摘要：
針對蘭州城區工程地質水文條件複雜的問題,為了研究該地區地鐵車站深基坑開挖過程中支護結構的變形受力特點和對周邊環境的影響,以迎門灘站深基坑工程為典型案例進行分析。該車站基坑所在區段屬黃河漫灘區,地鐵穿過地層主要為卵石土,水位5～8 m。該基坑圍護結構採用鑽孔灌注樁+鋼管內支撐體系。採用PLAXIS 3D有限元分析軟件對該基坑建立三維有限元計算模型,土體本構模型採用土體硬化(HS)模型,依據工程實際開挖工況進行分部開挖計算,根據計算結果對樁撐式支護結構的變形和受力及基坑周邊地表和地下管線的變形進行了分析。結果表明:圍護樁的變形量、地表沉降量和管線位移量會隨著基坑開挖深度的增加有逐漸累積的趨勢,但在架設內支撐並施加預應力後,這些變形量的增速會減緩甚至變形量會減小。內支撐施加預應力之後自身軸力會有較大增加,之後基本保持不變,對其他內支撐軸力的影響較小。各變形量均在控制範圍之內,滿足設計和環境要求,表明該深基坑採用的鑽孔灌注樁+鋼管內支撐支護體系設計合理。研究成果可為後續黃土地區類似地鐵車站深基坑工程建設提供一定的參考依據。
關鍵詞：
地鐵車站; 深基坑; 數值模擬; 變形; 受力; 有限元法;
葉帥華(1983—),男,副教授,博士,主要從事支擋結構、地基處理及岩土工程抗震方面的教學和研究工作。E-mail:[email protected];
黃安平(1995—),男,碩士研究生,主要從事支擋結構方面的研究工作。E-mail:[email protected];
基金項目：
國家自然科學基金項目(51768040);
引用：
葉帥華，黃安平，高升 . 蘭州某地鐵車站深基坑開挖變形特性及環境影響分析［J］. 水利水電技術，2020，51( 1) : 12-22.
YE Shuaihua，HUANG Anping，GAO Sheng. Deformation characteristics and environmental impact analysis of deep foundation pit excavationin a subway station in Lanzhou［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 1) : 12-22.
0 引言
中國城市軌道交通發展迅猛,已有30多座城市建成了或正在新建,或擬就了建設規劃。為保證地下結構施工及周邊環境的安全,需要對基坑側壁採用支擋、加固和保護措施。不同車站由於施工因素、地質條件和周邊環境不盡相同,所採用的圍護結構也不同。蘭州市地鐵車站基坑所處地層中含有黃土和卵石層,與目前國內外其他一些地區已建成的地鐵車站基坑地質條件存在較大差異。
目前許多學者對地鐵車站深基坑在開挖過程中的變形規律已經進行了大量的研究。孟長江採用不同的方法對漢口站深基坑支護結構進行了理論計算並與實際監測數據進行了對比分析。張運良等對各種常見的支護方式作用下的基坑開挖的變形情況進行比較分析,總結出各種支護方式下基坑變形規律。徐江等對軟土地區地鐵深基坑開挖施工過程進行了數值模擬並與實測數據進行了對比分析。葉帥華等對蘭州地區地鐵車站深基坑支護結構進行了數值模擬並與實測結果進行了對比分析,驗證了數值模擬結果的合理性。梅源等對西安地區溼陷性黃土地鐵車站深基坑開挖引起的地表及基坑支護樁變形特性進行了研究。但由於蘭州市地鐵建設起步較晚,對蘭州地區黃土地質條件下地鐵車站深基坑開挖變形特性的研究較少。在當前全國各地都在大力進行城市軌道交通建設的趨勢下,針對黃土地質條件下地鐵車站深基坑開挖過程中支護結構、坑周土體、內支撐軸力及地下管道的變形特性進行研究分析就顯得尤為重要。
深基坑內支護結構的變形量以及基坑周邊土體沉降值很難用傳統的解析法和經驗公式計算得到。隨著計算機技術以及計算科學的飛速發展,有限元分析技術因其獨有的優勢而得到了極大的發展,相應地有限元分析軟件普遍得以應用於科學研究中。PLAXIS 3D有限元分析軟件是一款功能強大的通用岩土有限元計算軟件,現在已廣泛應用於各種複雜岩土工程項目的有限元分析中,對基坑開挖過程的模擬與實際施工過程較為貼合。但是目前使用PLAXIS 3D有限元分析軟件進行數值模擬的研究很少,特別是針對黃土地質條件下采用樁撐式支護形式的車站基坑的數值模擬分析更少,PLAXIS 3D作為一款專業的岩土工程有限元軟件,應該更多地應用於岩土工程數值模擬分析中。
本文以蘭州城市軌道交通1號線迎門灘車站深基坑工程為背景,使用PLAXIS 3D有限元分析軟件對基坑開挖支護施工過程進行模擬。對支護結構的變形、內力,地表沉降和地下管道的位移的計算結果進行分析,可為後續黃土地區的樁撐式基坑圍護結構的設計和施工提供一定的參考價值。
1 工程概述
1.1 工程概況
迎門灘車站為蘭州城市軌道交通1號線一期工程中間車站,位於銀安路與萬新南路交口處。車站起點裡程為YDK12+907.896,終點裡程YDK13+149.946,有效站臺中心裡程為YDK13+066.496。採用地下兩層單柱雙跨(部分區段為雙柱三跨)的結構形式,車站主體淨長為242.05 m,標準段淨寬為19.60 m,總高14.54～16.44 m,為島式車站。車站底板埋置深度約為18.57～21.92 m,結構頂板覆土深度約為1.32～4.15 m。基坑平面位置如圖1所示。
圖1 車站基坑總平面佈置(單位:cm)
1.2 工程地質條件
基坑開挖影響範圍內土層為:
①-1雜填土,雜色,雜填土成分複雜,以粉土為主,夾有卵石、粗砂、磚塊、煤渣、生活垃圾等,鬆散-稍密,厚度為0.8～5.2 m。②-1黃土狀土,灰黃色深灰色,本層層頂深度0.8～2.6 m,厚度0.0～4.1 m;該層土層從上至下,灰黃色部分,粉粒含量較高;深灰色部分,黏粒含量較高;該層底部局部存在20～40 cm厚的粉細砂層。②-2卵石,雜色灰白色,局部夾有薄層或透鏡狀砂層,砂層厚度一般小於0.5 m;該層分佈穩定,層頂埋深1.5～5.3 m,厚度7.1～11.9 m。③-1卵石,黃綠色青灰色,飽和,局部夾有薄層或透鏡狀砂層,密實;該層分佈穩定,層頂深度1.5～14.0 m,厚度大,本次勘探最大深度45 m未揭穿該層,據區域資料該層厚度可達200～300 m。該場地主要地層物理力學參數如表1所列。
表1 場地土層主要力學參數
1.3 水文地質條件
地下水位埋深8.86～11.66 m,地下水位高程為1 519.43～1 519.50 m。地下水主要賦存於②-2和③-1卵石層中,地下水類型屬蘭州斷陷盆地鬆散巖類孔隙潛水。區內埋藏有大量砂卵礫石構成的含水層,最大厚度可達316.77 m。該區砂卵礫石層大致可以分成兩層,上部150 m左右為鬆散的砂礫卵石,下部砂礫卵石顆粒變細,較密實,含水層主要位於上部150 m範圍以內。施工期間應保證地下水位控制在基坑底0.5 m以下。
1.4 基坑周邊環境情況
車站沿銀安路南北向鋪設,目前迎門灘站周邊較為空曠,沒有控制性建(構)築物。迎門灘站所處站位地下管線較多,主要管線沿南北向鋪設在銀安路下:在路中綠化帶下有一根4 000 mm×2 550 mm的混凝土方溝,埋深約6.0 m,目前沒有穿管線,經與規劃結合,該方溝設計為電力電纜、通信電纜共同溝,且僅為銀安路下鋪設,沒有形成網絡;路中還有一根ϕ800鑄鐵給水管,埋深約1.63 m,路東主道下有1根ϕ1 000汙水管,埋深約3.75 m左右;路西主道下有1根ϕ1 200雨水管,埋深約4.39 m左右。
2 基坑圍護方案設計
根據本站結構形式、場地地質及周圍環境特徵,結合深基坑施工設計經驗,經計算分析主體圍護結構採用鑽孔灌注樁+鋼管內支撐體系;車站主體採用ϕ800@1 400鑽孔灌注樁,樁長25.12 m;部分樁位間距略有調整,盾構通過範圍內圍護樁採用ϕ1 500@1 800玻璃纖維樁,樁間100 mm厚C20鋼筋網噴混凝土(鋼筋保護層厚度為25 mm);網噴混凝土厚度根據地層情況可適當調整;鋼筋網採用ϕ6.5@150 mm×150 mm。
沿基坑豎向布3道ϕ609的鋼管內支撐,第一道鋼支撐水平間距約6.0 m,鋼管壁厚14 mm,第二、三道鋼支撐水平向間距約3.0 m,鋼管壁厚為16 mm。中間標準段基坑第一、二、三道鋼支撐設計軸力分別為867.1 kN、1 897.5 kN、1 310.5 kN,預加軸力分別為350 kN、760 kN、530 kN;井基坑第一、二、三道鋼支撐(斜撐)設計軸力分別為424.5 kN、2 302.6 kN、1 831.9 kN,預加軸力分別為170 kN、930 kN、740 kN。灌注樁間擋土牆採用掛網噴射混凝土,樁頂設置鋼筋混凝土冠梁,ϕ800樁徑處冠梁截面b×h=1.4 m×0.8 m,第一道支撐撐在樑上,其餘均撐在鋼圍檁上,鋼圍檁均採用2根工45b組合型鋼。標準段圍護結構剖面如圖2所示。
圖2 基坑圍護結構剖面(高程單位:m;尺寸單位:mm)
3 基坑施工過程數值模擬
3.1 計算模型
使用PLAXIS 3D有限元分析軟件對基坑建立三維1 ∶1有限元模型。由於施工期間保證地下水位控制在基坑底0.5 m以下,所以在模型中將水頭設置在-19.12 m(基坑最大開挖深度18.62 m)。雖然基坑沿x方向和y方向基本對稱,但為了減小模型邊界條件對計算結果的影響 ,必須建立基坑全尺寸模型並將模型邊界寬度取為開挖深度的3.5倍,因此根據迎門灘站深基坑的開挖範圍及開挖深度,確定模型尺寸x×y×z=150 m×360 m×45m,為了使精度比較理想,劃分網格時將網格疏密度設為“很細”,共劃分163 004個單元,241 835個節點。
模擬土體關鍵在於土體的本構模型。用於基坑工程的土體本構模型有線彈性(LE)模型、Mohr-Coulomb(MC)模型、Drucker-PPrager(DP)模型、Duncan-Chang(DC)模型、修正劍橋(MCC)模型、土體硬化(HS)模型等 。其中LE模型過於簡單,不能反映土體的大部分重要特性,因此不適用於基坑開挖問題的研究,MC模型、DP模型、DC模型也存在各自的侷限性,不是太適用於基坑開挖問題。而HS模型是一種高級土體本構模型,它是根據三軸試驗和固結試驗提出的彈塑性本構,能夠描述三軸試驗和固結儀試驗揭示的絕大部分土體行為,使用HS模型獲得的土體變形結果與工程實際最相符 ,因此計算模型岩土體材料本構模型應優先考慮HS模型。HS模型土體參數如表2所列,該土層為蘭州地區典型黃土地層,其中重度、黏聚力和內摩擦角根據現場地勘報告取值,彈性模量為經驗取值。
表2 計算模型土體參數
鑽孔灌注樁、混凝土擋牆和混凝土方溝採用板單元模擬,其中鑽孔灌注樁按等效慣性矩換算得到等效厚度的板樁牆,具體計算公式為
式中,D為鑽孔灌注樁直徑;d為板樁牆等效厚度。
冠梁和鋼圍檁採用梁單元模擬。為了能夠模擬對鋼支撐施加預應力,採用點對點錨杆單元模擬內支撐 。具體材料參數如表3所列。
表3 圍護結構材料參數
基坑周圍建築物荷載用面荷載模擬,荷載大小按每層樓重20 kPa取值,另外,在距基坑邊緣2 m以外用寬度為10 m的面荷載模擬地面超載,其中標準段圍護施工階段地面超載取20 kPa,盾構井處考慮盾構機始發時地面超載取35 kPa。施工階段共分為9個,包括1個初始應力計算階段和8個開挖支護施工階段,各施工階段通過對開挖土體的凍結和要施作的支護結構的激活來模擬實際施工過程,預應力值在激活鋼支撐時對點對點錨杆進行設置。具體施工階段如表4所列,其中三道鋼支撐的施工為單獨施工階段。開挖完成後的基坑模型如圖3所示,坑內圍護結構和管溝模型如圖3所示。在施工階段定義完成後,需要在模型上為生成曲線選擇監測點,具體監測點佈置如圖4所示。
圖3 基坑圍護結構和管溝模型
圖4 監測點平面佈置(單位:m)
表4 具體施工階段
3.2 基坑變形計算結果整體分析
圖5為開挖完成後基坑開挖完成後圍護樁水平位移雲圖,圖6為開挖完成後基坑及坑周地表豎向位移位移雲圖。由圖5和圖6可以看出,開挖完成後,基坑圍護樁產生朝向基坑內的水平位移,位移主要發生在圍護結構中上部,坑週一定範圍內地表產生豎向沉降。基坑沿橫向和縱向為對稱結構,兩側對稱位置位移無較大差異,因此僅選擇基坑1/4區域的監測點進行計算結果分析。
圖5 第四次開挖完成後圍護樁水平位移雲圖
圖6 第四次開挖完成後基坑及坑周地表豎向位移雲圖
3.3 樁頂水平位移計算結果分析
樁頂水平位移變化曲線如圖7所示,正值代表向坑內位移,負值代表向基坑外位移。樁頂水平位移變化的基本特徵為,在開挖過程中,圍護樁頂受到外側的主動土壓力作用而向基坑內發生偏移,隨著開挖深度的增加,樁頂水平位移會逐漸增大,但在架設鋼支撐並施加預應力後,位移量會趨於穩定甚至減小,直到下一開挖階段時曲線再度變陡,位移量再次增加,開挖完成後,位移量基本趨於穩定,但仍有少量增加。由圖7可以看出,CX01、CX02測點的樁頂水平位移最大,分別為6.0 mm和4.6 mm,而CX01、CX02測點板樁牆等效厚度分別為0.556 m、1.183 m,說明適當增加板樁牆等效厚度可有效控制樁頂水平位移。其他各測點處樁頂水平位移值基本相同,遠小於CX01、CX02測點處位移值。由於CX04位於陽角處,位移值較大,達到了3.6 mm。各測點樁頂水平位移均未超出規範規定的25～30 mm或0.2%～0.3%H的報警值 ,表明基坑處於安全狀態。對比以上數據,說明冠梁對樁頂水平位移有顯著的約束作用,但在陽角位置約束效果降低。
圖7 樁頂水平位移變化曲線
3.4 樁頂豎向位移計算結果分析
樁頂豎向位移變化曲線如圖8所示,正值代表樁頂隆起,負值代表樁頂沉降。由圖中曲線變化形式可以看出,基坑開挖前期,樁頂產生豎向沉降,開挖到一定深度,土帶動樁產生一定的隆起位移,在架好該道鋼支撐後,樁頂隆起量趨於穩定。但從第三次開挖起,樁頂隆起量不再增加,甚至有減小的趨勢。對比各測點最終隆起量可以看出,離基坑中心越近,樁頂隆起量越大,最大值約為4.4 mm。在基坑開始開挖時,由於在基坑周圍施加了大面積的超載,引起地面沉降,土對樁身上部產生向下的負摩阻力,使樁體發生沉降。隨著開挖深度的增加,坑內土體與樁身接觸面積逐漸變小,負摩阻力逐漸減小,側摩阻力以正摩阻力發揮,樁身開始向上隆起。後期樁頂隆起量不再增加是因為側摩阻力達到了極限摩阻力,使得樁頂隆起量達到極限值造成的。
樁頂豎向位移變化曲線如圖8所示,正值代表樁頂隆起,負值代表樁頂沉降。由圖中曲線變化形式可以看出,基坑開挖前期,樁頂產生豎向沉降,開挖到一定深度,土帶動樁產生一定的隆起位移,在架好該道鋼支撐後,樁頂隆起量趨於穩定。但從第三次開挖起,樁頂隆起量不再增加,甚至有減小的趨勢。對比各測點最終隆起量可以看出,離基坑中心越近,樁頂隆起量越大,最大值約為4.4 mm。在基坑開始開挖時,由於在基坑周圍施加了大面積的超載,引起地面沉降,土對樁身上部產生向下的負摩阻力,使樁體發生沉降。隨著開挖深度的增加,坑內土體與樁身接觸面積逐漸變小,負摩阻力逐漸減小,側摩阻力以正摩阻力發揮,樁身開始向上隆起。後期樁頂隆起量不再增加是因為側摩阻力達到了極限摩阻力,使得樁頂隆起量達到極限值造成的。
圖8 樁頂豎向位移變化曲線
3.5 樁身深層水平位移計算結果分析
圖9(a)—(d)分別是CX01測點、CX02測點、CX03測點、CX04測點和CX06測點的各工況後樁身深層水平位移曲線,正值代表向坑內位移。由各圖可以看出,開挖時樁身水平位移形式為懸臂式,位移最大值位於樁頂。架設第一道支撐並施加預應力後,樁身水平位移明顯減小甚至“歸零”,恢復至平衡位置。第二次開挖完成後,樁身水平位移增加較大,最大值從樁頂下移至第一道支撐與開挖面之間,樁身位移形式由懸臂式逐漸變為“鼓肚狀”,即拋物線型位移。架設第二道支撐並施加預應力後,樁身鼓肚處位移值減小明顯,但樁頂位移變化不大。第三次開挖後,樁身水平位移繼續增加,但CX01測點、CX03測點、CX06測點的樁身水平位移形式不再是單一的“鼓肚狀”,在樁頂以下約8 m(開挖面)處水平位移明顯減小,這幾處的樁身水平位移形式變成一倒置的“葫蘆狀”的組合型位移形式,與軟土地區開挖完成後樁身深層水平位移形式依舊是“鼓肚狀”的結果不同。架設第三道支撐並施加預應力後,樁身各處水平位移並未有較大變化,樁身水平位移開始趨於穩定,說明多道鋼支撐對限制樁身水平位移效果明顯。第四次開挖完成後,除CX04測點外,其他各測點樁身水平位移均無較大的增加,但水平位移最大值下移至樁頂以下10～12 m位置,位於第二、三道支撐中間位置,約為樁身總長的1/2處。由CX04測點的變形曲線可以看出,陽角位置的圍護樁樁身水平位移最大值小於其他測點的樁身水平位移值,只在樁頂附近有較大位移,說明基坑陽角位置對周圍土體位移的約束作用明顯。開挖完成後各測點的圍護樁深層水平位移不同,說明基坑的空間影響效應明顯。各處圍護樁深層水平位移最大值均小於規範規定的45～55 mm或0.5%～0.6%H的報警值[ 17 ],說明圍護結構設計合理,能夠有效限制基坑周圍土體變形。
圖9 深層水平位移變化曲線
第一道支撐以上部分的混凝土擋牆為懸臂式支護結構,在主動土壓力作用下,牆頂會產生較大水平位移。迎門灘車站深基坑第一道內支撐以上部分為高度在0～4.25 m不等的混凝土擋牆,若在建立模型時,取混凝土擋牆高度為4.25 m,則樁身水平位移表現為頂部最大,越向下越小的特徵;取混凝土擋牆高度為1 m,則樁身水平位移最大值出現在樁身1/2高度附近。這說明第一道鋼支撐以上懸臂部分的長度越長,對樁身水平位移的影響越大,因此在進行支護結構設計時,宜使樁頂和第一道支撐位置儘量接近地表,以減小樁身上部水平位移。樁身下部由於嵌固在強度較高、厚度較大的卵石地層,計算的各項穩定性係數較高,造成圍護樁下部的變形很小,說明使用卵石層作為嵌固段基岩效果良好。
3.6 基坑鋼支撐軸力計算結果分析
圖10(a)和(b)分別是ZL01和ZL02測點處的三道鋼支撐軸力計算結果,其中ZL01測點位於井基坑斜撐上,ZL02測點位於標準段基坑中間鋼支撐上。ZL01測點處第一道斜撐軸力初始值為170 kN,隨著基坑的開挖,軸力逐漸增大;第二道斜撐安裝後,分擔了第一道斜撐承受的部分側壓力,之後隨著開挖深度的增加,第一、二道斜撐軸力都繼續增加;第三道斜撐安裝後,第一、二道斜撐軸力略有下降,第四次開挖過程中,三道斜撐軸力繼續緩慢增加。ZL02測點處三道支撐軸力變化情況與ZL01測點處的基本相同,各道支撐軸力隨著基坑的開挖在逐漸增大,但軸力不是單調性增加,期間有反覆變化現象出現。安裝各道鋼支撐後在開挖下一層土體時,軸力增加較快,鋼支撐的安裝對相臨的上一道支撐軸力的影響較大,使每道鋼支撐軸力在下一道鋼支撐設置後趨於穩定。同一位置的上、中、下三道支撐中,第二道支撐軸力最大,第三道次之,第一道軸力最小。開挖過程中ZL01測點處三道斜撐軸力最大值分別為416 kN、1 286 kN、1 013 kN,說明井基坑處第一道斜撐軸力超過了設計軸力的70%,接近設計軸力,第二、三道斜撐軸力小於設計軸力的60%,這可能是由於井基坑寬度較大,造成第一道斜撐附近的圍護結構變形較大引起的,在以後的基坑支護結構設計中,應提高這一部位鋼支撐設計軸力。ZL02測點處三道斜撐軸力最大值分別為605 kN、1 158 kN、751 kN,在設計軸力的60%～70%之間。總體來說,除井基坑第一道斜撐外,其他各處支撐軸力得到了充分發揮,並且處於報警值以內。
圖10 鋼支撐軸力變化曲線
3.7 地表豎向位移計算結果分析
圖11(a)和(b)分別為為標準段基坑和井基坑坑周地表豎向位移曲線,正值代表隆起,負值代表沉降。由圖11(a)可以看出,標準段基坑處靠近樁側地表產生沉降,開挖深度越大,沉降值越大,開挖至坑底後沉降量最大值為6.6 mm,在距樁側5 m處;離樁側一定範圍(約15～30 m)地表隨著開挖深度的增加開始隆起,但最終隆起量不足1 mm;距樁側30 m以外再次產生沉降,但直到開挖至坑底,該處沉降量不足1 mm。由圖11(b)可以看出,井基坑處地表土體只發生沉降,無隆起現象,沉降量基本隨基坑開挖深度的增加而增大,開挖至坑底後最大沉降量為4.8 mm,在距樁側7 m處,在離樁側18 m以外沉降量已不足1 mm。說明坑周地表豎向位移的影響範圍主要在0～1.5倍基坑寬度範圍內,並且以沉降為主,在此範圍之外的地表沉降對工程建設影響不大。從圖11(b)各個工況下沉降曲線可以看出,第一、二次開挖完成時沉降曲線是一三角形,沉降量最大值在樁旁,後面各工況下產生的沉降曲線是凹槽形,沉降量最大值位於離牆一定距離(約7 m)的位置,而11(a)各個工況下沉降曲線都是凹槽形。
根據基坑工程的基本變形形態特徵,三角形地表沉降情況主要發生在懸臂開挖或圍護結構變形較大的情況下,凹槽形地表沉降情況主要發生在有較大的入土深度或牆底入土在剛度較大的地層內。由於迎門灘車站基坑最上端混凝土擋牆是懸臂式擋土結構,第一次開挖時處於懸臂開挖狀態,造成圖11(b)中沉降曲線是一三角形;第二次開挖時,已經架設了第一道鋼支撐,但是由於懸臂式混凝土擋牆的原因,圍護結構上部變形較大,所以沉降曲線依舊是一三角形;第三、四次開挖時,樁底入土在剛度較大的卵石層中,所以這兩次開挖過程中沉降量是凹槽線。圖11(a)中豎向變形曲線不符合這種變形規律可能是因為模型中設在該處的地面超載加大了0～15 m範圍內的沉降量,而15～30 m範圍內的土體受到擠壓發生隆起導致的。
圖11 坑周地表豎向位移曲線
3.8 基坑臨近地下管道水平位移模擬結果分析
迎門灘站所處站位地下管線眾多,對截面尺寸很小的管道建立模型會導致網格劃分失敗,因此僅對這些管道中尺寸最大的4 000×2 550 mm的混凝土方溝建立模型。管道埋深約6.0 m,距離主體基坑10.2 m。在管線上選取縱座標不同的五個節點(Y=0,Y=40,Y=80,Y=120,Y=160)在每一計算步的水平位移,從而得到管道的水平位移變化情況如圖12所示,正值代表位移朝向基坑方向。
圖12 管道水平位移變化曲線
由圖12可以看出,靠近圍護結構的管道部分在開挖過程中的水平位移在各次開挖過程中,會明顯的增加,但隨著各道鋼支撐及預應力的施加,使得管道的水平位移得到有效控制,特別是第二道鋼支撐架設好後,位移方向變為朝向基坑外側。這是因為在設置第二道鋼支撐時,由於該道鋼支撐預加軸力最大,使得該道支撐處的圍護樁在原先朝向基坑內的位移基礎上產生了很大的朝向基坑外的位移增量,推動圍護樁外側土體朝坑外方向移動,此時埋置在土體中的管道也隨之產生了明顯的朝向坑外的位移。開挖完成後最大位移量在Y=80 m處,為1.3 mm。離圍護結構較遠的管道部位的水平位移很小,沒有大的波動,說明該處的管道水平位移受到圍護樁變形的影響很小,另外,模型的邊界約束條件也會對Y=0及其附近管道部位的水平位移產生影響,進一步限制該處的水平位移。
3.9 基坑臨近地下管道豎向位移模擬結果分析
在管線上選取縱座標不同的五個節點(Y=0 m,Y=40 m,Y=80 m,Y=120 m,Y=160 m)在每一計算步的豎向沉降量,從而得到管道的沉降變化情況如圖13所示。從圖13可以看出,在基坑每一階段開挖過程中,管道沉降量隨開挖深度的增加而增加,無隆起現象。在架設鋼支撐並施加預應力後,管道豎向沉降量會減小,其中第一道和第三道鋼支撐假設完後管道各處的豎向沉降量基本回到平衡位置,第二道鋼支撐架設後,由於之前產生的沉降量較大,因此並沒有恢復到平衡位置。離圍護結構較遠的管道部位的豎向沉降量很小,曲線變化平緩,說明該處的管道受到基坑開挖的影響很小,同時,模型的邊界約束條件也會對Y=0處的沉降產生影響,進一步限制該處的沉降。
圖13 管道豎向沉降變化曲線
4 結 論
本文以蘭州城市軌道交通1號線迎門灘車站深基坑工程為例,使用PLAXIS 3D有限元分析軟件對基坑開挖支護進行模擬。對樁身位移、地表沉降、鋼支撐軸力、管線水平位移和沉降量進行了分析。現得到以下結論:
(1)圍護樁頂水平位移、豎向隆起量、深層水平位移,坑周地表沉降量,內支撐軸力,管線水平位移、沉降量基本會隨著開挖深度的增加而增加,前期增加速度較快,後期增加速度逐漸放緩,架設鋼支撐後各項位移增加量會有不同程度的減小甚至朝相反方向發展。
(2)在基坑開挖過程中,樁身水平位移最大值會下移,開挖完成後,樁身水平位移最大值基本位於樁身中部,基坑局部位置樁身水平位移形式在開挖至坑底後變成一倒置的“葫蘆狀”的組合型位移形式,與軟土地區開挖完成後樁身深層水平位移形式依舊是“鼓肚狀”的結果不同。在進行支護結構設計時,宜使樁頂和第一道支撐位置儘量接近地表,以減小樁身上部水平位移。圍護樁下部的變形很小,說明使用卵石層作為嵌固段基岩效果良好。
(3)鑽孔灌注樁+鋼管內支撐體系可有效控制基坑變形,樁身各部位水平位移均小於規範規定的報警值;基坑開挖空間效應明顯,不同位置的圍護樁水平位移不同,各區段支護結構設計時要分別考慮,陽角位置會產生較大位移,在施工過程中要做到即時施作內支撐和底板,防止基坑變形的近一步加大。
(4)坑周地表豎向位移的影響範圍主要在0～1.5倍基坑寬度範圍內,在此範圍之外的地表沉降對工程建設影響不大,開挖前期沉降曲線是一三角形,沉降量最大值在樁旁,後面各工況下產生的沉降曲線是凹槽形。
(5)管線受到基坑開挖變形的影響很小,產生的水平位移和沉降量很小,不會造成管道破裂,但各處的沉降量不均勻,越靠近基坑位置沉降量越大。
本研究主要對地鐵車站深基坑分部開挖過程對支護結構的變形和受力及對周邊環境的影響進行了分析,但在實際工程中,支護結構的變形特性和基坑周邊的環境是受到多種因素的影響的,因此後續可對其他可能的影響因素進行研究。
水利水電技術
水利部《水利水電技術》雜誌是中國水利水電行業的綜合性技術期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護，以及水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和科學研究等方面的技術經驗為主，同時也報道國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建築、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、運行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。
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