零距离近接既有地铁站施工监测与数值模拟分析

2021-04-27董敏忠

铁道建筑技术 2021年2期

董敏忠

（中铁十八局集团第四工程有限公司天津 300200）

1 引言

在城市基坑建设中，大多周围环境复杂，多紧邻地下轨道结构、高层建筑、大型商业购物广场等。此环境条件下，国内对于基坑建设积累了大量理论和实践经验。诸多学者从计算模型和计算方法入手，选用合理简化方法，对可能产生的坑底隆起和建筑物沉降进行分析［1－2］。王素霞［3］采用有限元模拟分析了基坑自由场地和有建筑物场地的地表位移和变形规律，以及开挖对邻近建筑物的影响规律并推导出基坑周围土体的竖向位移和水平向位移的计算公式。

为了减少由基坑开挖导致周围环境的变形与沉降，必须在待保护的建（构）筑物周围采取防护措施。防护措施的选择种类较多，研究内容较全，以基坑开挖完成后的变形控制证明基坑支护效果。位于地下水丰富地区的基坑开挖采用地下连续墙做支护体系和止水帷幕并对比施工现场监测数据和数值仿真数据来证明支护结构安全可靠［4－5］。

上述研究从不同方面对基坑的变形和周围环境的安全性进行研究。本基坑工程在上述研究的基础上，选用大型仿真软件对基坑形状和周围环境进行三维还原，并进行沉降变形计算，将计算结果与现场监测数据进行对比，通过分析结果得出规律性结论。

2 工程概况及施工方案

（1）基坑概况

天津地铁5号线思源道结建工程位于河北区新开河与月牙河交口东南侧，规划占地25 750 m2，总投资约3.39亿元。

结建工程分布于既有思源道车站东西两侧，地面建筑由4座写字楼及裙房组成，地下1～3层分别为车库、商业、车库。既有思源道车站设两个出入口通过站厅层直通地面。本结建工程地下一层横跨思源道站体上方，地下一层底板与思源道车站顶板为同一标高，地下二层底板与思源道车站中板为同一标高。结建工程与既有车站剖面见图1。

图1 结建工程与既有车站剖面（单位：m）

（2）基坑施工方案

本基坑支撑体系采用“地下连续墙＋混凝土环形内支撑”体系，地连墙兼作竖向挡土与止水结构。地下连续墙厚度为800 mm，止水深度为32.0 m，有效高度为27.0 m，底部素混凝土段高度为5.0 m。其中，墙趾设计标高为－35.22 m，主要用于隔断第二承压含水层。此外，在裙楼电梯井坑位处，设置三轴水泥土搅拌桩，有效桩长9.0 m。同时，围护结构地下连续墙与原思源道围护结构之间的接缝采用高压旋喷桩对其进行止水、加固处理。

基坑采用既有地铁车站双侧对称分层、分段整体开挖成套技术。开挖方案遵循“先撑后挖、分区、分层、分步、对称开挖、岛式、退挖”的原则，在落实上述原则的基础上按照支撑的标高分层开挖，车站两侧共划分为6段，基坑东西两侧保持同深、同长，先掏角、清边、退向出土。土方开挖过程中，充分利用时空效应，将挖土和支撑紧密联系，不间断地连续土方作业，并在土体暴露后在最短时间内形成支撑体系。基坑开挖平面见图2。

图2 基坑开挖平面

3 现场施工监测及分析

（1）基坑施工变形监测

基坑变形控制分两部分，一部分为周围环境的监测，另一部分为基坑自身支撑体系监测。

根据实测，在地层软弱而且墙体的入土深度又不大时，墙底处出现较大的水平位移，而墙体旁出现较大的地表沉降。在有较大入土深度或墙底处于刚性较大的地层内，墙体变位类同于梁的变位，此时墙后地表沉降最大值不是在墙旁，而是位于距离墙一定距离的位置上。地表沉降曲线见图3。

图3 地表沉降曲线

图3说明基坑开挖过程中引起的周围地表沉降最深处在距离基坑周围一定范围内，并以此为中心向周围依次衰减。基坑沉降最大值在18 mm左右，衰减到最低点保持在14 mm范围内。

图4为测斜孔的位移特征曲线。从图4可以看出：①随着基坑开挖，周围土体的水平位移呈现不断增加的趋势，由原来施工之前的未变形逐渐增大，并最终保持在13 mm左右。②从测斜孔的深度来看，在地表以下15 m范围内，基坑的水平位移最为明显，此范围内横向位移随时间的变化速率明显加大，说明基坑开挖深度是影响水平位移的重要因素。

图4 测斜孔位移特征曲线

（2）基坑支护体系变形控制

支护体系包括地连墙、内支撑。图5为内支撑环形立柱的水平位移变形曲线。可以看出，在基坑开挖过程中，水平位移先增大后减少，直到最后保持在初始状态，在此过程中最大竖向位移为13 mm。LZC-01、LZC-02、LZC-05、LZC-10、LZC-15 测点位移变化趋势和变形量基本保持一致，说明基坑立柱位置受到基坑开挖过程的影响较小。

图5 环形立柱位移特征曲线

图6为环形支撑结构轴力的变化特征曲线。可以看出，轴力特征分为两个阶段。首先，由于土体开挖初期轴力呈现有变化的发展规律，随着开挖深度增大，应力完全释放，轴力值逐渐出现减小的趋势，第一道支撑轴力值最大为1 500 kN（见图6a）。随着基坑开挖深度继续增加，支撑轴力先增加之后一段时间保持稳定，在进行下次开挖后又会明显增大，且各道支撑的轴力均会出现调整现象（见图6b），同时，支撑结构的轴力量值呈现不均匀分配特征。基坑开挖结束后，支撑轴力变化明显，到达一定水平后轴力值迅速增加，最后达到稳定状态，并最终保持在4 500 kN。进入最后开挖阶段，内支撑均保持在稳定状态。

图6 环形支撑轴力特征曲线

支护体系的变形特征说明环形支撑的力学承载性能好、受力协调性好、内力分布均匀。圆环的特殊性在于，可以将钢筋所承受的弯矩转换为混凝土的轴力，并实现圆环之间的受力平衡，有利于基坑变形的时效性控制。

4 数值仿真分析

本数值仿真分析结合MIDAS和FLAC3D前后处理的两大优点，充分利用前者强大的曲线建模功能，建立真正的地层曲面，并在满足精度的前提下划分节点单元，将网格节点导入到FLAC3D中进行后处理计算。这样使得模型建立精准、计算速度快，后处理能达到预期效果。

4.1 网格模型构建

根据基坑地勘资料，提取相关地层数据，建立基坑开挖的全模型。全模型在能保证计算机计算能力的前提下，应扩大基坑开挖的影响范围，防止基坑开挖过程中受到边界效应的影响使得边界内土体变形过大，忽略边界外侧土体。模型深度约为基坑深度的4倍，基坑边界到模型边缘最短距离约为基坑深度的2.5倍，所以三维有限元计算模型的几何尺寸选择为长306 m×宽291 m×高68 m。

遵循分地质、分结构、分开挖步骤的原则划分网格。按照单元6 m的长度进行网格划分，共划分节点53 513个，单元244 601个，至此完成几何建模过程，见图7。

图7 基坑工程三维网格模型

4.2 数值模拟结果分析

4.2.1 沉降变形分析

基坑开挖完全模拟现场施工过程，进行第一次土方开挖，待第一次土方开挖即将结束时，采用Beam单元进行内支撑支护，内支撑尺寸严格采用施工现场内支撑参数。按上述过程分别进行第二次开挖、第二次支撑，第三次开挖、第三次支撑，最后进行第四次开挖。至此，土方开挖结束。

通过数值计算可以看出：

（1）基坑支护效果明显，随着基坑开挖深度的增加，地表沉降随之增加，最终在第四次开挖结束后保持在30 mm左右。

（2）基坑西侧部位出现较大的沉降变形，最大值约为60 mm，是因为本基坑采用真实地层建立结构模型，在此位置处基坑地层有多种土质混合，不同土质土颗粒之间的黏聚力远远小于相同土质土颗粒之间的黏聚力，故在基坑开挖过程中，极易受到开挖土体的扰动，产生竖向位移变形。

（3）基坑开挖过程中最大沉降点并不位于基坑开挖边缘，而是在周围一定范围内的中心点处，并以此为中心以环形向两侧递减，呈现“凹”型。

4.2.2 水位变形分析

土的破坏形式大多为剪切破坏，土体在基坑开挖过程中会沿着某一滑动面挤出，导致土体产生滑坡。由于基坑开挖面与坐标轴存在一定角度，故应该从x、y两方面考虑水平变形。

（1）随着基坑开挖侧向土体开始发生横向变形，且随着开挖深度的增加，土体的侧向变形增大至10 cm。故在侧向土体边缘必须加密支撑，确保侧向土层的稳定性。

（2）第一层土体水平位移较小，这是因为第一层土体开挖较浅，工作面较大，大型机械出入方便，时间短、效率高，及时对土体进行支撑加固，此时土体还未发生较大变形。开挖结束后，水平位移明显加大，最大值为30 mm左右，与实测结果相近，说明仿真分析具有一定的参考价值。

4.2.3 支护体系力学性质分析

通过数值分析，较大弯矩大多发生于撑杆与撑杆的交点处，特别是直撑与环撑的交点处。

（1）轴力值在第三次开挖结束后最大，最大值为6 939 kN，基坑的最大轴力发生在基坑坑角位置和环形支撑与直角撑交界处。

（2）基坑支撑系统轴力值出现不均匀分配特征，这是由于基坑周围形状不规则，坑角土体呈现多方向开挖，土体内部受力不均匀。不同位置处轴力值见表1。

表1 不同位置处轴力值

通过基坑实测值与数值模拟结果对比发现：实测结果中基坑的沉降变形最大值约为17 mm，最大沉降位置出现在距基坑一定范围内并呈现“凹”型，数值模拟结果与实测结果的趋势一致，但沉降值偏大。水平位移最大值约为13 mm，这与数值分析结果相差不大。内支撑的最大值为6 939 kN，仅在位置“1”处，其他位置轴力较小。基坑位移值与支撑轴力值均比实测值偏大。