIDAS GTS/NX數(shù)值模擬，考慮了一次降水和分步降水兩種開(kāi)挖工況，重點(diǎn)分析基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中地下連續(xù)墻變形、基坑周?chē)乇沓两怠⒅屋S力的變化規(guī)律，為工程的順利施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

蘇州市軌道交通S1線(xiàn)，呈東西走向，全長(zhǎng)41.27km。全線(xiàn)共設(shè)28座車(chē)站，全部為地下車(chē)站，線(xiàn)路西起蘇州工業(yè)園區(qū)陽(yáng)澄湖半島南側(cè)的唯亭站，東至昆山花橋鎮(zhèn)的花橋站，途經(jīng)蘇州工業(yè)園區(qū)、滬寧城際鐵路陽(yáng)澄湖站、昆山主城區(qū)、滬寧城際鐵路花橋站、昆山花橋鎮(zhèn)。S1線(xiàn)平均站間距1.502km，最大站間距4.215km，為陽(yáng)澄湖南站—漁家燈火站，最小站間距0.923km，為祖沖之路站—文化藝術(shù)中心站。

S1線(xiàn)帆路站基坑主體長(zhǎng)度503m，建筑面積27 616.2m2，因車(chē)站基坑體量較大，如對(duì)整個(gè)基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬過(guò)于復(fù)雜，也不利于分析研究，故選取具有代表性的5號(hào)基坑～軸標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行三維數(shù)值建模分析。此處基坑深度17.86m，采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的圍護(hù)方案，共有5層內(nèi)支撐，第1層內(nèi)支撐為混凝土支撐，其余為鋼支撐，基坑支撐剖面如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

該基坑屬于蕭紹沖海相沉積平原地貌單元，地表水發(fā)育，主要為梅山江支流和鵝池溇，水面高程約3.000m，水深1.5～2.0m；地下水類(lèi)型主要是第四紀(jì)松散巖類(lèi)孔隙潛水、孔隙承壓水；基坑開(kāi)挖范圍地層土體復(fù)雜，簡(jiǎn)化后的土體材料參數(shù)如表1所示。

表1 建模土層物理參數(shù)

2 不同工況基坑降水?dāng)?shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

為有效表達(dá)基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中坑外地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，且不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體假定如下。

1)在基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中，地下水符合達(dá)西定律，且各層土x，y，z方向的滲透系數(shù)是定值，不隨時(shí)間和空間改變。

2)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)工況，模擬降水工況不考慮降水井的位置和降水速率，采用水頭邊界條件模擬降水。

3)基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中不考慮動(dòng)荷載對(duì)土體性質(zhì)的影響，初始應(yīng)力場(chǎng)分析只考慮自重。

數(shù)值模擬中考慮水頭邊界條件，MIDAS GTS/NX軟件通過(guò)節(jié)點(diǎn)水頭定義地下水水位，通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)水頭位置，隨著基坑開(kāi)挖進(jìn)程即時(shí)激活和鈍化節(jié)點(diǎn)水頭，實(shí)現(xiàn)模擬基坑降水的目的。實(shí)際基坑尺寸為30m(長(zhǎng))×22.7m(寬)×17.86m(深)，根據(jù)基坑影響分區(qū)(見(jiàn)表2)，最終確定數(shù)值模型的幾何尺寸為163m(長(zhǎng))×30m(寬)×67m(高)。表2中，H為基坑設(shè)計(jì)深度(m)，φ為土體內(nèi)摩擦角(°)；表中0.7H或H·tan(45°-φ/2)取較大值。土體及基坑的幾何模型如圖2所示。

表2 基坑工程影響分區(qū)

2.2 兩種不同降水工況

2.2.1一次性降水工況

一次降水工況采用修正-本構(gòu)模型，在滲流應(yīng)力耦合狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算?；釉陂_(kāi)挖之前進(jìn)行預(yù)降水，將基坑內(nèi)地下水的水位一次性降到底板以下1m的位置，然后再依次開(kāi)挖。計(jì)算模型共劃分成19 199個(gè)節(jié)點(diǎn)，24 257個(gè)單元，基坑模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 一次性降水工況模型網(wǎng)格劃分

2.2.2分步降水工況

與一次降水工況相同，分步降水?dāng)?shù)值模型中同樣采用修正莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，在滲流應(yīng)力耦合條件下進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)的材料參數(shù)、材料屬性不改變，修改水頭邊界條件，進(jìn)行6次降水、6次開(kāi)挖。6次降水的深度分別為-2，-6，-9.6，-12.76，-15.76，-18.86m，6次開(kāi)挖深度分別為-1，-4，-8.6，-11.76，-14.76，-17.86m。分步降水開(kāi)挖節(jié)點(diǎn)水頭邊界條件模型如圖4所示。

圖4 分步降水開(kāi)挖水頭邊界模型

3 有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3.1 一次性降水對(duì)圍護(hù)墻體變形影響分析

基坑一共有5道內(nèi)支撐，包括1道鋼筋混凝土支撐和4道鋼支撐，內(nèi)支撐軸力隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)程在不斷的變化波動(dòng)并逐漸趨于穩(wěn)定，而數(shù)值模擬基坑開(kāi)挖時(shí)內(nèi)支撐是一次性激活受力，消除了現(xiàn)場(chǎng)施工中內(nèi)支撐施工的時(shí)空效應(yīng)，數(shù)值模擬中只能得到每次開(kāi)挖工況下所對(duì)應(yīng)內(nèi)支撐的支撐軸力，通過(guò)單元結(jié)果提取功能，提取各開(kāi)挖工況下5道內(nèi)支撐軸力，繪制成變化曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 內(nèi)支撐軸力變化曲線(xiàn)

由圖5可知：第1道混凝土支撐安裝完成時(shí)支撐軸力是580kN，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)程，到第2道鋼支撐安裝完成前，第1道混凝土支撐軸力迅速增大到2 785kN，而在第2道鋼支撐安裝完成之后混凝土軸力減小至1 145kN，這是由于在第2道鋼支撐安裝之前第1道混凝土支撐為主要受力結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)?道鋼支撐安裝之后，分擔(dān)了混凝土支撐承受的側(cè)向水土壓力，所以混凝土軸力減小，后續(xù)的開(kāi)挖中規(guī)律相同。

而混凝土支撐在第2道鋼支撐施工完成后就開(kāi)始減小，到開(kāi)挖工況4時(shí)減小成負(fù)值，可能由于隨著基坑的開(kāi)挖，地下連續(xù)墻的變形增大使得墻體頂部受到拉力所致。其余4道鋼支撐軸力在增大到一定值后就趨于穩(wěn)定，第2～5道鋼支撐軸力最大值為1 204，1 276，843，975kN，5道支撐在開(kāi)挖期間均未超過(guò)軸力設(shè)計(jì)控制值，但現(xiàn)場(chǎng)施工中仍要密切關(guān)注混凝土支撐內(nèi)力變化所帶來(lái)的影響。

3.2 不同降水工況圍護(hù)墻體變形分析

兩種工況開(kāi)挖至-1m和-17.86m時(shí)地下連續(xù)墻變形位移曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 兩種工況地下連續(xù)墻水平位移

由圖6可知：一次性降水開(kāi)挖工況的墻體位移最大值為44.63mm，分步降水開(kāi)挖工況的墻體位移最大值為38.81mm，減小5.82mm，約降低13.04%，說(shuō)明在基坑降水方案中，分步降水開(kāi)挖對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響相對(duì)較小。

一次性降水開(kāi)挖工況下第1次開(kāi)挖后的地下連續(xù)墻位移最大值是11.99mm，約占最終開(kāi)挖完成后最大位移值的26.86%，開(kāi)挖完成后的最大值是44.63mm；分步降水開(kāi)挖工況下第1次開(kāi)挖后的地下連續(xù)墻位移最大值是7.84mm，約占最終開(kāi)挖完成后最大位移值的20.2%，開(kāi)挖完成后的最大值是38.81mm。說(shuō)明一次性降水及分步降水對(duì)基坑開(kāi)挖后圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形均有很大的影響，因此在現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)引起重視，條件允許的情況下盡可能采用分步降水開(kāi)挖方案。

3.3 不同降水工況對(duì)地表沉降影響分析

兩種工況開(kāi)挖至-1m和-17.86m時(shí)周?chē)乇沓两登€(xiàn)如圖7所示。

圖7 兩種工況周?chē)乇沓两登€(xiàn)

從圖7可以得出，分步降水開(kāi)挖工況下模擬值均小于一次性降水開(kāi)挖工況下的地表沉降值，地表最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)在距基坑邊緣5～15m。一次性降水開(kāi)挖工況地表沉降最大值為33.45mm，分步降水開(kāi)挖工況地表沉降最大值為28.04mm，減小5.41mm，約降低16.2%。

一次性降水開(kāi)挖工況中第1次開(kāi)挖后的地表變形最大值是11.52mm，約占最終開(kāi)挖完成后最大位移變形值的34.5%，開(kāi)挖完成后的最大值是33.45mm；分步降水開(kāi)挖工況中第1次開(kāi)挖后的地表變形最大值是8.84mm，約占最終開(kāi)挖完成后最大位移變形值的31.5%，開(kāi)挖完成后的最大值為28.04mm。

總體而言，降水開(kāi)挖對(duì)基坑周?chē)乇沓两涤绊懲叵逻B續(xù)墻變形類(lèi)似，一次性降水開(kāi)挖工況下對(duì)基坑變形的影響要遠(yuǎn)大于分步降水開(kāi)挖工況。因此，在現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)重視降水方案設(shè)置的合理性，加強(qiáng)在降水過(guò)程中對(duì)基坑的監(jiān)測(cè)工作，且在條件允許的情況下盡量采用分步降水開(kāi)挖方案，減小降水對(duì)基坑的影響，保證現(xiàn)場(chǎng)施工安全。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 地下連續(xù)墻位移分析

車(chē)站共設(shè)置了51個(gè)地下連續(xù)墻深層水平位移的測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)(ZQT)和34個(gè)土體深層水平位移的測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)(TST)，選取墻體西側(cè)測(cè)點(diǎn)ZQT19，TST11，提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制監(jiān)測(cè)孔不同深度位置的地下連續(xù)墻和土體深層位移隨基坑開(kāi)挖深度的變化關(guān)系曲線(xiàn)，如圖8所示。

圖8 ZQT19墻體水平位移曲線(xiàn)(左)和TST11土體水平位移曲線(xiàn)(右)

通過(guò)圖8可以看出，地下連續(xù)墻體水平位移呈“勺”形曲線(xiàn)，墻體水平位移沿著墻體深度方向先增大，達(dá)到峰值點(diǎn)后逐漸減小最后趨于穩(wěn)定。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，墻體水平位移最大值不斷增加，同時(shí)向下移動(dòng)，ZQT19處開(kāi)挖的位移最大值為8.87，17.91，31.88，42.59，47.28，53.13mm，土體深層累計(jì)水平位移最大值57.03mm，超過(guò)了紅色預(yù)警值，土體最大水平位移的位置和墻體一致，并且在不同開(kāi)挖工況下土體深層水平位移均大于地下連續(xù)墻的位移，原因可能是土體性質(zhì)較軟，易壓縮，在地下水位下降并且基坑開(kāi)挖的情況下，土體中應(yīng)力重新分布，擠壓土體使得土體向基坑一側(cè)移動(dòng)，引起土體深處水平位移增大。

4.2 周?chē)乇沓两捣治?/h3>

車(chē)站共設(shè)置了226個(gè)地表豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量比較多，現(xiàn)選取墻體東側(cè)測(cè)點(diǎn)DBC31，提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了全面反映地表豎向位移的變化規(guī)律，5個(gè)測(cè)點(diǎn)位置不等距，且距基坑邊緣由近及遠(yuǎn)分別為2，5，15，30，50m。整理所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可得到每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處地表累計(jì)沉降值隨基坑降水開(kāi)挖工況的變化關(guān)系和基坑不同開(kāi)挖時(shí)期不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)處地表累計(jì)沉降值與距基坑邊緣距離的關(guān)系，如圖9所示。

由地表沉降變化曲線(xiàn)可得監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿著遠(yuǎn)離基坑方向沉降值先迅速增加后減小最后趨于穩(wěn)定，距基坑邊緣較近和較遠(yuǎn)處土體累計(jì)沉降值小，距基坑5～15m的范圍內(nèi)土體累計(jì)沉降值最大，說(shuō)明不同開(kāi)挖深度下土體最大沉降值不在墻體的邊緣處，而是在距墻體有一定距離的位置。由地表沉降時(shí)程曲線(xiàn)可得，在基坑開(kāi)挖初期，地表沉降量較小，變形主要在基坑邊緣處，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，地表累計(jì)沉降值逐漸增加，地表沉降量最大值出現(xiàn)在距離基坑邊緣5m處，最大累計(jì)沉降值為28.01mm，滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求的不超過(guò)0.2%H(35.72mm)。

4.3 支撐軸力分析

車(chē)站共設(shè)置了32組軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZCL24，ZCL24-1是第1道混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，ZCL24-(2～5)是第2～5道鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，支撐軸力時(shí)程曲線(xiàn)和地下連續(xù)墻頂水平位移時(shí)程曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 ZCL24支撐軸力時(shí)程曲線(xiàn)和地下連續(xù)墻頂水平位移時(shí)程曲線(xiàn)

由圖10可知：在基坑開(kāi)挖初期，第1道混凝土支撐軸力較小，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，軸力迅速增大，當(dāng)開(kāi)挖至第2道鋼支撐位置時(shí)，軸力達(dá)到峰值3 441.4kN，隨著第2道鋼支撐的架設(shè)，混凝土支撐軸力逐漸減小，隨著基坑繼續(xù)開(kāi)挖和鋼支撐架設(shè)，第1道混凝土支撐軸力持續(xù)減小，開(kāi)挖至距基坑底部4～5m左右時(shí)，混凝土支撐軸力變?yōu)樨?fù)值，最小值為-1 188kN，且逐漸穩(wěn)定在300～600kN范圍內(nèi)。驗(yàn)證了深基坑支護(hù)第1道支撐用混凝土材料而不用鋼支撐，防止鋼支撐由于受到拉力節(jié)點(diǎn)破壞而掉落，從而發(fā)生事故。其余4道鋼支撐軸力隨著基坑開(kāi)挖深度的增加呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，第2～5道鋼支撐的最大支撐軸力分別是1 551，2 062，776，1 130kN，均在控制范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)地下連續(xù)墻的變形隨深度增加逐漸增大，后逐漸減小直至趨于穩(wěn)定，變形呈中間大、兩頭小的“勺”形曲線(xiàn)。隨著基坑開(kāi)挖，墻體最大水平位移值不斷增大，最大位移由墻體中上部向中下部移動(dòng)，每一開(kāi)挖工況下的最大位移均在開(kāi)挖面附近。

2)基坑周?chē)乇沓两捣植夹螒B(tài)符合沉降槽曲線(xiàn)，基坑降水開(kāi)挖影響范圍符合設(shè)計(jì)要求。隨著基坑降水開(kāi)挖的進(jìn)程地表沉降最大值在各開(kāi)挖工況下逐漸增大，僅在小范圍波動(dòng)，沉降值均在基坑設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)。

3)分步降水開(kāi)挖工況下地下連續(xù)墻水平位移最大值下降13.04%，周?chē)乇沓两底畲笾迪陆?6.2%，均較一次性降水小。表明分步降水開(kāi)挖對(duì)基坑變形的影響較小，在現(xiàn)場(chǎng)施工中盡量采用分步降水開(kāi)挖方案。

4)通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)地下連續(xù)墻變形、基坑周?chē)乇沓两怠⒅屋S力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，地下連續(xù)墻深層水平位移最大值為53.13mm，基坑周?chē)乇沓两底畲笾禐?8.39mm，第1～5道內(nèi)支撐軸力最大值分別為3 441.4，1 551，2 062，776，1 130kN，其變化規(guī)律同數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的吻合度，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。