趙 平,王占棋

(1.銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 211106)

近年來，隨著基坑工程向更深、更復(fù)雜地質(zhì)條件和更嚴(yán)峻施工環(huán)境不斷發(fā)展，基坑工程事故屢見不鮮。深入研究深基坑開挖變形影響對于基坑工程防災(zāi)減災(zāi)和促進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義[1-2]?；娱_挖對環(huán)境的影響是巖土工程中的研究熱點，當(dāng)前深基坑設(shè)計理念以“變形控制”為重點[3]，許多學(xué)者在合肥地區(qū)針對深基坑開挖的相關(guān)問題開展了研究。謝樂等[4]對合肥地區(qū)地鐵車站深基坑穩(wěn)定性開展了相關(guān)分析，研究了地鐵車站深基坑施工對周邊建筑物的影響。謝沃等[5]研究了合肥地區(qū)深基坑開挖對鄰近管線的影響規(guī)律，結(jié)果表明在基坑開挖過程中，管線出現(xiàn)向基坑側(cè)變形的趨勢。陳海微等[6]以合肥某地鐵車站基坑工程為依托，針對工程中的坑中坑的施工難點，提出一種坑中坑四角環(huán)形開挖的新型施工方案。劉偉楠等[7]以合肥市軌道交通某車站深基坑工程為研究對象，開展了半蓋挖車站深基坑工程的施工監(jiān)測與數(shù)值模擬。胡博健[8]以合肥市某一改造項目深基坑逆作法施工為研究背景，揭示了基坑在開挖過程中變形形態(tài)及規(guī)律。彭川等[9]針對合肥南站南廣場基坑開挖對地鐵盾構(gòu)區(qū)間影響開展了分析，同時探討了該項目基坑開挖對地鐵的影響。吳超[10]以合肥地鐵4號線創(chuàng)新大道站車站深基坑工程為研究背景，研究分析了基坑開挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形和地表沉降。朱榮軍等[11]對合肥地鐵1號線上部基坑開挖過程中隧道的位移進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同工況下隧道橫向和縱向變形。李俊麗等[12]結(jié)合合肥某基坑工程實例，運(yùn)用有限元軟件建立雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型,通過有限元分析，研究了開挖深度、排距、結(jié)構(gòu)形式等因素對雙排樁受力與變形的影響。

從既有研究可以看出，目前合肥地區(qū)關(guān)于深基坑開挖變形特性等方面的研究成果頗豐，但針對合肥地區(qū)臨近地鐵線路深基坑開挖引起臨近深層土體水平變形及其空間效應(yīng)的研究相對較少。鑒于此，研究在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，以合肥地鐵2號線附近某基坑開挖工程為依托，通過建立三維數(shù)值模型，分析了深基坑在開挖支護(hù)過程中緊鄰?fù)馏w深層水平位移的發(fā)展規(guī)律，并把數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，論證模擬施工過程的合理性和可行性，該研究可為今后類似深基坑開挖及環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 工程概況

研究對象為合肥地鐵2號線附近某深基坑開挖工程，該基坑周邊交通繁忙，建筑物密集，基坑周邊有生活管線?；悠矫嫘螤顬榫匦?，基坑長、寬分別為60 m、40 m，開挖深度為12 m?；拥闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)由地下連續(xù)墻和3道內(nèi)支撐組成，內(nèi)支撐直徑為800 mm，位置在距離地表以下-2 m、-6 m以及-9 m處，地下連續(xù)墻埋深為18 m，厚度為800 mm。基坑共分4次開挖，開挖深度分別為2 m、4 m、3 m、3 m。根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報告，簡化后的土層為4層，從上部到下部依次為：雜填土(厚度6 m)，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(厚度6 m)，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(厚度5 m)，中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(厚度43 m)。具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計算模型力學(xué)參數(shù)

2 建模與計算

2.1 基本假定

由于施工過程和現(xiàn)場工程條件比較復(fù)雜，為了便于計算，數(shù)值模型設(shè)計有必要對實際情況進(jìn)行一定簡化[13]，研究基本假設(shè)如下：①土體為理想的彈塑性材料；②各層土體連續(xù)且均勻分布；③不考慮地下水對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響；④地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐均為彈性體；⑤同一種材料為均質(zhì)、各向同性。

2.2 建立模型

參考劉健航等[14]研究成果，考慮工程實際情況，研究建立的整體三維模型長(x)、寬(y)、高(z)分別為160 m、140 m、60 m，遠(yuǎn)大于預(yù)計基坑開挖影響范圍。邊界約束條件：地表為自由面，模型四周邊界均受到法向、水平向位移約束，模型底部設(shè)置x、y、z3個方向約束。模型支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如表1所示。模型中土體為3D實體單元，地下連續(xù)墻采用2D板單元，基坑內(nèi)支撐采用1D梁單元。整體三維模型網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。數(shù)值模型共計182 665個單元，190 510個節(jié)點。該基坑周邊存在交通繁忙、建筑物密集等情況，在距基坑邊緣4 m范圍內(nèi)施加22 kPa大小的豎向均布荷載。

圖1 三維有限元模型 圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 模擬施工

基坑開挖過程施工工況具體內(nèi)容如表2所示。結(jié)合該基坑開挖變形的特點，選取有代表性的測點進(jìn)行研究，本次主要側(cè)重研究位于基坑長邊中部(JC1測點)、基坑短邊中部(JC2測點)及基坑端部坑角位置處(JC3測點)不同深度土體水平變形規(guī)律，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及測點布置如圖2所示。

表2 基坑開挖工況具體內(nèi)容

工況內(nèi)容5開挖2,基坑開挖4m,同時設(shè)置第二道支撐6開挖3,基坑開挖3m,同時設(shè)置第三道支撐7開挖4,基坑開挖3m,基坑開挖至距離地表12m處

2.4 現(xiàn)場監(jiān)測方案設(shè)計

為了確?；庸こ淌┕さ陌踩斜匾獙υ摴こ淌┕み^程進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場施工。依據(jù)相關(guān)規(guī)范和要求，結(jié)合施工現(xiàn)場的具體情況制定了監(jiān)測方案，具體內(nèi)容：對基坑開挖過程中的深層土體水平位移監(jiān)測，共埋設(shè)了3根測斜管(分別位于JC1測點、JC2測點和JC3測點)，數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測選取的研究對象一致，測斜管的平面布置圖如圖2所示。

3 結(jié)果分析

3.1 各測點水平位移分析

基坑長邊中部附近JC1測點水平位移曲線圖如圖3所示。由圖3可見，JC1測點的不同深度位置，其水平位移受基坑開挖的影響不同，同時不難發(fā)現(xiàn)最大水平位移值出現(xiàn)的位置隨著開挖深度的增加而不斷下移，在開挖面附近達(dá)到最大值。此外，JC1測點在同一深度的水平位移也在隨著開挖深度的變化而不斷變化，且呈現(xiàn)出相似的規(guī)律性。總體來看，數(shù)值模擬結(jié)果表現(xiàn)為隨著基坑的開挖，JC1測點不同深度位置的水平位移變化呈現(xiàn)出“弓形”形態(tài)的規(guī)律。具體來看，基坑開挖至-2 m(開挖1)時，水平位移值較小，最大值約為4 mm，出現(xiàn)在深度為0的位置，且隨著深度的增加，水平位移值不斷減小，當(dāng)深度為18 m時，趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值接近0。這是因為開挖1為基坑開挖初期，土體開挖量較小，開挖形成的基坑內(nèi)外土壓力差值不大，基坑四周的土體變形較小，此時僅對圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部的水平位移產(chǎn)生較大影響，位移變化幅度較小。基坑開挖至-6 m(開挖2)時，水平位移發(fā)展明顯，且隨著測點深度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的“弓形”變形規(guī)律，最大水平位移值約為9.0 mm，最大值出現(xiàn)在深度為-6 m(開挖面)附近。同時，基坑開挖至-9 m(開挖3)時，最大水平位移值約為14 mm，出現(xiàn)在深度為-9 m附近。此外，基坑開挖至-12 m(開挖4)時，最大水平位移值約為18 mm，出現(xiàn)在深度為-12 m附近，最大水平位移小于報警值20 mm。通過分析不難發(fā)現(xiàn)，在基坑開挖過程中，鄰近土體水平位移對基坑開挖深度較敏感，且隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，水平位移曲線呈弓形形態(tài)，最大水平位移發(fā)生在開挖面附近。此結(jié)論與徐中華[15]的研究結(jié)論一致。因基坑中部土體變形過大易產(chǎn)生破壞，故施工時應(yīng)加強(qiáng)基坑中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向的監(jiān)控與管線的保護(hù)。

圖3 JC1測點水平位移曲線圖 圖4 JC2測點水平位移曲線圖

基坑短邊中部附近JC2測點水平位移曲線圖如圖4所示。由圖4可見，基坑開挖在基坑短邊中間部位引起的水平位移變化規(guī)律與基坑長邊中部附近JC1測點水平位移基本一致，限于篇幅，不再贅述。通過對比不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開挖工況相同時，同一深度情況下JC2測點水平位移比JC1測點水平位移略小。如：基坑開挖至-12 m時，當(dāng)測點深度為12 m時，JC2測點水平位移約為13 mm，JC1測點水平位移約為18 mm。這是因為JC1測點所在位置臨空開挖面更大，卸荷作用更加明顯，且存在一定的空間效應(yīng)。

坑角JC3測點水平位移曲線圖如圖5所示。由圖5可見，JC3測點水平位移變化規(guī)律與JC1、JC2測點基本一致。觀察易知，JC3測點水平位移最大值僅約為4.0 mm，出現(xiàn)在開挖4，測點深度為-12 m的位置，遠(yuǎn)小于JC1的18 mm和JC2的13 mm。這是由于JC3測點位于坑角位置，該部位兩個方向圍護(hù)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生相互的約束作用，從而降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)向側(cè)向產(chǎn)生水平變形的內(nèi)應(yīng)力，基坑的空間效應(yīng)更為明顯。此結(jié)論與俞建霖等[16]研究結(jié)論相一致。

圖5 JC3測點水平位移曲線圖 圖6 基坑開挖完成時各測點水平位移曲線圖

3.2 基坑開挖完成時不同測點的位移對比分析

基坑開挖完成時3個測點(JC1、JC2與JC3)水平位移對比曲線圖如圖6所示。由圖6可見，在基坑開挖完成時，3個測點的最大水平位移值不同，最大水平位移值大小為JC1>JC2>JC3，位置均在開挖面附近，即深度為12 m處。由此可見，在深基坑開挖情況下，基坑長邊中部位置受到的影響最大，基坑短邊中部受到的影響次之，而坑角處受影響最小。因此在工程施工中，應(yīng)該重點關(guān)注基坑開挖對長邊中部附近的建筑或者管線造成的變形，并及早采取保護(hù)措施，以避免發(fā)生工程事故。

3.3 各測點最大水平位移隨工況變化對比分析

不同開挖步下測點最大水平位移對比圖如圖7所示。由圖7可見，隨著開挖深度的增加，不同測點的最大水平位移也在增加，且JC1測點與JC2測點最大水平位移值相對較大，JC3測點的最大水平位移值最小。具體來看，從開挖步1到開挖步4過程中，各個測點的最大水平位移在迅速增加。開挖步1時，JC1、JC2與JC3對應(yīng)的最大水平位移值分別為4.0 mm、3.7 mm以及1.5 mm；開挖步3時，JC1、JC2與JC3對應(yīng)的最大水平位移值分別為14 mm、11 mm以及2.8 mm；開挖步4時，JC1、JC2與JC3對應(yīng)的最大水平位移值分別為18 mm、12.9 mm以及3.9 mm。由此可見，土體側(cè)向變形對開挖深度敏感。因此，在基坑施工過程中，應(yīng)重點加強(qiáng)基坑長邊中間部位側(cè)向位移監(jiān)測，這對保障基坑工程的安全性起著重要作用。

圖7 不同開挖步下測點最大水平位移 圖8 基坑開挖完時數(shù)值模擬與監(jiān)測對比圖

3.4 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測對比分析

基坑開挖完成時(基坑開挖至地表以下12 m)JC1、JC2與JC3的3個監(jiān)測點不同深度水平位移數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測對比圖如圖8所示。由圖8可見，通過觀察對比不難發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場實測值與數(shù)值模擬結(jié)果并不完全一致，但變化趨勢大致相似，反映出所建模型能夠很好地反映實際變形情況，可以為深基坑工程的設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)，表明數(shù)值模擬技術(shù)在該地區(qū)深基坑開挖工程中的應(yīng)用可行。具體來看，數(shù)值模擬的最大值約為18 mm，現(xiàn)場監(jiān)測的最大值約為18.5 mm，均小于報警值20 mm，最大水平位移均發(fā)生在開挖面附近位置。此外，實測數(shù)據(jù)略大于模擬計算結(jié)果，這主要是由于建模時采取了許多簡化假定，如：不考慮地下水對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，而實際基坑開挖支護(hù)的過程難免會受到降雨的影響，降雨導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，土體重度增大，促使土體變形不斷增大，再加上該基坑周邊交通繁忙，基坑附近的車輛動荷載也會對基坑鄰近土體的深層位移造成不利的影響，以及施工荷載對土體的擾動等，這些均可導(dǎo)致實測數(shù)據(jù)大于模擬計算結(jié)果。

4 結(jié)論

通過建立三維有限元模型，重點分析了基坑開挖過程中緊鄰?fù)馏w深層水平位移發(fā)展規(guī)律，并將數(shù)值模擬結(jié)果與施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，主要結(jié)論如下：

(1)鄰近土體水平位移對基坑開挖深度較敏感，且隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，水平位移曲線呈“弓形”形態(tài)，最大水平位移區(qū)域隨著開挖深度的增加而逐漸下移，在開挖面附近達(dá)到最大值?；娱_挖設(shè)計應(yīng)遵循“分層開挖”“快挖快支”等原則。

(2)基坑側(cè)壁土體水平位移具有明顯的空間效應(yīng)，基坑長邊測點水平位移最大，短邊測點次之，坑角最小。基坑開挖施工期間應(yīng)更加注意加強(qiáng)基坑長邊中間部位附近地下管線的保護(hù)。

(3)該深基坑開挖過程中施工現(xiàn)場實測值與數(shù)值模擬兩者數(shù)值并不完全一致，但變化規(guī)律大致相似，表明數(shù)值模擬技術(shù)在該地區(qū)深基坑開挖工程中的應(yīng)用可行，研究結(jié)論可為類似工程參考借鑒。