孫 兵 ，陶 然 ，周文波

1.上海隧道工程有限公司，上海 200032；2.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；3.上海隧道工程股份有限公司，上海 200032；4.上海城市基礎(chǔ)設(shè)施更新工程技術(shù)研究中心，上海 200032

近十幾年來(lái)，伴隨著城市地下空間的深度開(kāi)發(fā)，基坑工程作為地下空間結(jié)構(gòu)保駕護(hù)航的先期工程，面臨巨大挑戰(zhàn)。特別是近年來(lái)，隨著基坑規(guī)模越來(lái)越大，開(kāi)挖越來(lái)越深，對(duì)深基坑工程的研究提出越來(lái)越多的要求。目前對(duì)于基坑開(kāi)挖的研究主要集中于開(kāi)挖完成后的變形，例如劉國(guó)彬等［1］研究了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的變形破壞和土體塑性破壞等；文獻(xiàn)［2-6］研究了受力特性引起基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而引起整個(gè)基坑穩(wěn)定性的破壞等。而對(duì)于施工全過(guò)程中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍土體的變形過(guò)程鮮有研究。本文針對(duì)地鐵深基坑各分區(qū)的實(shí)際開(kāi)挖步驟，采用ABAQUS 軟件建立三維數(shù)值模型，研究了全開(kāi)挖過(guò)程中基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力特性，分析了周圍土體的變形和基坑塑性區(qū)域的分布，進(jìn)而對(duì)實(shí)際工程提出指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 工程概況

本文以南京地鐵五號(hào)線七橋翁車站為例。該車站位于規(guī)劃冶修二路與規(guī)劃紅花路的交叉口，為地下二層島式站，車站總長(zhǎng)201.4 m、總寬20.1 m。規(guī)劃的紅花路為東西向，寬37 m；規(guī)劃的冶修二路為南北向，寬33 m。

車站基坑埋深標(biāo)高18 m，地板埋深17.9 m，采用鉆孔灌注樁的形式加工法樁作為內(nèi)支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大寬度達(dá)到26.9 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)具體尺寸及水平布局如圖1所示，支撐材料、標(biāo)高見(jiàn)表1。

表1 基坑支撐情況Table 1 Foundation pit support condition

圖1 基坑支撐布置平面圖Fig.1 Layout plan of foundation pit support

車站施工區(qū)域內(nèi)以粉土、砂土、粉質(zhì)黏土為主，基坑坑底基本處于粉土內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入粉質(zhì)黏土層，采用明挖順作法對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表2 各土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical parameters of each soil layer

2 ABAQUS數(shù)值模型

運(yùn)用有限元軟件ABAQUS 建立基坑三維分析模型。為了減小邊界條件的影響，基坑建模時(shí)取不少于2 倍基坑的開(kāi)挖深度［3］，即模型高度取至地面以下70 m，模型長(zhǎng)度350 m、寬度150 m，整體有限元模型如圖2所示。

圖2 基坑三維數(shù)值模型Fig. 2 3D numerical model of foundation pit

為簡(jiǎn)化分析，本文將圍護(hù)結(jié)構(gòu)等效為地連墻，并將基坑模型分為南區(qū)與北區(qū)；模型底部采用固定約束，模型側(cè)邊界采用側(cè)向約束；場(chǎng)地土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.4；土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元（C3D8R），支撐采用梁?jiǎn)卧˙31）；土體采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則考慮其非線性，圍護(hù)結(jié)構(gòu)則采用線彈性模型模擬其力學(xué)行為。

基坑開(kāi)挖采用單元失效的方法模擬基坑土體的開(kāi)挖，模型參數(shù)及開(kāi)挖步驟分別見(jiàn)表3～表4。

表3 模型計(jì)算參數(shù)Table 3 Model calculation parameters

表4 施工開(kāi)挖步驟Table 4 Excavation steps in construction

為提高計(jì)算效率，ABAQUS 軟件模擬時(shí)采用減縮積分技術(shù)并通過(guò)剛度增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑土體變形分析

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形分析

為研究地下連續(xù)墻墻身水平變形，在南北兩區(qū)的端頭井段與標(biāo)準(zhǔn)段分別選擇兩個(gè)斷面，研究地連墻和支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移情況。南北兩區(qū)4個(gè)斷面位置如圖3 所示，其中1-1、3-3 斷面屬于端頭井段，1-1斷面位于南基坑北側(cè)7.1 m處，3-3斷面位于北基坑南側(cè)7.1 m處；2-2、4-4斷面為標(biāo)準(zhǔn)段，2-2 斷面位于南基坑北側(cè)36.18 m 處，4-4斷面位于北基坑南側(cè)54 m處。

圖3 地下連續(xù)墻關(guān)鍵斷面 單位：mFig. 3 Key section of underground continuous wall

4 個(gè)斷面的支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向偏移曲線如圖4 所示。由圖4 可知，開(kāi)挖完成后地連墻沿著深度方向變化特征相似，均表現(xiàn)為在頂部和底部變化較小而中部變化較大的“紡錘”型，即在開(kāi)挖深度5～20 m 時(shí)，基坑的水平位移不斷增加，在墻頂下方0.7H～0.8H（H為墻體高度）處達(dá)到最大值，最大側(cè)移約60 mm，之后隨著深度增大，水平位移逐漸減小，直至到地連墻底部位移趨于零；標(biāo)準(zhǔn)段地連墻側(cè)移量大于端頭井側(cè)移量。

圖4 地下連續(xù)墻關(guān)鍵斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向偏移量Fig. 4 Lateral offset of support structure of key sections of underground continuous wall

圖4中，在開(kāi)挖完第二層土后，曲線發(fā)生明顯變化，原因可能是內(nèi)支撐具有很大的剛度。第一道鋼支撐的施加使得相應(yīng)位置的土體位移受到限制，變形基本發(fā)生在該道支撐以下受限相對(duì)較小的區(qū)域；隨著多道內(nèi)支撐的架設(shè)，支護(hù)系統(tǒng)的整體剛度越來(lái)越大，位于支撐上方的地連墻幾乎保持不變，支撐下方地連墻變形的增長(zhǎng)速率也有所減緩。

3.2 基坑土體變形分析

3.2.1 坑內(nèi)土體隆起

依舊取上述4個(gè)斷面對(duì)基坑內(nèi)土體的隆起情況進(jìn)行研究，分別繪制各個(gè)斷面上土體的隆起位移圖，如圖5所示。

圖5 坑底土體隆起位移圖Fig. 5 Displacement map of soil uplift at pit bottom

由圖5可知，隨著基坑的開(kāi)挖，坑底土體在不斷卸荷，從而引起坑底土體隆起量的持續(xù)增長(zhǎng)，表現(xiàn)為沿著斷面方向基坑中心部位的隆起量大，基坑邊靠支護(hù)結(jié)構(gòu)的部位隆起量小，且隆起量的大小與基坑平面尺寸有密切的關(guān)系（基坑平面尺寸越大，坑底隆起值越大），端頭井段的坑底隆起量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段較小。

3.2.2 基坑周邊土體沉降

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑周邊土體會(huì)產(chǎn)生豎向變形，此處比較了基坑邊一側(cè)距基坑邊不同距離的周邊土體變形情況。為此，在上述4 個(gè)斷面上分別取距離基坑一側(cè)5、10、15、20、25、30、35、40、50 m 的點(diǎn)，對(duì)每個(gè)開(kāi)挖步驟及初始應(yīng)力平衡后的沉降情況進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 基坑周邊土體沉降量Fig. 6 Settlement of soil around foundation pit

由圖6可知，4個(gè)斷面的沉降曲線均呈現(xiàn)“勺”狀，且均在距離基坑邊緣8～9 m 處出現(xiàn)沉降峰值，最大沉降數(shù)值約為10 mm；此外，亦能看出端頭井段處斷面的周邊土體沉降量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段較小；在距離基坑邊緣10 m 范圍內(nèi)，基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的地面最大傾斜約為0.01 m，會(huì)對(duì)該范圍內(nèi)的砌體、框架和高層建筑產(chǎn)生不利影響；而距離基坑邊緣30 m以外的地面最大傾斜約為0.003 m，可認(rèn)為不會(huì)對(duì)地面建筑造成明顯影響。

4 結(jié)論

采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)地鐵深基坑開(kāi)挖全過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究了基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力特性，分析了坑內(nèi)土體的隆起變形及基坑周邊土體的沉降規(guī)律，得出如下結(jié)論。

（1）隨著基坑的開(kāi)挖深度不斷加大，坑底位移持續(xù)增加；坑底中心區(qū)域存在較大隆起，且挖深越大，隆起越大，整體為“鼓肚子”形式的變形。

（2）在墻體頂部下方0.7H～0.8H處支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移達(dá)到最大值，最大側(cè)移約60 mm（端頭井部最大側(cè)移為30 mm）；此后隨著挖深繼續(xù)增大，側(cè)向位移逐漸減小，直至到地連墻底部位移趨于零。

（3）基坑開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致周邊土體沉降，在距離基坑邊緣10 m 范圍內(nèi)，基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的地面傾斜會(huì)對(duì)該范圍內(nèi)的砌體、框架和高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；而距離基坑邊緣30 m 以外的地面傾斜則不會(huì)對(duì)地面建筑造成明顯影響。