摘 要:研究目的:在地下工程建設(shè)過(guò)程中，地鐵車站作為重要的地下建筑公共設(shè)施，其安全性和穩(wěn)定性顯得尤為重要。本文通過(guò)研究某地鐵車站深基坑開挖過(guò)程，對(duì)土體和支護(hù)的變形與穩(wěn)定性展開研究，為今后的地鐵車站建設(shè)提供借鑒和參考。

         研究結(jié)論:通過(guò)綜合分析評(píng)價(jià)，我們得出深基坑開挖過(guò)程中土體及支護(hù)的變化規(guī)律: 入土較深的圍護(hù)墻體水平位移自下而上程遞增趨勢(shì)增長(zhǎng); 支撐軸力隨開挖過(guò)程有較明顯的變化，并最終趨于穩(wěn)定。通過(guò)模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基坑的第一道支撐使用鋼筋混凝土支撐較為合理，對(duì)支撐施加預(yù)應(yīng)力能夠有效地抑制地連墻和土體的側(cè)向位移。

關(guān)鍵詞:深基坑; 支護(hù)變形; 地下連續(xù)墻; 有限元

 

      地鐵車站深基坑工程作為一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性巖土工程，在施工過(guò)程中基坑內(nèi)外土體應(yīng)力狀態(tài)的改變將會(huì)引起土體的變形，深基坑監(jiān)測(cè)不僅可以保證基坑支護(hù)和相鄰建筑物的安全，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以指導(dǎo)基坑開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的信息化施工，為完善設(shè)計(jì)分析提供必要的依據(jù)。本文結(jié)合某地鐵車站深基坑工程具體情況，通過(guò)有限元程序與深基坑分析軟件對(duì)地鐵車站深基坑進(jìn)行了模擬計(jì)算^{［1 －2］}，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析來(lái)研究地鐵車站深基坑在開挖過(guò)程中土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

 

      某地鐵車站為標(biāo)準(zhǔn)地下兩層車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層，總長(zhǎng) 183 m，站臺(tái)為地下兩層島式站臺(tái)，主體建筑面積為 10 191． 1 m²，出入口通道、風(fēng)道建筑面積 3 272． 2 m²，車站主體建筑面積13 463． 3 m²。標(biāo)準(zhǔn)段外包寬 30． 5 m，主體結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度 2． 42 ～5． 26 m 左右，底板埋 20． 5 m( 有效站臺(tái)中心處) ，基坑底位于粉砂層和粉細(xì)砂層上，潛水水位在地面以下 0． 5 ～2． 0 m。

      車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，在大道段采用蓋挖順作法施工。車站主體設(shè)有全外包防水層，沿車站長(zhǎng)度方向依次分別開挖施工。車站主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合墻的連接方式。

 

      由于地鐵深基坑的實(shí)際施工過(guò)程較為復(fù)雜，在使用有限元和相關(guān)軟件分析的過(guò)程中一般需將土體按彈性或彈塑性材料進(jìn)行分析，為此做出如下假設(shè): ( 1) 將巖土體視為連續(xù)、均勻、各向同性介質(zhì)，采用 D － P 屈服準(zhǔn)則; ( 2) 僅考慮土體自重應(yīng)力的影響。

      地下連續(xù)墻及冠梁采用 C30 混凝土，彈性模量 E取為 30 GPa，泊松比 μ 取 0． 20，容重 25 kN/m³。鋼支撐直徑為609 mm，壁厚14 mm，采用 Q235 － B 材料，彈性模量 E 取 200 GPa，泊松比 μ 取 0． 26。各層土物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示。

      本次涉及基坑開挖模擬的施工過(guò)程為: 基坑開挖初期，需等到地下連續(xù)墻和冠梁及其上部的擋土墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才能進(jìn)行開挖，基坑開挖至第一次開挖面，設(shè)置支撐并施加預(yù)加力，這樣依次開挖土體至基底。

      根據(jù)車站基坑的基本情況建立二維有限元模型^{［10 －11］}，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果，將基坑所在地區(qū)的土層大致分為八層。模型左右兩側(cè)邊界施加法向約束，限制邊界的水平位移; 下側(cè)邊界也施加法向約束，限制邊界的豎向位移，本文選取 95 m ×52 m( 寬 × 高) 的區(qū)域建立計(jì)算模型，模型共劃分了 392 個(gè)單元，3 545 個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元網(wǎng)格劃分模型如圖 1 所示。

      由于地下連續(xù)墻和鋼支撐為主要的支護(hù)方式，限于篇幅的限制，本文主要就地下連續(xù)墻的墻體變形和支撐軸力的變化做出分析評(píng)價(jià)。借助有限元軟件PLAXIS 并結(jié)合理正深基坑設(shè)計(jì)軟件對(duì)于基坑開挖過(guò)程進(jìn)行模擬，得到墻體的位移及內(nèi)力變化及相應(yīng)位置上支撐對(duì)于墻體和土體的影響。

2． 4． 1 對(duì)地下連續(xù)墻的水平位移進(jìn)行模擬，主要模擬了開挖的四個(gè)工況，包括了四道支撐的安裝過(guò)程，墻體水平位移的變化趨勢(shì)，計(jì)算成果如圖 2 和圖 3 所示可知墻體位移隨埋深的增大而減少，設(shè)置內(nèi)支撐對(duì)土體的變形有很好的抑制作用，數(shù)值模擬墻體的變化規(guī)律同實(shí)測(cè)數(shù)值基本吻合。

2． 4． 2 就支撐材料和預(yù)應(yīng)力兩方面來(lái)分析對(duì)墻體和土體的影響，把支撐分為未施加預(yù)應(yīng)力與施加預(yù)應(yīng)力兩種情況來(lái)做比較。從圖 4 中可以看出當(dāng)對(duì)支撐預(yù)加軸力時(shí)，墻體位移變化速率明顯減緩，位移也相對(duì)減小，同時(shí)墻體所受負(fù)彎矩減小，可見預(yù)應(yīng)力對(duì)于抵抗土體和墻體的變形和減小被動(dòng)土壓力起到一定的作用，所以在深基坑開挖過(guò)程中，對(duì)支撐施加預(yù)應(yīng)力，特別是軟土地區(qū)，可以有效的降低土體開挖對(duì)基坑穩(wěn)定性帶來(lái)的不利影響。

      該基坑在蓋挖段使用鋼筋混凝土支撐作為第一道支撐，現(xiàn)用鋼支撐代替混凝土支撐來(lái)模擬，得到其對(duì)墻體的影響和變化規(guī)律。

 

      從圖 5 可以看到，使用鋼支撐后，墻體位移變化較大，相對(duì)彎矩也較大，可見在使用支撐來(lái)確�；�坑穩(wěn)定時(shí)，并非剛度越大的支撐就越好，而且在施加預(yù)應(yīng)力的時(shí)候，也并非越大越好，而需要根據(jù)安裝支撐所在位置土體在開挖過(guò)程中的受力情況而定。第一道支撐使用鋼筋混凝土支撐對(duì)基坑初期開挖較為有利，符合設(shè)計(jì)要求。

 

      基坑在開挖施工過(guò)程中要求對(duì)支撐預(yù)加軸力，第一、二道支撐預(yù)加軸力為計(jì)算軸力 30% ～50%，第三、四道支撐預(yù)加軸力為計(jì)計(jì)算軸力 50% 左右，為控制墻體水平位移，鋼支撐必須有重復(fù)預(yù)加軸力的裝置，下道支撐安裝后需對(duì)其上所有支撐調(diào)整預(yù)加軸力。

      根據(jù)開挖順序可知，在設(shè)置鋼支撐時(shí)要施加預(yù)加軸力，隨著土方的開挖，土體卸載，被動(dòng)土壓力減小，導(dǎo)致墻體水平位移有向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)展的趨勢(shì)，鋼支撐預(yù)加軸力與其抵消一部分，軸力相對(duì)逐漸增大，待開挖完成后，支撐軸力趨于穩(wěn)定。在支撐拆除階段，未拆除支撐軸力變化明顯，測(cè)點(diǎn)在支護(hù)拆除階段也有明顯的增長(zhǎng)。因此需在支撐拆除階段，對(duì)其他相應(yīng)支撐再?gòu)?fù)加預(yù)加軸力，以減小支撐拆除給整個(gè)基坑的穩(wěn)定性帶來(lái)的不利影響。

      從分析結(jié)果表明，基坑在每層開挖完成以及支撐拆除的兩個(gè)階段，相應(yīng)位置的支撐軸力波動(dòng)較大，對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響較大，故需采取相應(yīng)的措施，如在相應(yīng)時(shí)段對(duì)支撐施加預(yù)加軸力，相關(guān)軸力計(jì)部分測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)如圖6 所示，圖中3 －28^#測(cè)點(diǎn)安裝時(shí)間較短，變化起伏較大，而其它支撐測(cè)點(diǎn)已處于穩(wěn)定階段。

      蓋挖段支撐采用鋼筋混凝土支撐，屬于最先設(shè)置的支撐，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在基坑尚未開挖之前，混凝土的徐變收縮就已經(jīng)影響鋼筋混凝土支撐的軸力發(fā)生變化，隨著土體開挖深度增大，周圍土體不斷卸載，外加土體對(duì)支撐產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，使得混凝土支撐受壓，軸力隨土體的開挖不斷增大，待開挖至基坑底部，軸力逐漸趨于穩(wěn)定，并隨著時(shí)間增長(zhǎng)有所下降，最后趨于平穩(wěn)。

      ZC － 19、ZC － 14 是相對(duì)離上部輕軌比較近的測(cè)點(diǎn)，前方有一段軍用梁橋。上方即為交通繁忙的公路，所以當(dāng)土體開挖到此段時(shí)，對(duì)周圍結(jié)構(gòu)建筑及土體影響較大，如圖 7 所示 ZC －19、ZC －14 測(cè)點(diǎn)的軸力變化值相對(duì)起伏較大。待土體開挖和下方鋼支撐陸續(xù)設(shè)置完成后，該段支撐的狀態(tài)就趨于穩(wěn)定，軸力也趨于平緩。

 

      地下連續(xù)墻作為基坑支護(hù)中的重要部分，一方面在基坑開挖時(shí)約束了土體的變形，另一方面，對(duì)于地下水有一定的防滲作用，由于地鐵車站地下連續(xù)墻屬于較早完成的支護(hù)結(jié)構(gòu)，從圖 8 可以看出，地下連續(xù)墻在基坑開挖初期位移較小，隨著土體不斷向深層開挖，其位移也逐漸增大，同時(shí)土體埋深越大其變化就相對(duì)較小，這與土體開挖時(shí)的受力和該層土體性質(zhì)有關(guān)。所以當(dāng)基坑開挖越深，上方墻體的位移變化也越大，但隨著開挖完成及相應(yīng)的支撐的抑制作用，墻體最終會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)墻體位移形式也完全符合墻體入土較深的位移模式。

      ( 1) 在基坑開挖初期階段，鋼支撐軸力增長(zhǎng)迅速，隨著土體開挖完成，鋼支撐的軸力將趨于穩(wěn)定; 相對(duì)混凝土支撐來(lái)說(shuō)，而對(duì)鋼筋混凝土在開挖初期支撐的軸力呈二次曲線增長(zhǎng)，待其增長(zhǎng)到一定階段后，軸力才趨于穩(wěn)定;

      ( 2) 鋼支撐在基坑開挖階段，對(duì)于土體變形及整個(gè)基坑的穩(wěn)定起到了顯著作用，減緩了開挖后土體向墻內(nèi)的移動(dòng)。值得注意的是在鋼支撐周圍土體開挖及拆除支撐這兩個(gè)階段，鋼支撐變化明顯，且呈波動(dòng)型變化，該狀態(tài)對(duì)于基坑的穩(wěn)定性影響較大，需要做出相應(yīng)的預(yù)防措施，盡量避免開挖時(shí)土體處于無(wú)支撐狀態(tài);

      ( 3) 地下連續(xù)墻位移在開挖初期，墻體的水平位移會(huì)隨基坑開挖深度的增加而增大，但整體變化不大，隨著基坑開挖的深度不斷增大，地下連續(xù)墻水平位移也相應(yīng)增大，而且地下連續(xù)墻的水平位移也隨墻體埋深的增加呈遞減趨勢(shì)，即墻體埋深越大其水平位移越小。而且墻體的埋深直接影響到其水平位移的形式。

      總之，深基坑監(jiān)測(cè)作為基坑開挖工程中不可缺少的一項(xiàng)工作，不但可以及時(shí)反饋施工的質(zhì)量，同時(shí)可以預(yù)見和指導(dǎo)施工中所遇到的問(wèn)題，避免施工不當(dāng)和其他因素造成的損失，是施工決策和信息化施工的重要保障。