随着我国经济的飞速发展和城市人口的日益增加, 基础建设用地需求增大, 地上的有限空间已不能满足迅速发展的需求, 这就直接促进了对大规模地下空间的开发和利用, 出现了越来越多的深基坑工程^[1]。深基坑工程的施工将会改变原有土体的应力分布状态, 开挖过程中的土体存在应力重分布, 也必然会影响到地下结构与地表建筑物的承载能力及其稳定性, 影响正常的使用功能。

因此, 如何维护好深基坑工程施工过程中的基坑稳定与周边建筑物的安全性是十分重要的工程问题^[2]。

工程实践表明, 通过对基坑开挖过程中多项指标的监测与分析, 研究开挖过程中基坑的变形特性, 并根据监测数据的实时反馈后进行支护方案的即时优化调整, 对基坑工程开挖过程中的安全性与降低事故率有特别重要的意义^[3]。有限单元法经过半个多世纪的发展, 已成为一种十分成熟的数值模拟方法, 被广泛应用到各种工程领域中。同时, 随着计算机技术的快速发展, 有限元分析这种计算方法因具有超强的适用性, 在处理非均质、非线性问题上有很强的优势, 故其成为了工程数值分析中一种重要工具, 去指导工程设计^[4,5]。本文采用了有限元数值模拟基坑开挖过程, 来寻求深基坑的支护适时监控和预测, 通过实际工程应用, 效果较好。

本文所研究的地铁车站深基坑位于黑龙江江北。龙川路站—世茂大道站区间由龙川路站出发, 沿松北大道到世茂大道站, 整个区间呈西北至东南走向。

龙川路站为地下双层岛式车站, 车站主体采用明挖顺作法施工, 车站包括主体和附属部分, 其中附属部分包括4个出入口, 2组风亭及1个消防疏散口, 消防疏散口与2号风亭合建;区间右线起始里程右CK6+670.565—右CK8+280.171, 全长15 609.606m, 共设21座车站。图1所示为龙川路站车站的地理位置, 图中采用的是大连高程系。

哈尔滨市位于松嫩平原东南部, 松花江中游, 地质以广阔的冲洪积平原为主。龙川路站位置地层地基土分布不均, 土层性质变化大, 从上到下颗粒由细逐渐变粗。地表首层为杂填土, 上部地基土主要由粉细砂组成, 中部主要分布中粗砂与厚薄不均的黏性土, 下部基岩为白垩纪泥岩与粉砂岩。研究截面位置土层分布及其物理力学参数如表1所示, 基坑地质左线剖面如图2所示。

现场勘探资料显示, 勘探深度内场地地下水分为空隙潜水和孔隙承压水。空隙潜水层厚度15~25m, 场地地层富水性好, 水平方向透水性强, 空隙潜水与松花江水力联系较为密切, 水位受季节变化影响明显, 高水位一般在7—8月份, 低水位多出现在次年3—5月份。地下水位的变化幅度在2.0~3.0m。孔隙潜水水位埋深3.90~8.30m, 地下静止水位埋深5.20~7.10m。孔隙承压水水层厚度5~12m, 厚度变化较小, 该含水层富水性好, 透水性强, 埋深在地下11.80~14.30m。

龙川路站车站主体结构内包尺寸长186.6m, 宽19.07, 23.70m, 为地下2层标准车站, 车站有效站台长度中心线设计里程为SK+558.363, 该里程处基坑开挖深度为17.2m, 顶板覆土厚度为3.7m。车站主体结构根据结构形式分为两部分, 均采用明挖顺作法施工。盾构端头井为双柱三跨双层箱形结构, 其他区段为封闭单柱双跨, 双柱三跨双层箱形结构。使用地下连续墙作为施工阶段的围护结构, 在使用阶段兼作车站主体的挡土和抗浮结构, 二者形成复合墙协同工作。地下连续墙厚度为800mm, 顶部设置钢筋混凝土冠梁, 标准段基坑沿深度方向布置3道支撑 (1道钢筋混凝土支撑、2道钢支撑) ;端头井基坑沿深度方向布置4道支撑 (1道钢筋混凝土支撑、3道钢支撑) 。其中钢筋混凝土支撑截面尺寸为1 000mm×700mm, 采用C35混凝土, 钢支撑型号均为φ=609mm, t=16mm, 材质为Q235B。研究截面处围护结构断面如图3所示。

通过现场实际调查, 主要监测项目及监测频率如表2所示。各项目监测的数据分为位移和速率2个指标, 监测预警的等级分为3级:橙色预警 (单指标≥80%) 、黄色预警 (单指标≥100%或双指标≥80%) , 红色预警 (双指标≥100%) 。根据规范及设计要求, 研究截面位置及基坑点位布置如图4所示。

地下连续墙墙体深层水平位移是基坑监测的一项主要内容, 能直接反映深层土体的位移状态, 对考查深基坑围护结构的安全性十分重要。本文选取有代表性的测斜点位ZQT-7, 取现场实测接近5个月的测斜结果, 绘制地下连续墙水平位移随时间及深度的变化曲线, 得到EQ-29幅连墙截面位移变化曲线, 如图5所示。基坑开挖的关键步序如表3所示。

点位ZQT-7测斜管布置在车站大里程端头南侧EQ-29幅地下连续墙中, 该幅地下连续墙长度为28.00m, 入土深度为11.13m。基坑开挖初期, 由于基坑内外降水不平衡导致地下10m处地下连续墙出现负向位移, 但不大。随着基坑开挖深度的增加, 负向位移逐渐被基坑外土体的主动土压力抵消, 地下连续墙变形曲线由前倾型变为弓形, 说明第1道钢筋混凝土支撑抑制了地下连续墙顶部的位移, 同时测得钢筋混凝土支撑的轴力逐渐增大。图6是A—A截面北侧地表沉降变化, 图中显示, 随着基坑开挖深度的增加, 地表沉降逐渐增大, 呈抛物线形分布。由图5可知, 工况2, 3分别进行了第2, 3层土体的开挖, 在设置了第2, 3道钢支撑后, 由于钢支撑有预加轴力, 随着基坑的开挖地下连续墙深度位移曲线由前倾型变为弓形, 说明预加轴力的钢支撑能很好地抑制地下连续墙的位移, 保障基坑开挖的安全性。同时, 在工况5进行了第1施工段车站主体底板的施作, 在工况7进行了第1施工段车站主体中板的施作, 在工况8进行了第1施工段车站主体顶板的施作。分析地下连续墙深度位移曲线可知, 随着车站主体底板、中板、顶板的混凝土强度逐渐提高, 各板结构标高处地下连续墙侧移甚至出现了回弹, 这说明主体结构底、中、顶板能有效抑制地下连续墙向基坑内的水平位移。

选取车站基坑大里程段截面A—A, 该截面通过EQ-29幅地下连续墙。A—A截面的基坑标准宽度为21.30m, 深度为16.85m, 该幅地下连续墙长度为28m。基坑第1道钢筋混凝土支撑的设计轴力为2 100k N, 第2道钢支撑的设计轴力为3 268k N, 预加轴力为1 308k N, 第3道钢支撑的设计轴力为3 283k N, 预加轴力为1 313k N。根据圣维南原理, 深基坑开挖的影响范围是其深度的3~5倍^[6]。为简化计算, 本文采用有限元分析软件ANSYS建立二维模型分析, 模型尺寸取为160m×90m, 模型左右边界约束切向位移、下边界约束切向位移和法向位移, 有限元计算模型如图7所示。

通过现场土体的原位勘测, 该深基坑分析模型土层分布及基本物理力学参数同表1。地下连续墙采用C35钢筋混凝土, 根据以往资料采用板单元, 弹性模量E取25GPa, 泊松比μ取0.20, 重度为25k N/m³。钢支撑采用线弹性杆单元, 弹性模量E取200GPa, 泊松比μ取0.26。第1道混凝土梁采用梁单元, 物理力学参数同C35钢筋混凝土。由于在基坑开挖前, 水位已降至底板标高以下, 故不考虑地下水对基坑开挖的影响。

依据施工现场基坑开挖的步序, 选取3个关键工况的计算结果与测值数据进行对比分析, 分别为: (1) 开挖第1层土体, 施工冠梁及第1道钢筋混凝土支撑; (2) 土方开挖至基底; (3) 基坑开挖完成, 地下连续墙侧移出现预警后临时在预警部位加装1道钢支撑, 由于现有的计算手段无法准确模拟该工况, 将其等效为在开挖第3层土体时, 在预警部位加装1道含预应力的钢支撑。图8为 (1) , (2) 工况下计算结果与实测值的对比分析。

分析计算结果可知:在开挖了第1层土体施工冠梁及第1道混凝土支撑后, 地下连续墙顶部出现最大位移, 为1.011mm, 由于模拟并未考虑基坑内外降水的问题, 所以并未出现地下连续墙负向位移的现象;在基坑开挖至基底后, 在16m深度处, 地下连续墙出现最大位移16.59mm, 相较于基坑开挖初期, 有较大变形, 这是受到基坑开挖的时空效应影响。由于设置了3道支撑, 地下连续墙变形图呈弓形, 说明3道支撑对地下连续墙的侧移起到了明显的抑制作用。计算值相较于实际监测结果偏小, 分析其原因在实际工程施工中, 基坑外周围还受人为、地表建筑物、车辆、施工机械等工程扰动较为明显, 同时深基坑开挖为三维施工, 具有时空效应, 也增加了计算值与监测数据出现偏差。但是地下连续墙位移的计算值与监测数据的变化趋势基本一致, 这说明该模型的选取与计算方法是合理的, 能准确反映基坑开挖过程中围护结构的变形规律。

监测数据显示, 研究截面处的地下连续墙在基坑开挖中侧移出现橙色预警, 现场处理的方式是在侧移预警标高处临时加装有预应力的钢支撑。通过图9该工况的等效模拟可知, 在预警标高部位, 临时加装钢支撑的地下连续墙其侧移相较于未加装钢支撑的地下连续墙侧移少了7.05mm, 地下连续墙的侧移趋势也有所减缓, 这说明在地下连续墙侧移出现预警后, 在预警标高部位临时加装钢支撑是有效可行的解决手段。

1) 通过分析地下连续墙的测斜数据和基坑周围地表沉降可知, 地表沉降和地下连续墙的侧移存在一定的关联, 将两者一并分析可解决因施工遮挡等导致部分监测点位无法获得即时数据的情况。

2) 从基坑开挖到主体结构封顶, 地下连续墙的深度位移曲线变化趋势受围护结构构件和车站主体结构的影响明显, 这表明龙川路站基坑的围护结构布置形式合理有效。同时, 车站主体结构对地下连续墙的侧移有明显抑制作用, 因此在拆除支撑构件之前应确保主体结构的混凝土强度达到要求。监测数据显示地下连续墙的峰值侧移出现预警, 分析其原因是在主体结构混凝土强度未达到设计要求之前过早拆除钢支撑所致, 这在以后的施工中应予以避免。

3) 数值计算结果与监测数据变化趋势基本吻合, 说明在深基坑支护结构设计之前, 可通过有限元分析方法优化围护结构设计, 保证施工安全, 节省工程成本。

4) 数值分析和监测数据表明:在地下连续墙侧移出现预警之后, 临时在预警标高部位加装钢支撑, 对预警标高处的侧移回弹有显著效果, 这可作为以后深基坑工程开挖中围护结构出现预警后的有效参考。

5) 由于现有数值模拟分析手段有限, 并未考虑基坑周围扰动荷载的影响, 且地铁车站大多选址在繁华市区, 所以基坑周围静、动荷载和基坑开挖的时空效应是否对增大地下连续墙的侧移有耦合作用, 这个有待于进一步研究。