地铁车站深基坑开挖岩土体的变形特征

2018-06-11雷山川吴廷尧

山西建筑 2018年13期

雷山川　吴廷尧

(1.中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，江苏无锡　214105；　2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉　430074)

0　引言

地铁基坑的变形主要通过围护结构的变形反映出来，因此在围护结构变形的监测基础上，分析地铁基坑开挖岩土体变形特征可为地铁基坑支护的选择提供重要参考。很多学者在基坑监测方面有过很多研究。朱文忠[1]、安关峰[2]通过分析地铁明挖深基坑支护结构变形特征，重点研究了支护结构的水平位移及水平收敛，并对变形规律进行了总结；任建喜[3]、宋超[4]在地铁深基坑支护结构监测基础上，分析了基坑围护结构的水平变形和支撑内力的变化规律；曾国熙[6]、王洪德[7]基于FLAC3D研究了软弱地层条件下地铁深基坑围护结构的变形规律和失稳特征。

本文以武汉地铁6号线东方马城站深基坑项目为基础，依托现场监测，利用数值分析软件FLAC3D建立起基坑开挖的简化模型，设置相应的开挖步骤和开挖工况，对基坑开挖过程进行数值模拟，依据现场监测数据进行对比分析，实验数值模型的可靠性验证，从而得到基坑开挖过程中岩土体的变形规律。

1　工程地质概况

武汉市轨道交通6号线东方马城站采用明挖法施工，采用地下连续墙+内支撑系统支护。车站总长度为312.0 m，车站中心里程处标准段基坑宽24.9 m、基坑深度约为24.83 m；车站范围土层主要为近代人工填土层、第四系河流冲洪积土层、砂层，下部基岩为志留系砂质泥岩。

2　数值模型的建立

为简化模拟过程，故基坑模型简化为平面应变模型，数值模型的尺寸为125 m×30 m×75 m,基坑开挖范围为25 m×25 m，地连墙宽度为1 m，长度为25 m，基坑开挖步骤分工况1～工况8分步开挖至基底，其中工况1～工况8分别为开挖土体至-2.5 m处、-9.5 m处、-13.5 m处、-16.5 m处、-18.5 m处、-21 m处、-23.5 m处以及坑底处，并依次架设1道混凝土支撑和6道钢支撑，钢筋混凝土支撑架设位置为-2 m处，6道钢支撑架设位置分别为-8.5 m处、-12 m处、-15 m处、-17.5 m处、-20 m处以及-22.5 m处。数值模型立体结构示意图如图1所示，基坑监测点布置图如图2所示。

3　数值计算结果分析

3.1　数值计算结果与实测结果对比分析

测点S4位于所选研究区域上，为基坑冠梁水平位移监测点，将数值模拟计算结果同监测结果做对比分析。监测结果和计算结果对比如表1所示，两者对比曲线如图3所示。

表1　S4测点水平位移实测值与计算值对比

由图3可知，基坑实测值和数值模拟计算值在一定范围内波动。两者相比，工况8时误差最大，为7.9%，工况5时误差最小，为1.4%，对比可知，所建立的数值模型是合理的，数值模拟所得结果可以为现场施工提供理论指导。

3.2　深基坑开挖位移模拟分析

以下为数值模型在自重应力平衡后，工况1～工况8开挖后基坑水平位移、沉降位移和混凝土支撑轴力的开挖模拟结果。

3.2.1基坑周边岩土体水平、沉降位移分析

为能更清楚地了解基坑开挖过程中围护结构的水平位移的变化规律，在模型中布设相应监测点:位移监测点具体布设如图2所示，基坑初始应力达到平衡状态后，基坑开挖工况1～开挖工况8水平位移变化曲线如图4所示，沉降位移变化曲线如图5所示，基坑开挖过程中基坑周边岩土体竖向位移值统计表如表2所示。

1)图4为基坑8个开挖步骤结束后，水平位移变化状况，由图4可总结出：基坑开挖过程中水平位移主要集中于基坑围护结构和墙后地表土体，随着开挖的进行，墙后土体出现了背向基坑方向的位移，分析认为，是由于开挖卸载导致基坑出现应力重分布，支撑体系作用在围护结构上的支撑应力同墙后土体之间的压力相互作用是基坑围护结构发生变形的主要原因。由图4可知，随着开挖的进行，水平位移逐渐增大，在第一个开挖步骤结束后，围护结构有1.73 mm向基坑内移动的位移，在第三个开挖步骤结束后，基坑水平位移变形速率在缓慢变小，在开挖步骤8结束后，围护结构向基坑内侧的位移只达到了5.62 mm，说明该基坑开挖方案是合理的，支撑架设体系及时且有效的抑制了基坑围护结构的水平位移。

2)图5为基坑8个开挖步骤结束后，沉降位移变化状况，由图5可总结出：在开挖步骤1结束后，坑外土体沉降位移达到6 mm～8 mm，在开挖步骤8结束后，周边岩土体沉降位移达到了20.1 mm，随着钢支撑的架设，土体沉降位移逐渐趋于稳定，这是由于支撑的增加，使施加在围护体系上的支撑应力增加，通过围护结构作用于墙后土体上的压力也随之增加，支撑应力对遏制土体沉降有一定影响。

3)基坑底部土体位移不甚明显，主要以隆起为主，最大隆起量不超过3.77 cm(见表2)，这表明基坑整体的围护结构和支护体系是完善合理的，有效的防止了基坑底部的隆起和回弹。

表2　基坑开挖过程中基坑周边岩土体竖向位移值统计表

3.2.2混凝土支撑轴力分析

以第一道混凝土支撑为内力监测研究对象，重点分析在开挖结束后混凝土支撑内力的变化情况。混凝土支撑内力随开挖工况的变化曲线图如图6所示。

在工况1时，混凝土支撑由于刚架设，承担了一定的墙后土体压力，因此内力有较高的水平，随着开挖的进行，墙后土体压力随之增大，到工况2时，虽然钢支撑有所增加但测点处支撑内力仍然有增大的趋势，工况3～工况7时，支撑体系相对完善，各支撑均承担了部分墙后土体压力，因此测值有一定的下降，工况8是在工况7的支撑体系基础上直接开挖至基底，因此支撑轴力有一个上升的趋势。