某地铁站非对称坑中坑开挖数值模拟研究

2014-12-24张克勋吴建佳

安徽建筑大学学报 2014年5期

王兴，张克勋，吴建佳，赵骁

（1.安徽建筑大学土木工程学院，合肥 320601；2.铁道部第一勘测设计院，兰州 730000；3.南昌工程学院土木与建筑学院，南昌 330000）

0 引言

随着我国城镇化建设的不断发展，交通拥堵和用地紧张日益成为制约城市进一步发展的首要瓶颈。近年来随着地下空间开发技术的不断成熟，地下商场、地下车库、地下通道等地下建筑日益剧增，地下轨道交通系统和地下建筑已成为解决城市交通问题和用地紧张的有力途径。在建设地下建筑过程中，经常需要基坑的开挖，支护结构是基坑工程中必要的安全措施。

目前对于普通基坑开挖和支护的研究已经很成熟，而在实际工程中由于周边环境或者结构本身等因素导致的坑中坑的实例却越来越多。然而对于坑中坑相关问题的研究比较有限，目前有关坑中坑代表性的研究主要有：郑俊星等［1］从计算理论上分析了坑中坑抗隆起安全稳定性系数的计算方法；申明亮等［2－3］分析了内坑影响的基坑被动土压力叠加算法并对基坑应力场进行了参数化分析；侯新宇等［4－6］结合工程实例分析了坑中坑围护结构变形规律；陈乐意等［7－8］通过有限元数值模拟分析了对称坑中坑围护结构的水平位移；陈畅等［9－11］从实际应用出发论述了坑中坑支护结构的设计、加固以及监测方法。

以上有关坑中坑的研究成果推动了科研人员对于坑中坑的认识和重视，然而以上有关于坑中坑的研究大多是基于对称内基坑的开挖，而基于整体考虑的非对称坑中坑的开挖对于支护结构的变形特性分析鲜有涉及。因此本文以兰州地铁盘旋路站基坑工程为背景分析此类问题，具有十分重要的现实和社会意义，同时可为类似的工程设计提供一定的参考与借鉴。

1 工程概况

盘旋路站为兰州市城市轨道交通1号线一期工程中间车站，位于城关区天水路与东岗西路交口处，车站沿东岗西路东西方向铺设。车站在东岗西路南北两侧各设两个出入口，在车站北侧设置两组风亭。其中车站主体开挖深度为18m，风亭开挖深度为10m，为方便施工将北侧风亭基坑与主体基坑同时开挖，因此形成了一个内坑为8m的非对称坑中坑，两坑相距为10m。基坑围护结构采用φ800＠1200钻孔灌注桩，南侧支护桩插入深度为24m，北侧支护桩插入深度为17m，内坑支护桩插入深度为14m，基坑内设三道609（t＝16）钢管支撑，坑外超载取20kPa，距离坑边10m。基坑的平面及典型剖面见图1、图2。

图1 基坑平面图

图2 基坑典型剖面图

工程地质条件：

根据钻孔及探井的揭露，拟建工程场地在勘探深度45.0m范围内的地层从上至下依次主要为第四系全新统人工填土、冲积黄土状土、卵石及第三系古新统～始新统砂岩。

素填土：0.5－4.2m，杂色，硬塑，主要成分以黏性土为主、含砾石、零星砖屑、炭渣及白灰等，岩性不均、结构杂乱。

黄土状土：0.1－4.5m，黄褐色，硬塑，稍湿。岩性主要为粉土，局部为粉质黏土，土质较均匀，小孔隙发育，含铁锰质斑纹，较多云母粉，零星小结核。孔隙比e＝1.138，液性指数IL＝0.12，压缩系数a1－2＝0.41。

卵石：6.5－12.3m，杂色，密实，颗粒母岩成分以灰岩、花岗岩为主，磨圆度较差，呈次圆状～次棱角状，分选性一般，颗粒之间交错排列，充填物以砂砾石为主。

强风化岩：24.3m，橘红色，密实，细粒结构，层状构造。岩芯较完整，多呈3～8cm短柱状，泥质胶结。矿物成分以长石、石英为主，含少量云母。锤击声哑，无回弹，手可捏碎。

2 有限元模型的建立

PLAXIS2D是岩土工程有限元分析软件，是用于解决岩土工程的变形、稳定性及地下水渗流等问题的通用有限元系列软件。有限元计算在PLAXIS2D中实现，采用二维非对称平面对基坑典型剖面进行整体建模。模型中支护桩按等效刚度［12］原则简化为连续墙，等效厚度为：EA＝6 000 000kN，EI＝180000kN·m－2。采用15节点三角形单元模拟土体；土体的本构模型采用摩尔库伦模型；用板单元模拟挡土墙；用点对点锚杆模拟横向支撑；同时建立土体与结构接触面单元；模型水平方向取90m，竖向取30m；采用标准边界条件；有限元计算模型如图3。支撑参数和土层参数分别如表1、表2。

图3 有限元计算模型

表2 土层计算参数

表1 支撑参数

具体计算工况如下：

工况1：激活外围护结构和地面超载，基坑开挖深度为3m。

工况2：激活外围护结构和地面超载以及第一道支撑，基坑开挖深度为10m。

工况3：激活外围护结构、内坑围护结构、地面超载以及一、二道支撑，内坑开挖深度为12m。

工况4：激活外围护结构、内坑围护结构、地面超载以及一、二道支撑，内坑开挖深度为14m。

工况5：激活外围护结构、内坑围护结构、地面超载以及所有内支撑，内坑开挖深度为16m。

图4 支护桩水平位移

工况6：激活外围护结构、内坑围护结构、地面超载以及所有内支撑，内坑开挖深度为18m。

3 数值模拟结果及分析

3.1 支护桩水平位移分析

左侧支护桩、右侧支护桩、内坑右侧支护桩在6个计算工况下水平位移大小及变化曲线如图4。

由图4可见：

（1）随着基坑开挖深度的增加左侧支护桩开挖范围内的最大水平位移由3.9mm逐渐增加到21.4mm，其位置也由桩顶向下移动至－11.46m，最大水平位移值和位置变化都比较均匀；右侧支护桩由于内支撑的作用最大水平位移均发生在桩顶位置，位移走向由坑内转向坑外，基坑整体向右偏移。

（2）在工况1下，基坑开挖深度为3m，两侧桩顶水平位移均向坑内发展，最大位置均在桩顶，大小分别为3.93mm、3.39mm。

（3）在工况2下，基坑开挖深度为10m，第一道支撑发挥作用。左侧支护桩水平位移继续向坑内发展达到4.49mm。地表土层和较深土层的土体强度均较低、右侧墙体入土深度较浅，右侧支护桩嵌固作用较小。左侧支护桩受到的主动土压力通过第一道钢支撑传递到右侧桩体，右侧支护桩上部和下部发生反方向的倾斜，右侧支护桩上部水平位移转向坑外发展大小为5.65mm。

（4）在工况3和工况4下，内外坑挖深比分别为0.2和0.4；内坑开挖导致左侧支护桩最大水平位移继续增加至9.84mm、15.4mm；此时内坑右侧土体并未开挖且第二道支撑发挥作用，内坑开挖导致左侧支护桩承受的主动土压力继续增加并通过第一、二道支撑分别传递到右侧支护桩和内坑右侧支护桩；外坑右侧支护桩上部水平位移继续向坑外发展，最大值分别为8.32mm、10.34mm；内坑右侧支护桩受到的被动土压力明显小于第二道支撑传递的土压力，内坑右侧支护桩顶部水平位移向坑外发展，最大值分别为8.72mm和10.96mm。

（5）在工况5和工况6下，内外坑挖深比分别为0.6和0.8；内坑开挖仍然导致左侧支护桩的最大水平位移继续增加，分别为19.64mm和20.85mm；此时第一、二、三道支撑均发挥作用，内坑开挖导致左侧支护桩承受主动土压力增加并通过第一、二、三道支撑分别传递部分到外坑右侧支护桩和内坑右侧支护桩；右侧支护桩水平位移继续向坑外发展，最大值分别为12.24mm、13.91mm；内坑右侧支护桩受到第二、三道支撑传递的土压力，第三道支撑的作用导致第二道支撑内力有所减小，内坑右侧支护桩上部水平位移变化不大，第三道支撑位置处坑内水平位移明显减小。

3.2 内坑右侧土体位移分析

内坑右侧未开挖土体是本基坑工程受力最复杂区域，首先上部土体开挖导致卸载，然后左侧卸载的同时受到左侧桩体的约束和右侧桩体的作用，此部分土体的稳定对于整个基坑的稳定至关重要。监测点的布置如图3中所示，A、B、C、D、E、F、G、H、I和J点的水平和竖向位移如图5。

图5 监测点位移变化曲线

由图5（a）可见，随着基坑的开挖A和B点水平位移由向左转变为向右且水平位移值基本呈线性增加；C、D、E、F点水平位移始终向左且不断增加但增加值逐渐减小；G、H、I、J点均位于基坑开挖底以下，两侧远近范围内均无土体开挖因此水平位移线基本重合；内支撑对较浅监测点的水平位移影响较小对较深监测点水平位移影响较大。

由图5（b）可见，监测点竖向位移变化趋势均相同，在基坑开挖初始出现了微量的沉降，随着基坑的开挖即土体上部逐渐被卸载，各监测点均向上隆起且隆起量随着深度的增加逐渐减小；土体的竖向位移主要是由于上部土体卸载导致的隆起，因此 A、B、C、D、E、F、G、H、I、J点变化规律相同，最大竖向位移值均匀增加。

3.3 内坑开挖对支护桩的影响分析

首先定义影响系数，即内坑开挖后的位移与内坑开挖之前的位移比。即；其中δ，为内坑开挖后桩体的水平位移；δ为内坑开挖前桩体的水平位移。对比内坑挖深h与外坑挖深H之比分别为0.2、0.4、0.6、0.8时，内坑开挖对左右两侧维护桩水平位移的影响系数，如图6。

由图6可知，左右两侧支护桩在基坑开挖范围内影响系数近似于正态分布，其对称中心基本位于基坑开挖深度的1／2处；内坑开挖对桩体的影响由对称轴处向两端逐渐减小，在两端处挖深比对其影响可忽略；内坑开挖对左右两侧支护桩影响很大，不同挖深比下的最大影响系数分别为2.8、4.8、6.2、6.6与6.9、13.9、22.1、28.1。

图6.b中负值表示内坑开挖后桩体水平位移方向发生变化。可见，内坑开挖对右侧支护桩上部约5m范围内水平位移发展方向造成影响，而5m－10m范围内由于内坑的开挖使桩体水平位移发展方向发生了变化，其绝对值大小整体依然呈正态分布，如图6.c所示。由图6.b中可见右侧支护桩水平位移方向发生变化始于－10m，这是由于第二道支撑作用于此，内坑的开挖导致左侧部分土压力通过第二道支撑传递到右侧支护桩，同时第一道支撑轴力同样增加，由于右侧支护桩右侧被动土压力小于第二道支撑的作用力，从而使上部水平位移方向发生转变。