肖國清,李瑞雪

(西南石油大學 土木工程與建筑學院,成都 610500)

隨著我國地下空間的不斷開發(fā)利用,基坑開挖越來越深,深基坑的開挖會造成周圍巖土較大的變形,嚴重影響基坑的穩(wěn)定性,深基坑開挖引起的變形已成為熱點研究問題。開挖過程往往需要降水,地下水位的變化會造成巖土和支護結構的受力變化,進而引起變形。基坑開挖是應力場和基坑降水滲流場二者的耦合作用。傳統(tǒng)研究方法是將二者分開,獨立考慮其作用影響[1-3],結果與實際有一定差距,因此,研究滲流場和應力場的耦合作用十分必要。研究異型深基坑開挖與降水的應力滲流耦合作用對實際工程施工具有重要的指導意義[4-8]。

目前,一些學者探討了深基坑開挖對周圍地表的影響。侯學淵等[9]在運用地層損失法分析基坑開挖變形機理的基礎上,根據(jù)上海市的一些工程資料,提出了估算地表沉降的經(jīng)驗公式;鄭杰明等[10]通過有限差分軟件FLAC3D對深基坑開挖支護結構水平變形和地表沉降進行了數(shù)值模擬并與實測值進行對比分析,基坑開挖對墻后地表沉降的主要影響區(qū)在d/H為0～1的區(qū)域,次要影響區(qū)在d/H為1～1.5的區(qū)域,沉降最大值出現(xiàn)在d/H為0.5的區(qū)域;陳興賢等[11]采用有限元數(shù)值分析方法對深基坑降水三維變參數(shù)非穩(wěn)定滲流與太沙基一維固結理論的底面沉降耦合模型進行求解,建立了模擬預測南京地區(qū)深基坑降水引起的地下水流場變化理論模型;王建秀等[12]采用頂板逆回彈系數(shù)對分層總和法進行修正,在合理確定頂板逆回彈系數(shù)后,對地面沉降產(chǎn)生的量值進行計算。前人對基坑降低水位引起地面沉降的基本原理、預測方法、基坑監(jiān)測以及降低水位對地表沉降的影響均有一定的研究[13-16],但是關于地鐵深基坑降低水位滲流分析的研究較少。這些研究[17-18]均指出不同工況、圍護結構及地質條件下,基坑具有不同的承載機理及變形機制,而關于長江漫灘“工”字型深基坑在降水作用下承載機理及變形機制的研究尚少。文中針對長江漫灘高承壓水地基,以南京某“工”字型地下六層換乘站基坑為依托工程,通過基坑開挖過程中的數(shù)值模擬,對比分析了采用半順作半逆作開挖法和傳統(tǒng)明挖開挖法在墻頂水平位移、墻體深層側向位移、地表沉降、支撐軸力等方面隨基坑開挖及時間的變化規(guī)律。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

工程為南京市某“工”字型地下六層三線換乘車站。車站周圍較為空曠,為待開發(fā)的商業(yè)地塊。車站工程場地屬長江漫灘地貌單元,地形較平坦,地面高程為5.62～5.85 m。中心里程處基坑開挖深度為44.8 m,車站周邊場地較開闊,無重大建(構)筑物。根據(jù)建筑布置和使用功能的要求,本站為地下六層標準側式站臺(9.2～11.75 m)車站,車站標準段寬34.2/38.2 m,標準柱距9 m,車站采用六層三柱四跨矩形框架結構。基坑具有面積大、開挖深的特點。因車站建設與周邊地塊開發(fā)存在時序交叉的可能性,基于場地地質條件及水文地質條件較差等特點,車站主體結構采用同步建設方案,豎向擋土構件為1 500 mm地下連續(xù)墻,采用半順作半逆作法施工。負一層～負三層采用順作法施工,同時負四層～負六層采用逆作法施工,有利于控制基坑側壁變形,降低基坑開挖風險。采用剛度較大的地連墻作為圍護結構。地連墻入中風化巖3 m,地墻兩側采用防塌加固,保證地連墻的承載力。基坑施工時,地墻入巖隔斷承壓水,采用坑內(nèi)疏干降水,坑外設置回灌井的地下水處理方式。

圖1 支護結構平面圖Fig.1 Plan view of supporting structure

圖2 支護結構剖面圖Fig.2 Sectional view of supporting structure

1.2 地質條件

1.2.1 工程地質

場地地貌單元屬長江漫灘,場地內(nèi)地勢平坦低洼,地面高程為7.00～8.00 m,除地表約0.5～5.0 m厚的人工填土外,組成物基本為第四系全新的淤泥質粉質粘土～粉質粘土、粉質粘土、粉砂等;下臥基巖巖性為白堊系浦口組粉砂質泥巖～泥質粉砂巖。各土層設計選用的力學參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學參數(shù)Table 1 Physical and Mechanical Parameters of Soil Layer

1.2.2 水文地質

場地地下水類型為松散巖類孔隙水(孔隙潛水、微承壓水)和基巖裂隙水。

2 三維數(shù)值模擬

2.1 計算模型

根據(jù)地鐵站基坑工程的平、剖面關系建立三維1∶1計算模型。模型尺寸為363 m×421 m×70 m。土體、地下連續(xù)墻、內(nèi)墻、立柱、底板均采用實體單元模擬,采用摩爾-庫倫模型計算;基坑橫向支護采用結構梁單元模擬。同時,模型設置流體算法,通過設置含水率、孔隙率、水密度及滲透系數(shù)建立流體場,模擬每層開挖后降水的滲流作用,考慮滲流場和應力場的耦合作用。計算模型如圖3所示。

圖3 三維有限差分模型Fig.3 Three-dimensional finite element model

2.2 模型結果

通過FLAC3D模擬計算,得到開挖結束后連續(xù)墻側向位移情況。圖4(a)為連續(xù)墻x方向位移,連續(xù)墻x方向上的最大位移在豎邊中點處,變形量為55.7 mm,圖4(b)為連續(xù)墻y方向位移,連續(xù)墻y方向上的最大位移在橫邊中點處,變形量為96.4 mm。工字型基坑開挖連續(xù)墻最大位移位于上下橫邊中點處。

圖4 連續(xù)墻側向位移Fig.4 lateral displacement of continuous wall

許樹生等[19]依托天津地鐵6號線金鐘街站深基坑工程,驗證了采用FLAC3D模擬分布開挖連續(xù)墻側向位移和最大值位置與實測值的差均在允許范圍內(nèi),連續(xù)墻變形均為內(nèi)凸型。圖5為工字型基坑上橫邊中點截面連續(xù)墻側移隨深度變化情況,前3層采用明挖順作法進行開挖,連續(xù)墻變形均為內(nèi)凸型,隨著開挖深度增加,連續(xù)墻側向位移增大,側向位移 深度曲線與文獻[19]模擬得出的曲線相似。

圖5 連續(xù)墻側向位移隨開挖深度的變化Fig.5 lateral displacement of diaphragm wall varies with excavation depth

圖6為開挖結束后地表沉降情況,地表最大沉降值出現(xiàn)在下橫邊中點距連續(xù)墻一定距離處,周圍地表沉降最大值為126 mm。開挖、地下水側向壓力和水滲流相互耦合作用,地表沉降值較大,符合南京長江漫灘地區(qū)基坑地表沉降開挖監(jiān)測普遍較大的情況,超出監(jiān)測報警值范圍。圖7為開挖結束后橫向支撐軸力情況,橫向支撐最大軸力值出現(xiàn)在第一層橫向支撐豎邊中點處,軸力最大值為936 MPa。

圖6 周圍地表沉降Fig.6 Surface Subsidence Around

圖7 橫向支撐軸力圖Fig.7 Transverse support shaft diagram

2.3 明挖順作法

2.3.1 周圍地表沉降規(guī)律分析

采用FLAC3D軟件對地下6層換乘站開挖工程采用明挖順作法進行模擬,地下4～6層開挖采用鋼支撐進行支護,逐層進行開挖。圖8為上橫邊中點處地表沉降值隨距連續(xù)墻距離變化,地表沉降最大值在距離連續(xù)墻一段距離處,分別為171 mm(明挖順作法)和120 mm(半順作半逆作法)。相比于明挖順作法,半順作半逆作法產(chǎn)生的地表沉降要小很多。圖9為地表最大沉降處(距連續(xù)墻20 m處),地表沉降值隨開挖工序的變化,逐漸增大。相比于明挖順作法,半順作半逆作法在前三層明挖順作時地表沉降值與明挖順作法相同,但是當?shù)谌龑拥装逍拗煤?地表沉降值明顯小于明挖順作法。半順作半逆作法比明挖順作法更能控制地表沉降值,施工更加安全。

圖8 地表沉降值隨距連續(xù)墻距離變化Fig.8 variation of surface settlement value with distance from continuous wall

圖9 地表沉降值隨開挖工序的變化Fig.9 variation of surface settlement value with excavation process

圖10為連續(xù)墻側移(上橫邊中點處)隨深度變化,半順作半逆作法的連續(xù)墻側移最大值位于-7 m處,最大值為78 mm,明挖順作法的連續(xù)墻最大值位于-24 m處,最大值為121 mm。半順作半逆作法由于底三層為暗挖法,位移相對較小,最大位移出現(xiàn)在上部,且比明挖順作法產(chǎn)生的最大位移小很多,半順作半逆作法比明挖順作法更能控制連續(xù)墻側移,施工更加安全。圖11為連續(xù)墻側移(上橫邊中點處頂端)隨開挖工序的變化,對于連續(xù)墻頂端側向位移,半逆作半順作法比明挖順作法的位移值大。

圖10 連續(xù)墻側移隨深度變化圖Fig.10 Variation of lateral movement of continuous wall with depth

圖11 連續(xù)墻側移隨開挖工序的變化Fig.11 Variation of lateral movement of continuous wall with excavation process

3 結 論

1)長江漫灘高承壓水地基深基坑開挖工程,考慮開挖及降水的應力滲流耦合作用,地表沉降值和連續(xù)墻變形值均較大。

2)工字型深基坑開挖工程,連續(xù)墻側移最大值出現(xiàn)在上下橫邊中點處。連續(xù)墻墻體深層水平位移隨深度增加,均呈“脹肚型”的變化趨勢,半逆作半順作法最大側移發(fā)生在上部區(qū)域,明挖順作法最大側移發(fā)生在中部區(qū)域,且半逆作半順作法產(chǎn)生的最大側移較明挖順作法產(chǎn)生的最大側移小。

3)工字型深基坑開挖工程,地表沉降最大值出現(xiàn)在上下橫邊中點處,沉降最大值并不在連續(xù)墻邊緣處,而是在距連續(xù)墻一段距離處。半逆作半順作法的地表沉降、連續(xù)墻側移、橫向支撐最大軸力均小于明挖順作法。半逆作半順作法有利于控制基坑側壁變形,降低基坑開挖風險。