復(fù)雜地鐵車站深基坑體系的變形分析

羅智勇， 宋林波，丁增志， 成啟航， 王海倫

(1. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610031；2. 西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

近些年來，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵車站基坑工程呈現(xiàn)出顯著特點：工程規(guī)模越來越大；地鐵車站、地下停車場、地下?lián)Q乘和商業(yè)大廳一體化，基坑形狀越來越復(fù)雜；開挖深度超過20 m的基坑越來越多[2-4]。地鐵車站深基坑的施工難度和施工風(fēng)險不斷增加，工程事故屢屢發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。

對于城市深基坑工程而言，因其周邊環(huán)境的復(fù)雜性和基坑工程的重要性，基坑支護結(jié)構(gòu)得到高度重視，基坑邊坡的穩(wěn)定性要求均能得到滿足。但由于基坑深度較大，開挖卸荷土體方量大，周圍環(huán)境對變形敏感，因此，基坑工程對變形控制越來越嚴格。深基坑變形分析一般采用理論方法和數(shù)值分析法。

在理論方法中，對深基坑工程中的變形預(yù)測和影響因素的研究尤為重要。其中，有學(xué)者利用數(shù)量化理論，配合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對基坑變形的影響因素進行了系統(tǒng)研究；還有學(xué)者通過對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的趨勢性分析和對小波去噪、極限學(xué)習(xí)機等模型的使用，總結(jié)了基坑變形預(yù)測的理論方法。而對于相對復(fù)雜或者特殊地基的地下空間深基坑工程，也有不少人對其變形規(guī)律進行了總結(jié)。這些都為后人提供了有效的科研經(jīng)驗。

而在數(shù)值分析計算中，大多以運用有限元分析軟件為主，對深基坑在不同工況下的變形特性進行數(shù)值分析。例如運用FLAC3D、ABAQUS等軟件對開挖過程中的基坑地表沉降、支護結(jié)構(gòu)及周邊土體變形等規(guī)律進行分析；也可運用PLAXIS3D、GTS等軟件對深基坑開挖支護過程進行模擬，從而對工程各個階段基坑的地表沉降、支護位移、土體變形進行分析研究。這些都是深基坑工程中對變形沉降進行數(shù)值分析的有效方法。

本文以成都錦城廣場P+R地下停車場項目三線換乘區(qū)域基坑為依托，采用國際通用的巖土數(shù)值分析軟件FLAC3D開展復(fù)雜深基坑的變形分析。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

錦城廣場P+R地下停車場項目三線換乘區(qū)域基坑體系位于成都市環(huán)球中心東側(cè)，施工區(qū)域長591 m，寬213 m，占地面積約242 000 m2?；觾?nèi)規(guī)劃三條軌道交通線路，分別為16號、18號和29號線，其坑底深度分別為-24 m、-32 m和-41 m。三條軌道線路兩兩銳角相交形成坑底標高-24 m的三角換乘大廳。換乘大廳區(qū)域基坑為坑中坑的形式，最深處達-41 m，基坑周邊環(huán)境復(fù)雜。基坑體系平面形態(tài)如圖1所示。

圖1 基坑體系平面

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地勘資料，施工區(qū)域表層為第四系全新新統(tǒng)人工填土(Q4ml)，以雜填土為主，其下為全新統(tǒng)沖積(Q4al)黏土、粉土、上更新統(tǒng)冰水沖積、沖積(Q3fgl+al)砂石及卵石土，下伏基巖為白堊系灌口組(K2g)泥巖，泥巖中有灰綠色斑點及條帶，局部不均勻夾條帶狀及團塊狀石膏及芒硝。工程區(qū)內(nèi)施工期間持續(xù)降水，水位低于坑底1 m。地下水的補給類型主要為大氣降水補給。地下水主要包括賦存于黏土層之上的上層滯水、第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。

1.3 主要基坑支護結(jié)構(gòu)

錦城廣場站既有18號線主體結(jié)構(gòu)為地下四層的島式車站，南北走向，站臺位于地下四層，總長約367.5 m，標準段寬約21.7 m，底板埋深約32.0 m。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式。

基坑支護結(jié)構(gòu)主要包括圍護樁、鋼支撐、格構(gòu)柱、預(yù)應(yīng)力錨索。圍護樁均為φ1200@1800 mm的鉆孔灌注樁，采用C35級混凝土。不同開挖區(qū)域分別具有不同的樁長和錨固深度。樁頂施作冠梁用以減小支護結(jié)構(gòu)的變形。

支撐采用φ609 mm，壁厚16 mm的鋼管支撐，為Q235B級鋼。不同開挖區(qū)域分別具有不同的支護情況。預(yù)應(yīng)力錨索均采用M30級水泥砂漿作為灌漿材料，間距1.8 m，自由端頭施作圍檁用以減小支護結(jié)構(gòu)變形。不同開挖區(qū)域分別具有不同的支護情況。

2 數(shù)值計算模型

綜合考慮實際工程的復(fù)雜性、周邊環(huán)境的敏感性、數(shù)值計算精度、計算速度等影響因素，建模范圍主要包括16號線、18號線、29號線基坑和三線所圍成的三角換乘區(qū)域基坑。三維實體模型尺寸為516 m×423 m×60 m。對三維實體模型進行離散處理，網(wǎng)格劃分完成后，模型總計2 900 994個單元，507 542個節(jié)點。

主體結(jié)構(gòu)的樓板和外墻采用FLAC3D內(nèi)置的殼單元模擬，結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)梁、冠梁、支撐、格構(gòu)柱和圍檁采用梁單元模擬，圍護樁采用樁單元模擬，預(yù)應(yīng)力錨索采用錨索單元模擬?；芋w系三維數(shù)值模型和結(jié)構(gòu)空間位置如圖2、圖3所示。

計算邊界條件采用位移邊界，底部約束全部位移，側(cè)面約束相應(yīng)正向位移，切向位移不約束。

綜合考慮研究區(qū)內(nèi)土體的性質(zhì)，將地層簡化為硬塑黏土層、中密卵石土層和中風(fēng)化泥巖層。根據(jù)工程地勘資料并結(jié)合地區(qū)計算經(jīng)驗，各地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

既有18號線結(jié)構(gòu)，樓板和側(cè)墻混凝土強度等級為C45，彈性模量E=33.5GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2500kg/m3。圍護樁混凝土強度等級為C35，鋼筋等級為HPB300，樁體配筋為32φ25 mm，彈性模量近似取值為E=31.5GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2500kg/m3。鋼支撐采用Q235B級鋼，彈性模量E=200 GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=7850kg/m3。預(yù)應(yīng)力錨索，對于6束15.2 mm的1 860級鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索，彈性模量取值為E=183.1GPa。對于4束15.2 mm的1 860級鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索，彈性模量取值為E=186.8GPa。

根據(jù)工程施工順序，總計分為4個計算工況。

3 計算成果分析

3.1 18號線主體結(jié)構(gòu)位移

基坑開挖完成后，主體結(jié)構(gòu)有最大合位移約2.14 mm，位于18號線主體結(jié)構(gòu)與換乘區(qū)域基坑北端相交處，如圖4所示。其中，18號線主體結(jié)構(gòu)的第一層樓板最大水平位移約2.12 mm，位于18號線主體結(jié)構(gòu)與換乘區(qū)域基坑北端相交處。18號線主體結(jié)構(gòu)的第五層樓板最大回彈位移約1.50 mm，位于18號線主體結(jié)構(gòu)與29號線基坑相交處。GJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標，水平及豎向位移預(yù)警值應(yīng)小于10 mm。主體結(jié)構(gòu)的位移在規(guī)范要求的安全控制指標范圍內(nèi)。

(a)18號線主體結(jié)構(gòu)合位移

3.2 基坑體系土體位移

基坑開挖完成后，基坑土體最大合位移約9.33 mm，位于29號線基坑側(cè)壁頂部，如圖5所示。其中，29號線基坑底部最大豎向回彈位移約8.77 mm，29號線基坑側(cè)壁頂部最大水平位移約6.51 mm?；油馏w位移均在GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求的安全控制指標范圍內(nèi)。因此，在基坑開挖、支護的全過程中，基坑土體都是安全穩(wěn)定的。

圖5 基坑體系合位移

3.3 圍護樁位移

基坑開挖完成后，圍護樁最大合位移約6.46 mm，位于29號線基坑中部，如圖6所示。該工況下圍護樁的最大合位移位置與基坑土體的最大水平位移位置相同。

圖6 圍護樁合位移

4 結(jié)束語

本文以成都錦城廣場地鐵深基坑工程為依托，建立復(fù)雜空間形態(tài)深基坑的數(shù)值計算模型，采用FLAC3D軟件模擬基坑開挖、支護全過程，根據(jù)計算結(jié)果分析基坑的變形。

計算結(jié)果表明，基坑完全開挖后，既有18號線主體結(jié)構(gòu)最大合位移約2.14 mm，基坑土體最大合位移約9.33 mm，圍護樁最大合位移約6.46 mm。根據(jù)規(guī)范要求，城市軌道交通結(jié)構(gòu)水平及豎向位移預(yù)警值應(yīng)小于10 mm，既有18號線地鐵結(jié)構(gòu)能夠得到有效保護。而基坑變形和支護結(jié)構(gòu)變形也在規(guī)范允許范圍內(nèi)，基坑施工過程的邊坡安全穩(wěn)定可以得到保證。

對于既有地鐵主體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形態(tài)基坑體系，設(shè)計中不僅需要考慮基坑之間的相互作用，還要考慮基坑土體與支護結(jié)構(gòu)以及主體結(jié)構(gòu)與支護結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，任何解析方法都不能進行計算分析。本文采用FLAC3D程序，建立三維數(shù)值分析模型，模擬了基坑施工全過程，評價了基坑變形及對既有車站結(jié)構(gòu)的影響，論證了三維數(shù)值方法在復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)基坑工程分析中的有效性。