鄭敏敏

(蘭州信息科技學(xué)院，蘭州 730000)

0 引 言

作為環(huán)境友好型交通出行方案，城市地鐵的建設(shè)極大地改善了我國城市地面交通擁堵問題。在復(fù)雜場(chǎng)地條件下，對(duì)新建地鐵車站深基坑的動(dòng)態(tài)施工過程力學(xué)性能也提出了更高的要求[1-3]。在既有地鐵車站附近，新建地鐵車站是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，施工風(fēng)險(xiǎn)很大[4-5]。因此，有必要開展針對(duì)性的研究，以確保新建地鐵車站在動(dòng)態(tài)施工過程中的安全與穩(wěn)定。

數(shù)值模擬是研究深基坑動(dòng)態(tài)施工過程力學(xué)和變形特性的重要方法[6-8]。為了解決現(xiàn)實(shí)的基坑穩(wěn)定性問題，Lambe指出利用工程經(jīng)驗(yàn)或數(shù)值分析方法可以更有效地解決這些問題[9]，工程經(jīng)驗(yàn)方法具有高度的主觀性，在理論基礎(chǔ)上有一定的缺陷，不能準(zhǔn)確反映復(fù)雜施工環(huán)境下深基坑動(dòng)態(tài)施工過程中的力學(xué)效應(yīng)，數(shù)值模擬方法則可以更加方便和準(zhǔn)確地分析和預(yù)測(cè)此類問題[10-11]。謝秀棟等[12]對(duì)臨近鐵路的深大基坑工程施工建立三維數(shù)值模型，依據(jù)實(shí)際施工中的分層開挖、分塊開挖工序，研究和分析深基坑施工與鄰近鐵路荷載的相互作用，揭示基坑動(dòng)態(tài)施工過程中鄰近鐵路的深基坑工程變形特性。俞欽欽等[13]利用自行開發(fā)的分析軟件F-RFPA2D對(duì)廣州地鐵2號(hào)線隧道施工引起的海珠廣場(chǎng)地面沉降事故進(jìn)行數(shù)值模擬分析，總結(jié)了沉降事故的原因。溫淑荔[14]對(duì)上海地鐵9號(hào)線宜山路地鐵站承壓含水層進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，提出幾種可有效控制周圍地面沉降和變形的對(duì)比方案。陳江等[15]以上海地鐵10號(hào)線杭中路地鐵站為研究背景，采用三維有限差分法對(duì)不同基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度的降水進(jìn)行分析，進(jìn)而優(yōu)化基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文以武漢某地鐵車站深基坑工程為背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立三維有限元數(shù)值模型，分析鄰近既有地鐵條件下，新建地鐵車站深基坑工程動(dòng)態(tài)施工過程中的受力和變形特性，得出一些有益的結(jié)論。

1 項(xiàng)目概況

武漢市軌道交通16號(hào)線老關(guān)村站與6號(hào)線既有老關(guān)村站平行，為地下兩層島式換乘站。換乘站為地下兩層島式車站，為雙柱三跨結(jié)構(gòu)，車站主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)227.30 m，寬22.20 m(標(biāo)準(zhǔn)斷面)，有效站臺(tái)長(zhǎng)140 m，寬13 m。車站采用明挖法施工，有效站臺(tái)中心里程處基坑深度16.68 m，車站頂部覆土3.2 m。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐相結(jié)合的支撐形式：既有車站相鄰側(cè)及大里程端部地下連續(xù)墻厚度為1 000 mm，其余側(cè)地下連續(xù)墻厚度為800 mm，墻頂設(shè)冠梁。鋼筋混凝土支撐(第一道和第二道)和鋼支架(第三道和第四道)作為水平支撐系統(tǒng)。見圖1。

圖1 新建地鐵車站基坑平面布置圖

2 三維數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)值模型的基本假設(shè)

新建地鐵車站深基坑呈長(zhǎng)條形，與既有地鐵車站相互平行，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境隨深基坑的開挖而發(fā)生變化，缺乏與現(xiàn)場(chǎng)土壤加固試驗(yàn)和現(xiàn)有車站主體結(jié)構(gòu)相關(guān)的詳細(xì)報(bào)告。為了使建立的模型更接近實(shí)際，且計(jì)算模型簡(jiǎn)化，提高計(jì)算效率，計(jì)算過程中對(duì)三維模型作出以下假設(shè)：

1)各土層厚度均勻且水平，厚度大小為各土層平均厚度。

2)忽略土層中的夾層薄層和透鏡體的影響，認(rèn)為同一土層為均質(zhì)各向同性的土體。

3)計(jì)算時(shí)忽略地下水的滲流影響，保證開挖前，地下水已降低至開挖面以下2.0 m。

4)針對(duì)基坑施工過程，不考慮實(shí)際施工過程中分段開挖對(duì)基坑的影響，認(rèn)為逐層開挖均為一次完成。

5)地下連續(xù)墻的物理力學(xué)性質(zhì)沿墻的深度保持不變，周圍土層的摩擦力系數(shù)不受深度的影響。

6)無論施工機(jī)械、建筑材料堆載和基坑周圍淤泥土層的具體分布如何，沿基坑邊緣周圍20 m范圍內(nèi)均按20kPa的地面超載考慮。

2.2 建立三維數(shù)值模型

根據(jù)相關(guān)研究，基坑開挖和支護(hù)施工對(duì)基坑的影響深度一般為2H～4H(H為基坑開挖深度)，影響寬度一般為基坑開挖深度的3～5倍。因此，根據(jù)有效站臺(tái)中心里程處基坑深度16.68 m，車站主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)227.30 m，寬22.20 m，本文給出的整體模型尺寸為450 m×168 m×52 m，見圖2。

圖2 三維數(shù)值計(jì)算模型

本文采用修正的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對(duì)土體的工程特性進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)合武漢地區(qū)深基坑工程經(jīng)驗(yàn)和本項(xiàng)目的巖土工程勘察報(bào)告，認(rèn)為基坑底部和兩車站之間的土層加固將增強(qiáng)支護(hù)體系的承載能力，場(chǎng)地各層土的物理力學(xué)參數(shù)也將得到適當(dāng)改善。場(chǎng)地各土層厚度及主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1，新建車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的本構(gòu)參數(shù)見表2，既有車站結(jié)構(gòu)梁板和柱的本構(gòu)參數(shù)見表3。

表1 各土層主要物理力學(xué)參數(shù)

表2 新建車站基坑支護(hù)體系的本構(gòu)參數(shù)

表3 既有車站結(jié)構(gòu)的本構(gòu)參數(shù)

2.3 動(dòng)態(tài)施工過程模擬

根據(jù)該工程的施工方案，基坑內(nèi)的土方開挖面超過每道內(nèi)支撐軸線以下一定深度，混凝土支承為下方0.5 m，鋼支撐為下方0.4 m。因此，建立新建車站深基坑動(dòng)態(tài)施工模擬過程，見表4。

表4 新建車站深基坑動(dòng)態(tài)施工過程

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 地下連續(xù)墻的水平位移

為便于敘述，規(guī)定X軸方向?yàn)榛拥拈L(zhǎng)度方向，Y軸方向?yàn)榛拥膶挾确较?，兩者均為水平方向；Z軸方向?yàn)榛拥纳疃确较?，向上為正?/p>

圖3和圖4分別為不同動(dòng)態(tài)施工工況條件下地下連續(xù)墻在Y方向和X方向的水平位移云圖。

圖3 不同動(dòng)態(tài)施工工況條件下地下連續(xù)墻在Y方向上的水平位移云圖

圖4 不同動(dòng)態(tài)施工工況條件下地下連續(xù)墻在X方向上的水平位移云圖

從圖3和圖4中可以看出，在基坑的動(dòng)態(tài)施工過程中，地下連續(xù)墻的變形逐漸向基坑內(nèi)部發(fā)展；基坑兩側(cè)地下連續(xù)墻的最大水平位移出現(xiàn)在基坑的中部，隨著基坑開挖越深，最大水平位移值位置沿地下連續(xù)墻向下逐漸移動(dòng)；基坑長(zhǎng)邊地下連續(xù)墻的變形比基坑短邊地下連續(xù)墻的變形更為明顯；基坑長(zhǎng)邊的最大變形量接近短邊最大變形的兩倍。

圖5為在不同動(dòng)態(tài)施工工況條件下，地下連續(xù)墻在不同位置處的水平位移曲線。結(jié)合圖1和圖5可以看出，當(dāng)基坑開挖到基坑底部時(shí)，基坑?xùn)|側(cè)長(zhǎng)邊中點(diǎn)位置截面的墻體最大水平位移約為38 mm；基坑北側(cè)短邊中點(diǎn)位置截面墻體最大水平位移約為20 mm；在基坑北端頭井與既有地鐵車站臨近的地下連續(xù)墻，墻體的最大水平位移約為25 mm；以上所有最大水平位移均出現(xiàn)在墻頂以下2/3墻體深度位置。

圖5 地下連續(xù)墻的水平位移曲線

以上分析結(jié)果表明，基坑北側(cè)短邊中點(diǎn)位置截面墻體變形最??；其次為基坑北端頭井與既有地鐵車站臨近的地下連續(xù)墻，基坑?xùn)|側(cè)長(zhǎng)邊中點(diǎn)位置截面的墻體的變形量最大，長(zhǎng)邊中點(diǎn)位置是深基坑動(dòng)態(tài)施工開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵區(qū)域。

3.2 內(nèi)支撐軸向力

根據(jù)數(shù)值模擬得到的計(jì)算結(jié)果，選擇基坑標(biāo)準(zhǔn)段斷面、基坑北端頭井與既有地鐵車站臨近位置，分析各內(nèi)支撐軸向力隨動(dòng)態(tài)施工過程的變化情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

從表5中的數(shù)據(jù)可以看出，不同位置處的第一道支撐軸力隨著基坑開挖進(jìn)程的不斷發(fā)展而逐漸減小，基坑開挖到基底時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)斷面水平支撐和基坑北端頭井水平斜撐的軸向力非常接近，約為100 kN。另外，按第一道支撐軸力大小排序，為標(biāo)準(zhǔn)斷面水平支撐最大，基坑北端頭井水平支撐最小，基坑北端頭井水平斜撐介于兩者之間，表明基坑端頭的空間效應(yīng)更加明顯，有利于改善第一道支撐的應(yīng)力；基坑不同位置處的第二道支撐、第三道支撐的軸力隨動(dòng)態(tài)施工的發(fā)展而上下波動(dòng)，最終趨于穩(wěn)定；從工況6至工況7，第四道支撐的軸向力出現(xiàn)明顯的增加?？傮w上可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置第二道和第四道支撐后，可有效減小各自上一道支撐的軸力。

表5 動(dòng)態(tài)施工過程中各內(nèi)支撐軸力變化

3.3 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析

采用數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比分析的方法，對(duì)地鐵車站深基坑動(dòng)態(tài)施工過程中的應(yīng)力特征和變形規(guī)律進(jìn)行分析。將監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC7-2、DBC7-3對(duì)應(yīng)的地下連續(xù)墻水平位移提取出來，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的地下連續(xù)墻變形曲線比較，見圖6。

從圖6中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值之間存在一定的差異，特別DBC7-2對(duì)應(yīng)的地下連續(xù)墻的水平位移差異尤為明顯。但總體而言，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可較好地揭示地下連續(xù)墻的水平位移變化規(guī)律，這與實(shí)際觀測(cè)情況基本一致。

圖6 地下連續(xù)墻水平位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比

表6為各施工階段各道支撐軸力數(shù)值模擬計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值之間的比較。從表6可以看出，當(dāng)基坑開挖至第一道支撐時(shí)(工況3)，數(shù)值模擬計(jì)算表明支撐處于受壓狀態(tài)，但實(shí)際上支撐承受著72.12 kN的張力；在后續(xù)施工工況條件下，第一道、第三道支撐軸力實(shí)測(cè)值均大于數(shù)值模擬計(jì)算值，同時(shí)第二道、第四道支撐軸力實(shí)測(cè)值均小于數(shù)值模擬計(jì)算值。

綜合圖6和表6可知，由于支撐軸力不僅是由基坑本身土體開挖和卸載引起的，而且還受施工荷載和現(xiàn)場(chǎng)施工條件的動(dòng)態(tài)變化的影響。因此，在各個(gè)動(dòng)態(tài)施工過程中，實(shí)際復(fù)雜多變的施工環(huán)境下，支撐表現(xiàn)出與數(shù)值模擬計(jì)算不同的應(yīng)力和變形特性。

表6 動(dòng)態(tài)施工過程中各內(nèi)支撐軸力數(shù)值模擬計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比較

圖7為新建地鐵車站基坑地面沉降測(cè)量點(diǎn)的布置；圖8為基坑開挖到底部時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)斷面(監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC7-3至監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC7-5斷面)的地表沉降數(shù)值模擬計(jì)算曲線；圖9為新建地鐵車站基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面同一側(cè)的地表沉降實(shí)測(cè)值變化。

圖7 新建地鐵車站基坑地面沉降測(cè)量點(diǎn)的布置

圖8 標(biāo)準(zhǔn)斷面地表沉降模擬計(jì)算值

圖9 新建地鐵車站基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面同一側(cè)的地表沉降變化

從圖8中可以看出，三維模擬計(jì)算的最終地表沉降曲線呈“溝槽”狀。從圖9中可以看出，計(jì)算的地表沉降量明顯大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，這是因?yàn)閿?shù)值模擬與現(xiàn)實(shí)條件之間，兩者的卸載條件和地層條件之間有所不同所致。數(shù)值模擬計(jì)算最大地表沉降出現(xiàn)在距基坑邊緣約13 m的位置處，沉降值大小為-10.3 mm，該位置實(shí)測(cè)沉降最大值的位置相近。

4 結(jié) 論

運(yùn)用三維數(shù)值模擬手段研究地鐵深基坑施工動(dòng)態(tài)過程，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形特性，包括地下連續(xù)墻的水平位移、內(nèi)支撐的軸力以及周邊地面沉降。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比數(shù)值計(jì)算的異同，結(jié)論如下：

1)地下連續(xù)墻的變形隨著開挖進(jìn)程的持續(xù)進(jìn)行而逐漸向基坑內(nèi)部發(fā)展；基坑兩側(cè)地下連續(xù)墻的最大水平位移位于基坑中部，且最大水平位移位置隨著動(dòng)態(tài)施工過程的發(fā)展，沿墻逐漸下移，在墻頂以下2/3墻高的深度處穩(wěn)定?；娱L(zhǎng)邊處的地下連續(xù)墻變形比短邊更為明顯，長(zhǎng)邊地下連續(xù)墻的最大變形量是短邊地下連續(xù)墻最大變形量的兩倍。

2)基坑北側(cè)短邊中部地下連續(xù)墻變形最小，其次是基坑北端頭井與既有地鐵車站臨近的地下連續(xù)墻變形，基坑長(zhǎng)邊中部地下連續(xù)墻變形最大。在深基坑開挖施工中，基坑長(zhǎng)邊中部區(qū)域應(yīng)作為監(jiān)測(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵區(qū)域。

3)不同位置的第一道支撐軸向力隨著動(dòng)態(tài)施工過程的不斷發(fā)展而逐漸減小，基坑端頭的空間效應(yīng)更加明顯，有利于改善第一道支撐的應(yīng)力；隨著動(dòng)態(tài)施工條件的發(fā)展，第二道支撐、第三道支撐的軸力在上下波動(dòng)，最終趨于穩(wěn)定，設(shè)置第二道支撐和第四道支撐后，可有效減小各自上一道支撐的軸力；基坑開挖過程中，第二道支撐的軸力最大，應(yīng)加強(qiáng)該道支撐的監(jiān)測(cè)。

4)地表沉降的影響范圍隨開挖的不斷深入而逐漸擴(kuò)大，其沉降值不斷增加。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果可知，數(shù)值模擬能夠較好地反映基坑的一般力學(xué)特性，在一定程度上反映了施工過程的進(jìn)展。然而，由于數(shù)值模擬方法不能充分、實(shí)時(shí)地響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，因此仍然具有局限性。