劉 菁，涂 敏，張向陽，羅光財，錢 龍

（1.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

隨著國內(nèi)地下軌道交通的迅速發(fā)展，大跨度深基坑地鐵車站工程越來越多，工程施工對周邊環(huán)境的安全性及穩(wěn)定性問題亟待解決［1－3］。國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值分析的方法研究深基坑工程中地下連續(xù)墻的變形及土方開挖過程對周圍建筑物及構(gòu)筑物的影響。胡安峰等［4］基于ABAQUS模擬了某車站深基坑施工過程，證實(shí)了有限元模型能夠?yàn)榛觾?yōu)化設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)。周勇等［5］、李宇杰等［6］對處于紅砂巖地層下深基坑的開挖支護(hù)做了詳細(xì)研究，利用Midas GTS／NX有限元軟件模擬出適合紅砂巖地層巖性條件下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，有效減小了基坑周邊建筑物沉降。針對基坑緊鄰周邊建筑物工程，韓健勇等［7］利用Plaxis軟件建立了二維有限元模型，并選取更適用于基坑開挖問題的硬化土模型（HS模型）作為本構(gòu)方程，得出土體在開挖卸荷過程中，沉降最大值發(fā)生在距圍護(hù)結(jié)構(gòu)約0.6倍基坑開挖深度處。Shi等［8］采用數(shù)值模擬研究車站深基坑降水開挖變形過程及影響因素，分析不同預(yù)降水條件和不同止水帷幕深度對基坑的變形影響，指出滲流－應(yīng)力在基坑降水開挖中具有明顯的耦合作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中位置和最大側(cè)向位移為0.5～0.6倍樁體開挖深度。為了快速推進(jìn)工期并降低工程造價，學(xué)者們不斷提出新的支護(hù)技術(shù)和方法。Yin等［9］建立數(shù)值模型，將原有的樁錨梁（PAB）支護(hù)系統(tǒng)改進(jìn)為樁錨肋梁（PARB）支護(hù)系統(tǒng)，驗(yàn)證了數(shù)值計算模型的有效性和準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)增加樁埋深對提高支護(hù)能力有較大作用，而改變腰梁尺寸對支護(hù)效果改善不明顯。莫品強(qiáng)等［10］基于彈性抗力法提出支護(hù)樁－冠梁－支撐變形協(xié)調(diào)的計算方法。陸培毅等［11］、葉任寒等［12］分析了工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)出深基坑圍護(hù)樁變形呈“倒三角”分布，最大位移出現(xiàn)在樁頂，需要對樁頂進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。周勇等［13］使用一樁兩用的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效縮短工期并節(jié)約成本。竇波洋等［14］通過設(shè)計常物理試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁樁頂最大水平位移約為開挖深度的0.32%。張玉成等［15］、蔡建軍等［16］選用多種支護(hù)形式組合的設(shè)計方法，保證大型基坑工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。Peng等［17］提出的互撐＋樁錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)對相鄰車站軌道變形有較好的控制作用，并證實(shí)了系統(tǒng)模型的可靠性。Yang等［18］設(shè)計采用1 m厚地下連續(xù)墻和850SMW 工法樁＋多層內(nèi)撐式組合結(jié)構(gòu)，有效控制了軟土層深大基坑的變形。

為進(jìn)一步研究深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其內(nèi)支撐變形規(guī)律，本文以合肥地鐵要素大市場地鐵站深基坑工程為例，采用有限元軟件Midas GTS／NX模擬深基坑開挖支護(hù)過程，對照現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析深基坑變形規(guī)律，為其他類似基坑工程問題提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 車站概況

要素大市場車站為合肥地鐵7號線一期工程第10座車站，位于徽州大道與南京路交叉口。車站外包長度為335.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段跨度為44.7 m，覆土層厚度為2.40～4.39 m，底板埋深為16.79～19.74 m，車站主體基坑施工采用明挖順作法。車站西南象限為綠化帶及合肥要素大市場（地上7層鋼混結(jié)構(gòu)），車站距其地下室入口約18.7 m；其余象限建筑物離車站較遠(yuǎn)，不受基坑開挖影響。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)方案

依據(jù)工程設(shè)計規(guī)范，該車站為地下二層14 m島式站臺，即是雙島五柱六跨鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)形式。采用鉆孔灌注樁作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐進(jìn)行支護(hù)。樁墻采用φ1 000＠1 300 mm的C40水下混凝土鉆孔灌注樁，樁長23.6～23.8 m，相鄰內(nèi)支撐間隔約為9 m。

2 數(shù)值模擬有限元分析

2.1 數(shù)值模型建立及開挖工況設(shè)計

（1）數(shù)值模型幾何特征及邊界條件。依據(jù)土層地質(zhì)條件，考慮開挖基坑相關(guān)影響因素，對土層分層進(jìn)行適當(dāng)簡化，運(yùn)用Midas GTS／NX有限元軟件建立三維數(shù)值分析模型?？紤]模型邊界效應(yīng)，數(shù)值模型尺寸取深基坑的3～5倍，具體尺寸為510 m×285 m×53 m（長×寬×高）。模型邊界約束采用軟件自有的固定邊界程序，同時為立柱添加抗扭轉(zhuǎn)約束，有效控制其在X和Y方向的位移，將要素大市場根據(jù)其整體質(zhì)量等效替換為均布荷載施加在計算模型的上表面。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格生成器，對開挖區(qū)進(jìn)行六面體網(wǎng)格加密同時兼容四面體和五面體網(wǎng)格過渡，模型共計網(wǎng)格131 438個，節(jié)點(diǎn)100 265個。

（2）土體本構(gòu)模型選擇?？紤]土體的多相性、散體性和自然變異性等特點(diǎn)，選擇Mohr－Coulomb本構(gòu)模型并進(jìn)行修正。修正Mohr－Coulomb本構(gòu)模型可以體現(xiàn)不受壓縮屈服影響和剪脹破壞的雙硬化行為［19］，有效模擬了冪函數(shù)下彈塑性和非線性彈性模型的雙重組合，更適用于淤泥或砂土特性土層。依據(jù)Hooke定律，采用線彈性模型模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐、工程立柱樁等構(gòu)件。修正Mohr－Coulomb模型參數(shù)見表1。

表1 土層修正Mohr－Coulomb本構(gòu)模型參數(shù)

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型確定?？紤]到鉆孔灌注樁形成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土內(nèi)支撐節(jié)點(diǎn)的耦合作用，將鉆孔灌注樁轉(zhuǎn)換為受力相似的地連墻進(jìn)行模擬計算［6］。根據(jù)剛度轉(zhuǎn)換原理，將直徑為2R、中心距為2R＋t的鉆孔灌注樁與長4R＋t的地連墻進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將最終模擬的墻厚記作H，混凝土彈性模量記作Ec，地連墻的厚度等效計算公式為

本車站基坑工程鉆孔灌注樁可等效為厚度1 000 mm的地下連續(xù)墻，建模時采用板單元模擬。鋼筋混凝土內(nèi)支撐采用梁單元模擬。立柱樁直徑為800 mm，樁長25.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段的樁間距為9 m，樁身剛度為3×107kPa，樁的容重為25 kN／m3。圖1為支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

（4）開挖工況設(shè)計。采用Midas GTS／NX特有的“施工階段建模助手”功能設(shè)置各開挖支護(hù)施工階段，開挖階段各工況如表2所示。

表2 施工工況表

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 地連墻水平位移分析

地連墻水平位移值與開挖深度呈正相關(guān)，最大位移量也隨著挖深逐漸下移。提取基坑的標(biāo)準(zhǔn)段所布觀測點(diǎn)ZQT35（監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖7所示）處地連墻側(cè)向位移模擬值，繪制位移曲線如圖2。在主動土壓力和鋼筋混凝土內(nèi)支撐的共同作用下，地下連續(xù)墻整體顯現(xiàn)“弓形”形式的位移變化?；酉蛳麻_挖至－1.5 m、－4.5 m、－7.0 m時，地下連墻水平位移的最大值分別為2.5 mm、7.3 mm、8.6 mm；隨著基坑向下開挖至－12.35 m，地下連續(xù)墻的墻頂位移在5.1 mm上下波動，水平位移最大值發(fā)生在墻頂以下11.9 m處，為13.9 mm，曲線呈現(xiàn)更為飽滿的“弓形”。繼續(xù)向下開挖至基底17.05 m時，地下連續(xù)墻在墻頂以下15 m達(dá)到最大水平位移22.3 mm，墻底位移最終達(dá)到19.8 mm。

圖2 各工況下地連墻水平位移曲線

2.2.2 基坑周邊地表沉降分析

提取基坑標(biāo)準(zhǔn)段觀測點(diǎn)DBC30處地表沉降值，繪出沉降曲線如圖3所示，可以看出在不同開挖工況下，基坑周邊地表沉降變化規(guī)律均大致呈現(xiàn)“勺形”。

圖3 DBC30斷面坑外地表沉降模擬結(jié)果

當(dāng)基坑開挖至地表以下7 m、12.35 m及17.05 m時，基坑周邊地表最大沉降值分別發(fā)生在距離基坑邊緣11.2 m、13.5 m和12.5 m處，達(dá)到5.5 mm、9.3 mm及15.4 mm。沿著基坑邊緣向外，各開挖階段地表沉降值呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，同時發(fā)現(xiàn)在距離基坑約0.85倍基坑開挖深度處，地表沉降量取得最大值。開挖卸荷改變土體應(yīng)力場導(dǎo)致土體變形，外側(cè)土體摩擦力與大剛度地連墻共同作用遏制基坑變形，從而影響基坑周邊地表沉降規(guī)律，開挖過程中圍護(hù)樁后的地表沉降量小于預(yù)警值可佐證基坑始終處于穩(wěn)定狀態(tài)下開挖。

2.2.3 混凝土內(nèi)支撐軸力分析

不同開挖階段下各道鋼筋混凝土支撐的軸力分布云圖如圖4所示?；幽Ｐ椭休S力最大的位置位于第二道鋼筋混凝土支撐，軸力最大值達(dá)到3 510 kN，橫撐的軸力相對于斜撐稍微偏大，且隨著鋼筋混凝土支撐的層層架設(shè)而逐漸降低。第二道支撐的及時架設(shè)使得第一道支撐軸力由峰值1 190 kN下降至985 kN，同時在同層支撐架設(shè)毗鄰支撐，其軸力也明顯減弱。第一道支撐的軸力最大值為1 190 kN，出現(xiàn)于架設(shè)始端，與監(jiān)測值基本一致，第二層支撐架設(shè)后，軸力緩慢降低。統(tǒng)觀數(shù)值模擬時各道支撐賦存的軸力值，其最大值僅占設(shè)計軸力的20%～58%，遠(yuǎn)小于預(yù)警值，基坑穩(wěn)定性得到了保障。

在架設(shè)完第一道支撐繼續(xù)向下開挖時（－1.5～－7.0 m），第一道支撐受到的圍護(hù)墻后土壓力逐步增大，軸力增大速度與其變化規(guī)律和實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合。在土方開挖深度增大到12.35 m時，第二道支撐效應(yīng)不明顯，致使第一道支撐軸力逐漸增加，但增加量只有5.05% ～6.59%，變化速率極小，最終在1 010 kN上下波動。

3 物理模型試驗(yàn)及分析

為分析地鐵站深基坑逐步開挖過程中的基坑周邊土體水平位移程度、內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變特征以及基坑周圍土體的沉降位移規(guī)律，利用室內(nèi)物理模型試驗(yàn)研究不同工況下排樁支護(hù)變形規(guī)律，分析基坑開挖邊緣土層內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變特征。

3.1 建立相似模型

依照工程特點(diǎn)，為便于分析基坑開挖穩(wěn)定性規(guī)律，取車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段縱向剖面部分進(jìn)行物理相似模型試驗(yàn)?zāi)M，結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際和試驗(yàn)平臺情況，確定幾何相似比為CL＝CL原∶CL模＝100∶1，尺寸為1.0 m×1.0 m×0.7 m（長×寬×高）。模型土參數(shù)選擇要同時考慮相似判據(jù)的約束、土層的物理性質(zhì)和膠結(jié)劑的性質(zhì)。依據(jù)相似準(zhǔn)則，模型土的參數(shù)選擇主要考慮幾何尺寸、容重和模量的相互約束關(guān)系。

以石英砂為骨料，滑石粉和酪素粉為弱膠結(jié)劑，使相似土體的密度接近真實(shí)土體［14］。采用0.7 mm粗、1.5 cm×1.5 cm網(wǎng)孔的熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)模擬圍護(hù)墻，采用孔徑為7 mm的UPVC管模擬基坑內(nèi)支撐。

3.2 數(shù)據(jù)采集

壓力盒布設(shè)與應(yīng)力監(jiān)測采用振弦式土壓力盒配合YJZA－32智能數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集開挖面兩側(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，通過Origin數(shù)據(jù)處理軟件對模型監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

在模型試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，布置位移測點(diǎn)，采用數(shù)碼相機(jī)對模型同一位置、不同時刻的像素點(diǎn)進(jìn)行對比，以觀測工作面回采過程中土體位移變化情況。在基坑研究區(qū)域加密位移測點(diǎn)數(shù)量，因此在模型上下部分共布置16排25列位移測點(diǎn)，其規(guī)格為3 cm×3 cm。

完成以上準(zhǔn)備工作后，依次配制硬塑黏土（40 cm）、可塑黏土（5 cm）和雜填土（5 cm）。填土10 cm夯實(shí)一次，靜置1 d。在填土至25 cm安置鋼絲網(wǎng)（圍護(hù)結(jié)構(gòu)），用兩腳圖釘固定，做好標(biāo)記。安放壓力盒，主要沿著鋼絲網(wǎng)邊緣兩側(cè)，5 cm、10 cm、17 cm處各埋設(shè)一層。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

拆模養(yǎng)護(hù)完成后，連通數(shù)據(jù)收集儀器線路，構(gòu)成回路并進(jìn)行調(diào)零，相機(jī)固定進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。按照數(shù)值模擬設(shè)置的開挖工況，每完成一次開挖，靜置2 h后再進(jìn)行下一步開挖；當(dāng)開挖至－2 cm、－8 cm處模擬內(nèi)支撐架設(shè)，每道支撐和鋼絲網(wǎng)用熱熔膠進(jìn)行粘合，保證結(jié)點(diǎn)的耦合作用。整個過程中每隔2 s自動收集一次應(yīng)變數(shù)據(jù)，應(yīng)力應(yīng)變位移貫穿整個試驗(yàn)過程。

以基坑開挖面右側(cè)的側(cè)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對象，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨開挖過程的變化如圖5所示，水平位移曲線基本呈現(xiàn)“弓形”。

當(dāng)開挖至第一道支撐架設(shè)前（開挖1），開挖深度為2 cm，這時基坑側(cè)壁水平位移較小，為0.2 mm；當(dāng)開挖至第二道支撐架設(shè)之前（開挖3），開挖深度為8 cm，分層開挖的每個工況下基坑側(cè)壁水平位移緩慢增大，最大水平位移發(fā)生在開挖深度5.3 cm處，為0.78 mm；架設(shè)完第二道支撐后繼續(xù)向下開挖至深度為13 cm（開挖5），此時基坑側(cè)壁水平位移最大值下移至7.5cm深度處，達(dá)到1.4 mm；當(dāng)開挖深度達(dá)到17 cm至基底（開挖7），最大位移發(fā)生在開挖深度10 cm處達(dá)到了1.8 mm；待土壓力釋放穩(wěn)定后，基底側(cè)壁最終水平位移量保持在0.9 mm左右。

模型由開挖工況決定在基坑兩側(cè)均布設(shè)三層壓力盒，每層3個，間距為25 cm，總計18個壓力盒，分析基坑外側(cè)土體因回轉(zhuǎn)下沉而作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)向土壓力，取每層壓力盒變化值加權(quán)平均，其變化規(guī)律如圖6所示。隨著支撐的架設(shè)，邊緣土體的下沉得以控制，下沉量減小，壓力盒壓力值增量減小。

圖6 基坑側(cè)壁土壓力變化規(guī)律

4 現(xiàn)場監(jiān)測方案及結(jié)果分析

4.1 監(jiān)測方案

對地連墻、基坑周邊地表、建筑物和內(nèi)支撐軸力等指標(biāo)進(jìn)行全過程監(jiān)測量控，圍護(hù)墻側(cè)向位移和周邊地表沉降的累計絕對值均不超過30 mm，累計開挖深度不超過0.20%，變形速率不大于3 mm／d，支撐軸力不大于6 000 kN。監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)見圖7。

圖7 基坑監(jiān)測點(diǎn)平面布置

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

（1）圍護(hù)墻頂水平位移。

深基坑中土體卸荷產(chǎn)生側(cè)向土壓力，導(dǎo)致土體產(chǎn)生水平位移。相較于其他監(jiān)測指標(biāo)，支護(hù)結(jié)構(gòu)各部分與土體及外界因素的耦合作用造成了支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，產(chǎn)生這種變形的本質(zhì)是結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化與調(diào)整。圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻頂水平位移是基坑變形監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。本文選擇了基坑周圍的4個監(jiān)測點(diǎn)ZQT35、ZQT39、ZQT41和ZQT17的實(shí)測值進(jìn)行研究，分析支護(hù)墻墻頂?shù)乃轿灰浦惦S時間的變化（見圖8）。

圖8 墻頂水平位移隨時間的變化關(guān)系

由圖8可知，基坑內(nèi)圍護(hù)墻頂?shù)乃阶冃卧诓煌氖┕るA段明顯不同。監(jiān)測點(diǎn)ZQT35、ZQT39、ZQT41及ZQT17從近到遠(yuǎn)布置在基坑標(biāo)準(zhǔn)段的中間位置，各監(jiān)測點(diǎn)的最大水平位移值分別為7.4 mm、6.7 mm、5.2 mm、4.5 mm，說明基坑周圍土體水平位移分布不均衡，圍護(hù)墻頂位移最大值出現(xiàn)在基坑中部。各個監(jiān)測點(diǎn)的位移量均遠(yuǎn)小于控制值30 mm，表明施作冠梁和鋼筋混凝土內(nèi)支撐對地下連續(xù)墻墻頂?shù)乃揭苿悠鹈黠@約束作用，在開挖過程中基坑安全可控。

（2）基坑周邊地表沉降分析。

監(jiān)測點(diǎn)DBC09－1、DBC12－2、DBC27－2、DBC30－3、DBC32－3及DBC35－3的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析如圖9所示。隨著基坑不斷向下開挖，土體卸載量增大，地表沉降較快，監(jiān)測點(diǎn)DBC35－3最大沉降量在14.3 mm上下波動，直至開挖至基底施作結(jié)構(gòu)層時，基坑附近的地表沉降趨于穩(wěn)定。

圖9 基坑周邊地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

（3）軸力分析。

基坑架設(shè)兩道鋼筋混凝土支撐，軸力設(shè)計值均為6 000 kN。監(jiān)測點(diǎn)ZCL10的兩道內(nèi)支撐軸力隨時間的變化曲線如圖10所示。架設(shè)第一道鋼筋混凝土支撐后，由于混凝土硬化后收縮，初始壓應(yīng)力為1 350 kN。第二道支撐架設(shè)完成后，很大程度上分擔(dān)了基坑土層卸載產(chǎn)生的壓力，第一支撐的軸力顯著下降。當(dāng)基坑繼續(xù)開挖至地下12.35 m時，第二道支撐軸力達(dá)到了峰值3 680 kN，說明受力主要下移到基坑中下部，在開挖接近完成時支撐軸力變化緩慢且逐漸趨于穩(wěn)定。

圖10 ZCL10處內(nèi)支撐軸力曲線

5 結(jié)論

本文基于Midas GTSNX有限元軟件建立三維數(shù)值模型，借鑒相似模型試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測，深入分析了排樁支護(hù)的水平位移、內(nèi)支撐軸力以及基坑周圍地表沉降等指標(biāo)的相關(guān)變化規(guī)律。結(jié)論如下：

（1）深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移量與其開挖深度呈正相關(guān)，開挖中隨著內(nèi)支撐的逐步架設(shè)，地下連續(xù)墻的水平位移曲線逐漸呈現(xiàn)出“弓形”的變化規(guī)律，最大位移的部位逐漸下移，在地表以下15 m處達(dá)到峰值22.3 mm。隨著基坑開挖深度加大，基坑周圍地表沉降累計值增加，逐漸呈現(xiàn)“勺形”的變化規(guī)律，在距基坑邊緣12.5 m處達(dá)到最大沉降值15.4 mm。

（2）第二道支撐的及時架設(shè)會使第一道支撐軸力由峰值1 190 kN下降至985 kN，土體開挖卸荷產(chǎn)生的土壓力重分配，由兩道支撐共同承擔(dān)。當(dāng)開挖深度達(dá)到12.35 m時，第二層支撐承擔(dān)的軸力作用將不再明顯，而第一道支撐軸力增加，但軸力的增加速度下降，為5.05%～6.59%。

（3）采用物理相似試驗(yàn)從宏觀上揭示了開挖深度與側(cè)向坑壁變形和壓力呈正相關(guān)變化，隨深度的增加，圍護(hù)墻最大水平位移量出現(xiàn)在模型開挖至10 cm處，達(dá)到1.8 mm，約為開挖深度的0.18%，基坑開挖時其側(cè)向土壓力變化趨勢與實(shí)際工況基本吻合。