乌鲁木齐1号线地铁车站的建设大多采用明挖基坑法, 地铁车站通常位于市区内, 处于人流车辆密集地段, 周围有大量城市建筑, 在基坑开挖时就不得不考虑深基坑开挖对周边环境及周边环境对车站施工的影响。同时, 乌鲁木齐地处内陆, 有独特的地质地貌特征, 不同地区的土体性质对实际工程的作用有较大差别, 在该地区进行大规模地下工程建设缺乏经验, 有必要对工程进行进一步分析。城市深基坑开挖往往受到多种复杂因素影响, 计算机技术在工程建设中的应用为数值计算研究工程问题提供了条件。本文主要针对乌鲁木齐地铁1号线新疆大学站基坑开挖的影响, 就围护结构插入比进行分析优化, 并以基坑施工监测数据为依据, 通过数值模拟手段对基坑围护结构插入比对基坑施工造成的影响进行分析。

乌鲁木齐轨道交通1号线为主城南北向骨干线、全网的基线。拟建新疆大学站是乌鲁木齐城市轨道交通1号线的第2个车站, 位于乌鲁木齐市天山区胜利路与水塔巷交叉口处, 沿胜利路建设, 此路口人流密集, 交通繁忙。拟建车站场地主要为城市道路、车站附近有大量低层及高层建 (构) 筑物、人防通道, 车站呈南北向布置, 全长202m, 宽21.1m, 基坑开挖深度20.30～21.97m。车站主体拟采用明挖法施工, 围护结构拟采用钻孔灌注桩+旋喷桩+钢管内支撑支护体系。

拟建新疆大学站处于基岩剥蚀丘陵区, 地势呈南高北低。根据地层沉积年代、成因类型及勘察结果, 拟建车站场地内主要地层由人工填土层、第四系全新统冲、洪积卵石层、第四系上更新统坡、洪积角砾层及下伏的三叠系泥岩、砂岩、砾岩构成, 人工填土层主要为杂填土及卵石填土, 广泛分布于地表, 在角砾层中局部分布透镜体状粉质黏土。

本次工程采用明挖法施工, 围护结构拟采用钻孔灌注桩+旋喷桩+钢管内支撑支护体系。本次模拟施工方案分5步开挖, 即标准施工, 标准施工开挖深度21m, 围护结构入土深度24.78m, 分层开挖, 所选基坑段范围内分5层开挖, 施加4道钢支撑, 标准施工阶段如表1所示。

新疆大学站基坑围护桩钻孔深度为24.807、24.088、23.457、23.103m和24.333m, 结合地勘报告, 考虑到乌鲁木齐地质并不是典型的松软土体类型, 插入比没有必要设置过大, 本次以插入比0.18、钻孔桩插入深度24.78m作为基准模拟, 分别设置插入比为0.12、0.15、0.18、0.25、0.40和0.45, 即围护结构入土深度23.52、24.15、24.78、26.25、29.4m和30.45m, 作为对比分析目标。分析插入比改变造成的影响时, 均在标准施工条件下仅改变插入比。

此次模拟基坑段的支护区域纵断面尺寸为21m×21m (长×高) , 开挖深度21m, 围护结构入土深度按照要求取值, 所建模型平面尺寸取181m×60m (长×高) 。利用迈达斯GTS NX进行模拟计算, 考虑为明挖基坑模型, 各土体本构模型选择修正莫尔-库伦本构模型, 围护结构和支撑体系选择弹性模型。

在基坑偏于安全情况下, 考虑围护桩底端嵌固, 桩身本身变形符合要求, 此时桩顶位移可作为判断围护桩整体稳定性的依据, 同时基坑底部的变形对基坑整体的稳定性判断也十分重要。本文主要分析围护结构插入比和施工方案对桩顶水平位移、基坑底部变形和围护结构后地表影响的作用规律进行施工优化。

实际工程围护结构插入比偏小, 此次以插入比0.18, 入土深度24.78m作为基准, 与实际情况十分接近。通过实际监测数据与模拟结果进行对比分析, 发现模拟结果与实际数据吻合较好, 模型计算结果能很好地反映实际规律和结果 (见图1) 。图中横坐标代表分析阶段, 分别是初始状态、施做围护桩、开挖1和内支撑1、开挖2和内支撑2、开挖3和内支撑3、开挖4和内支撑4、开挖5。图中负值代表位移向基坑内, 阶段1和阶段2基坑并未开挖, 此时的位移量可忽略不计。

第1次开挖后, 桩顶水平位移达到最大, 同时随着施加第1道钢支撑, 位移量显著减小。此后开挖过程中, 桩顶水平位移呈逐渐减小趋势。两者最大值均出现在第1次开挖, 大于2mm但不超过2.5mm, 实测数据最小值在1mm左右, 而模拟结果是1.5mm左右, 实测数据比模拟结果偏小, 原因是施工过程中钢支撑上施加的预应力效果偏好, 模拟中考虑现实预应力损失严重并未添加钢支撑预应力。

模型围护结构插入比依次改为0.12、0.15、0.25、0.40、0.48, 即围护桩入土深度为23.52、24.15、26.25、29.4、30.45m, 用模拟分析结果可看出, 不同插入比情况下, 桩顶水平位移变化规律基本一致, 位移量基本没有变化。此次模拟中, 在基准插入比的基础上, 逐渐加大插入比, 桩顶水平位移量基本不变, 同时, 插入比是反映支护桩底部嵌固情况的重要指标, 可说明在支护桩基准入土深度情况下, 支护桩的嵌固情况已非常理想。结合实际监测, 桩身变形没有超过规定, 由此认定, 没有必要加大支护桩入土深度来提高支护结构稳定性。

不同区域的地层条件相差较大, 其对应的基坑围护结构插入比也有很大差别, 结合乌鲁木齐地质特征并不符合松软土体类型, 可认为乌鲁木齐地质条件偏好。参考其他统计资料认为, 乌鲁木齐基坑围护桩插入比远小于上海地区基坑, 与北京和西安地区相近, 实际工程中桩底端入土深度偏小。在实际插入比的基础上通过数值计算的方法进行减小插入比的模拟, 发现减小插入比对桩顶水平位移的影响非常小。因此, 在此次模拟中, 改变插入比对桩顶水平位移影响可忽略不计。

基坑底部变形对基坑坑底稳定和围护结构的安全有重要影响, 关系到基坑的整体稳定, 会对后续基坑底板施工造成影响。在基坑开挖中, 减小基坑底部变形对整体施工具有重要意义。通常来说, 适当加大支护桩入土深度, 提高插入比, 可提高基坑底部抗隆起稳定系数, 有利于减小坑底变形。基准插入比情况下, 插入比为0.18, 围护桩入土深度24.78m, 基坑底部变形如图2所示。从图中可看出, 基坑的变形主要是隆起, 在坑底边缘有微小沉降, 向坑底中间位置迅速发展为隆起, 最大隆起出现在基坑底部中点位置, 最大值在13mm左右。本次工程中, 基坑开挖深度超过20m, 属于深基坑类型, 对于基坑底部抗隆起能力有较高要求。本文通过改变支护桩插入比来分析其对坑底变形的作用。

在0.18插入比的基础上, 依次将插入比改为0.12、0.15、0.25、0.40、0.48, 基坑底部变形仍表现为明显的隆起, 且最大隆起均发生在坑底中点位置, 随着插入比的增大, 最大隆起值在减小, 可明显看到加大桩的入土深度对坑底稳定有积极作用。同时, 减小围护结构插入比虽然会使坑底最大隆起值加大, 但变化值并不是很大, 由此看出加大桩的入土深度对基坑底部稳定的有利作用比较有限。结合工程的经济性, 并不提倡单纯增加围护桩的入土深度, 在坑底变形不超过限值的情况下, 适当减小插入比, 对围护桩入土深度取较小值仍然是合理的, 可采用0.12插入比。

基坑开挖过程中会对周围地表产生显著影响, 减小开挖对周边地表的影响也是施工中需要着重考虑的方面。支护结构插入比对围护结构的稳定性有着重要影响, 围护结构主要是对后方土体位移和变形进行限制, 因此, 分析插入比对后方地表变形产生的影响也是十分有意义的。此次主要分析插入比对地表最大变形的影响, 根据实际监测数据, 基坑开挖过程中, 地表最大变形均是沉降, 与基准插入比情况下的模拟结果一致。随着基坑施工, 地表最大沉降量大体上在不断增大, 两者在中间阶段沉降量均有所减小的原因是由支撑体系的施加所导致。实测值整体比模拟结果偏大, 这是因为新疆大学站处于人流车辆密集的市区, 周围建筑较多, 施工荷载较大。总体来看, 模拟结果与实测数据吻合较好。

在基准插入比0.18的基础上改变围护桩入土深度, 不同插入比条件下, 随着基坑开挖过程, 地表最大沉降的变化规律基本相同, 但基坑开挖完成后, 地表位移的最大值有一定差别, 如图3所示。地表最大沉降量先是随着插入比的增大而增大, 之后又开始减小, 从图中看出转折点在插入比为0.41左右, 同时可看到, 插入比对沉降量大小的影响并不明显。在基坑施工中, 仅提高围护桩插入比, 增强围护结构稳定性, 加大了对结构后方土体的限制作用, 但是对最大沉降量的影响却是复杂的, 而且对沉降最大值的直接作用很微弱。地表最大沉降是在多种因素共同作用下出现的, 当桩的入土深度增加到一定大小时, 对减小最大沉降有利。在地质条件较好地区, 围护结构插入比偏小, 此时增大支护桩插入比, 对减小后方地表最大沉降没有明显作用, 可考虑减小围护结构插入比控制地表最大变形。

1) 采用修正莫尔-库伦本构模型建立乌鲁木齐地铁基坑模型模拟结果较好, 与实际监测数据符合较好, 可反映实际工程规律, 结果可信, 修正莫尔-库伦模型用于基坑开挖的分析是合适的。

2) 改变围护结构插入比, 桩顶位移基本不变, 在基准插入比条件下, 桩底端嵌固已经比较好, 模拟结果中减小插入比并未明显加大桩顶水平位移, 实际工程可考虑减小插入比进行优化。

3) 加大支护桩插入比可提高基坑底部抗隆起能力, 在插入比不需要太大的情况下对最大隆起的限制作用有限, 考虑工程经济性, 取较小插入比仍是合理的, 根据本次模拟结果可采用0.12插入比。

4) 支护结构插入比对后方地表最大沉降值的影响不是呈单一变化规律, 在插入比约为0.41时发生转折, 当小于0.41时随着插入比加大最大沉降量增大, 大于0.41时最大沉降量反而开始减小。综合考虑, 仍需减小插入比进行工程优化。