地鐵深基坑施工過程受力變形規(guī)律與數(shù)值分析

臧士文 鄭 偉

（1.深圳地鐵建設(shè)集團有限公司，廣東 深圳 518000；2.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

在地鐵基坑開挖過程中，基坑支護結(jié)構(gòu)以及周圍土體的應(yīng)力應(yīng)變均具有一定的時空演變效應(yīng)，在不同的開挖進程中，支護結(jié)構(gòu)的受力與變形、土體的沉降均受到多種因素的影響，為解決地鐵深基坑動態(tài)施工多次對支護結(jié)構(gòu)的受力、變形以及土體的沉降影響程度，該文嘗試采用數(shù)值模擬手段，通過建立三維有限元分析模擬，以深圳地鐵鐘屋站為研究對象，分析基坑開挖進程中，地下連續(xù)墻的水平位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐的軸力以及基坑周圍地表的沉降情況，研究成果可為地鐵深大基坑的支護和監(jiān)測決策提供參考。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通12號線工程鐘屋站為第18個車站，車站為地下2層2島3線式站臺，站臺寬9 m，有效站臺長度140 m，車站內(nèi)含有2條機場東出入段線，車站總長595.8 m。車站頂板到地表的垂直距離為3.23 m~4.46 m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外輪廓寬度為30.300 m~32.454 m。

車站采用明挖法與半鋪蓋法相互結(jié)合的施工方法，基坑的深度為21.0m，豎向設(shè)置3道支撐。車站主體結(jié)構(gòu)主要位于全風(fēng)化混合花崗巖，不需要爆破，采用機械開挖施工。車站主體圍護結(jié)構(gòu)形式為嵌固封閉式地下連續(xù)墻，墻厚度為800mm。在豎向方向上設(shè)置3道支撐，第一道支撐材質(zhì)為鋼筋混凝土，支撐的寬度為800mm，高度為1000mm，第二道和第三道內(nèi)支撐均為鋼結(jié)構(gòu)，均采用外直徑為609mm，厚度為16mm，材質(zhì)為Q235B的鋼管。鐘屋站標(biāo)準(zhǔn)段支護結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 鐘屋站標(biāo)準(zhǔn)段支護結(jié)構(gòu)剖面（單位：mm）

2 場區(qū)工程地質(zhì)條件

該場地內(nèi)各土層的地層特征見表1。

表1 車站基坑開挖影響范圍內(nèi)的地層特征

3 地鐵車站深基坑動態(tài)施工數(shù)值模型的建立

基坑開挖范圍內(nèi)地層的修正摩爾庫倫模型參數(shù)見表2。

表2 車站基坑開挖影響范圍內(nèi)的地層滲透系數(shù)

計算時，地下連續(xù)墻采用板單元模擬，泊松比取為0.2，彈性模量為3.1×10kN/m，鋼支撐和鋼圍檁采用桁架單元模擬，泊松比取為0.3，彈性模量為2.0×10kN/m，鋼筋混凝土支撐采用梁單元模擬，泊松比取為0.2，彈性模量為3.0×10kN/m?；顬?1.0m，地下連續(xù)墻嵌固深度為10m，因此在重力方向上取整體模型的尺寸為50m，在水平橫向方向上，基坑的外輪廓寬度為30.000m，因此整體模型分別向基坑外輪廓寬度外擴50m，取為130m，在水平縱向方向上，車站的外包長度為595.8m，因此整體模型分別先基坑外輪廓長度外擴約50m，取整數(shù)為700m。在邊界的設(shè)定上，基坑整體模型的地表為自由邊界，無約束；整體模型的底部邊界為固定邊界；整體模型的四周可以產(chǎn)生重力方向的移動，但無水平方向的位移。建立的隧道-土體整體模型如圖2所示。為模擬基坑動態(tài)施工過程，計算步驟與開挖步驟一致。鐘屋站基坑開挖方式為分層放坡開挖，分層情況具體如下。第一層：開挖至冠梁、支撐梁底部，開挖層高1.70m；第二層：待冠梁、支撐梁達到設(shè)計強度后，縱向從端頭放坡，開挖層高4 m；第三層：繼續(xù)開挖層高3.9 m至第一道鋼支撐底部0.5 m，安裝第一道鋼支撐；第四層：開挖4.8m，至第二道鋼支撐底部0.5 m，安裝第二道鋼支撐；第五層：繼續(xù)開挖至基底以上50cm的位置，層高4.7m；第六層：基坑底部0.5 m范圍內(nèi)，采用人工開挖。

圖2 地鐵車站深基坑整體模型

4 地鐵車站深基坑動態(tài)施工數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 地鐵車站深基坑地下連續(xù)墻變形規(guī)律

圖3為開挖到不同層級條件下地鐵車站深基坑中部標(biāo)準(zhǔn)斷面地下連續(xù)墻的位移變化情況。從圖中可以看出，在開挖至第四層級時，地下連續(xù)墻的實測值和模擬值均沿著墻體豎向整體成“弓”狀，且實測值最大位移值為24.20mm，最大位移發(fā)生的位置為基坑當(dāng)前第四層級的開挖面上，模擬值最大位移值為16.35mm，比實測值小7.85mm，最大位移發(fā)生位置也為第四層級的開挖面上；在開挖到第五層級時，地下連續(xù)墻的實測值和模擬值均沿著墻體豎向整體成“弓”狀，且實測最大位移值為34.00mm，最大位移發(fā)生的位置為基坑當(dāng)前第五層級的開挖面上，模擬最大位移值為23.25mm，比實測值小10.75mm，最大位移發(fā)生位置也為第五層級的開挖面上；同樣地，在開挖到基坑底部時，地下連續(xù)墻的實測值和模擬值均沿著墻體豎向整體成“弓”狀，最大位移發(fā)生位置也為基坑底部的開挖面上。由此可知，地下連續(xù)墻的變形實測值曲線與變形模擬值曲線的演變規(guī)律基本相同，均呈現(xiàn)出“弓”狀，且最大位移發(fā)生的位置為當(dāng)前開挖面上，并且水平位移峰值隨著開挖深度的增加而不斷增大。

圖3 不同層級開挖條件下基坑地下連續(xù)墻的變形實測值與變形模擬值對比

4.2 地鐵車站深基坑支撐結(jié)構(gòu)受力

表3為開挖到不同層級條件下地鐵車站深基坑中部標(biāo)準(zhǔn)斷面內(nèi)支撐軸力變化情況。從表3中可以看出，在施作完成第一道鋼筋混凝土支撐后，其受力為壓力，軸力值大小為185.34kN，而開挖到第3層次后，由于完成了第二道鋼支撐的布設(shè)，使第一道鋼筋混凝土支撐的軸力逐步被分擔(dān)，因此其內(nèi)力有所減少，軸力值大小為157.34kN，在地鐵車站深基坑不斷開挖的過程中，第一道鋼筋混凝土支撐的軸力都是不斷減少的；第二道鋼支撐的布設(shè)是在基坑開挖到第3層級后開始的，隨著開挖至第4層級，軸力增加了近一倍，隨后在地鐵車站深基坑的不斷開挖過程中，第二道鋼支撐的軸力變化相對平穩(wěn)；第三道內(nèi)支撐自架設(shè)后，其軸力從937.45 kN先減少到739.56 kN，后略為增加到778.45 kN。

表3 開挖到不同層級條件下地鐵車站深基坑中部標(biāo)準(zhǔn)斷面內(nèi)支撐軸力變化

4.3 地鐵車站深基坑地表沉降規(guī)律

圖4為開挖到不同層級條件下地鐵車站深基坑中部標(biāo)準(zhǔn)斷面地表沉降變化情況。從圖4中可以看出，任意一個開挖層級條件下，基坑地表沉降曲線均呈現(xiàn)出“勺”狀凹陷的變化規(guī)律，且地表沉降的最大值隨著基坑開挖的不斷深入而有所增加，開挖第一層級時，地表沉降最大值為1.8mm，而在開挖至第三層級時，地表沉降最大值為10.00mm，在開挖至基坑底部時，地表沉降最大值為16.05mm，所有開挖層級條件下，距離基坑邊線約為5 m的地方存在沉降峰值，且在所有開挖層級下，地表距離基坑約1倍基坑深度后其沉降值小于3 mm，表明基坑動態(tài)施工對地表沉降的影響在1倍基坑范圍內(nèi)，在施工過程中應(yīng)該加強該范圍內(nèi)的地表和建筑物位移的監(jiān)測。

圖4 開挖到不同層級條件下地表沉降變化曲線

5 結(jié)論

該文以深圳市城市軌道交通12號線工程鐘屋站為研究對象，運用有限元模擬手段對地鐵車站深基坑動態(tài)施工過程進行計算，得出以下3個結(jié)論：1）地下連續(xù)墻的變形實測值曲線與變形模擬值曲線的演變規(guī)律基本相同，均呈現(xiàn)出“弓”狀，且最大位移發(fā)生的位置為當(dāng)前開挖面上，并且水平位移峰值隨著開挖深度的增加而不斷增大2）在地鐵車站深基坑動態(tài)開挖過程中，第一道鋼筋混凝土支撐軸力不斷減少，第二道鋼支撐的軸力先增加，隨后呈穩(wěn)定狀態(tài)，第三道鋼支撐呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。3）任意一個開挖層級條件下，基坑地表沉降曲線均呈現(xiàn)出“勺”狀凹陷的變化規(guī)律，峰值存在逐步增加的效應(yīng)。