随着城市建设的发展, 愈益要求开发三维城市空间, 由此产生了大量的基坑工程, 并且开挖深度逐渐增大。天津市是近几年城市轨道交通发展最为迅速的城市之一, 随着轨道交通网络的建设, 换乘车站也随之增多, 多线同点立体交叉造成车站基坑开挖深度不断加大。同时, 由于基坑工程具有很强的综合性与地域性特征, 随着基坑开挖深度的增加, 对它的设计、施工和监测方面的理论研究从未间断过^[1,2,3,4]。

本文以天津地铁1号线东延工程上的李楼站深基坑工程为背景, 对车站基坑开挖过程中的现场监测数据进行分析, 并利用FLAC3D软件对基坑开挖支护的全过程进行数值模拟, 并将模拟结果与实测数据进行对比分析, 在分析中, 采用空气单元 (Null单元) 模拟挖掉的土体, 通过时间步来定义基坑工程开挖、支护过程, 从而可以计算分析每一工况下基坑支护结构的变形和地表沉降^[5]。通过数值模拟结果与实测结果对比, 进一步研究该大长宽比平面地铁车站深基坑工程开挖支护过程中的关键问题。

李楼站位于津南区韵海路与规划道路交口, 车站主体呈东西向设置, 主体结构位于规划路正下方, 北侧由东向西依次为曹氏弯管厂、韵海路和天津市津沽燃气储配厂, 东南侧为正在施工的天津市经济适用房住宅小区, 南侧为正在施工的住宅用地, 西侧约50m处有工业管道, 东侧为荒地。

李楼站是地下双层岛式站台车站, 设计里程:右DK33+569.725—DK34+052.625, 站台中心里程为右DK33+648.000, 主体结构总长482.9m (结构外皮) , 标准段和盾构井段宽度分别为20.5m和25.7m, 车站共设3组风亭、2个出入口、2个消防疏散通道以及1个消防泵房, 预留2个出入口、4个物业开发出入口及1个物业开发风道。标准段为两柱三跨的现浇混凝土箱形框架结构, 结构高度为13.51m (顶板顶至底板底) , 顶板覆土为2.3~3.3m (按平均现状地面标高+2.604m算) 。

该车站主体基坑平面布置总体成长方形, 基坑两头宽、中间窄, 基坑面积10 228m²。车站标准段基坑宽20.5m, 盾构井基坑宽25.7m;小里程端盾构井基坑深约18.35m, 大里程端盾构井深约19.25m。车站主体采用明挖法施工。基坑安全及变形控制保护等级部分为一级, 其余部分为二级。本基坑在右DK33+764.675处设置横向封堵地下连续墙, 将基坑分割成两期, 第1期施工小里程段基坑, 待曹氏弯管厂拆迁完成后再进行第2期大里程段基坑的施工。小里程段基坑周边基本没有建筑物, 而大里程段受周边建筑物的影响相对较大^[6]。本文主要对第1期工程的深基坑开挖支护进行模拟, 为了便于模型的建立, 对基坑的个别尺寸做了适当简化。图1是对基坑做一定简化后的平面尺寸, 图2为地表沉降监测点和地下连续墙深层水平位移监测点布置, 图3为基坑开挖与钢支撑架设现场施工。

车站主体基坑围护结构采用地下连续墙, 在施工阶段作为基坑施工的挡水挡土结构, 使用阶段与主体结构侧墙共同承受土压力, 并承担车站主体的抗浮。地下连续墙的厚度为800mm, 入土深度33m (冠梁底至地下连续墙底) 。地下连续墙墙顶设置冠梁, 从上到下采用4道支撑+1道倒撑, 其中第1道支撑为混凝土支撑, 其余3道与倒撑采用钢管撑;混凝土支撑截面为800mm×1 000mm, 标准间距为8m, 钢管撑尺寸为800×16, 标准间距为3m, 个别地方的间距会适当减小。如图4所示。

1) 土体本构模型及参数选取本文选取了宋广等^[7,8,9]采取的土体本构模型和强度破坏准则, 即土体采用莫尔-库仑 (Mohr-Coulomb) 塑性模型, 其中土体介质均假设为非线性、弹塑性介质材料。依据地质勘察报告, 参照天津当地规范及天津地区类似工程的经验, 对车站土层参数的具体取值如表1所示。

2) 基坑模型建立东西长194.95m, 盾构井段宽25.7m, 标准段宽20.5m, 长宽比达到9.51, 基坑总平面尺寸如图1所示。盾构井段基坑的开挖深度为18.35m, 其他地方为16.61m。模拟时把包括盾构井段和标准段在内的整个基坑进行建模。模型选取基坑的左上角为坐标原点, exc为基坑开挖部分, 在基坑四周向外分别取5倍基坑最大开挖深度范围内的土体作为基坑的分析模型^[10,11]。模型总平面尺寸为378m×209m, 根据地质勘察报告中基坑围护结构剖面图确定基坑模型的深度为50.33m。因此, 基坑模型的三维尺寸378m×209m×50.33m, 如图5所示。

基坑围护结构采用800mm厚的地下连续墙, 墙体入土深度为33m, 结构强度为C35混凝土, 地下连续墙顶部采用1 000mm×1 000mm的冠梁, 结构强度为C35混凝土。冠梁及地下连续墙均采用实体单元建模, 选取各向同性弹性模型。对于墙-土接触面的建立采用的是切割模型法, 计算时接触面上的墙-土黏聚力c_a和墙-土内摩擦角φ分别取0.7倍的土体黏聚力和内摩擦角^[12]。基坑地下连续墙和冠梁模型的具体参数如表2所示。对于支撑的模拟采用的是梁结构单元, 具体参数如表3所示。

基坑边界条件为:外边界x=-92, x=286和y=92, y=-117仅约束边界法向位移;平面内无约束;模型底部z=50.33水平边界采用固定约束;水平面z=0为自由面, 无任何约束。

由于在第1期施工中, 基坑周边基本没有建筑物的存在, 所以只需考虑施工荷载对基坑的影响。加载方式如下:在基坑顶部边缘2m之外, 对基坑施加均布荷载, 加载宽度为10m, 盾构井范围内两侧地面施加的均布荷载为30k Pa, 其余地方施加20k Pa的均布荷载。

本节主要模拟分析该工程开挖、支护的全过程, 通过模拟结果分析在不同开挖阶段基坑围护结构的侧向变形和地表沉降规律。并对模拟结果与实测结果进行对比分析, 验证模拟值与实测值的吻合程度, 为今后本地区的同类工程积累经验。

用于数值模拟分析的各工况与其对应的基坑开挖深度之间的对应关系: (1) 第1工况开挖至6.2m; (2) 第2工况开挖至10.7m; (3) 第3工况开挖至坑底。

为简便起见, 在建模和数值计算时做以下基本假定: (1) 基坑的开挖不考虑所用时间长短, 把开挖过程看成瞬时的; (2) 地表面和各土层呈均质水平层状分布; (3) 土体是各向同性、连续的弹塑性材料。

由3种工况下围护结构长边与短边侧向变形模拟结果可知:在基坑的开挖支护过程中, 围护结构长边与短边均向基坑内部产生侧向位移。当基坑开挖至6.2m且第1道钢支撑安装完成、开挖至10.7m且第2道钢支撑安装完成、开挖至坑底且第3道钢支撑安装完成时, 围护墙体长边最大侧向变形分别位于墙体深度10, 12m和14m左右的位置。同时, 3种模拟工况下长边的最大侧向位移分别占开挖深度的0.05%, 0.12%和0.19%, 均在监控量测标准 (50mm) 范围内。基坑长边与短边的侧向变形性态存在差异, 在开挖至坑底后, 基坑长边围护结构的最大侧向位移为40mm, 约为基坑最大开挖深度的0.218%, 短边围护结构最大侧向位移为17.9mm, 约为基坑最大开挖深度的0.098%。从围护结构的平面尺寸上来看, 长边与短边的比值约9.51, 围护结构的侧向变形存在明显的三维空间效应, 靠近基坑中心对称面变形较大, 而在基坑角部附近变形较小。这是由于土体的拱效应和基坑角部2个方向围护结构的强大相互支撑, 即拐角刚度强化效应有效限制了基坑拐角处围护结构的侧向变形。

本文选取变化点位最大的ZQT-04墙体断面的深层水平位移实测值与模拟值进行对比, 对比结果如图6所示。从图6可以看出, 地下连续墙ZQT-04断面的实测值与模拟值的曲线趋势基本一致。图6a和6b中, 当土体开挖至6.2m和10.7m时, 在墙深10m左右实测值与模拟值均达到最大值, 实测值在墙体深度16m左右均超过模拟值;在墙深16~16.5m, 15~15.5m处实测曲线均有一个明显减小的拐点, 而模拟值始终处于平缓下降的状态。图6c中, 实测值始终大于模拟值, 但两者在数值上相差很小, 在墙深15m左右两条曲线均达到最大值。开挖至坑底时, 实测值与模拟值的最大水平位移分别为39.8, 35mm, 各占最大开挖深度的0.217%和0.191%, 两者均在监控量测标准范围内 (50mm) 。

对于地表沉降本文选取了较为典型的2处进行了模拟值与实测值的对比分析, 其中DBC-04为地表沉降量最大的监测断面。图7~图9分别为监测点DBC-04-0j, DBC-10-0j在3种工况下模拟值与现场监测值的对比。

由图7~图9可知, 随着基坑开挖深度的不断增加, 地表沉降量逐渐增大。对于监测点DBC-04-0j和DBC-10-0j而言, 模拟值与实测值曲线变化趋势基本一致, 在数值上两者间差距控制在3~7mm, 监测点DBC-04-0j实际沉降量均大于模拟值, 监测点DBC-10-0j模拟值大于实测值。从图中还可以看出:各工况下, 04监测点的实际沉降量和模拟沉降量均大于10监测点。监测点DBC-04-0j最大实际沉降量为39mm, 而模拟结果约为30mm, 两者均在监控量测标准50mm的范围内;对于其他监测点而言, 数值模拟结果的最大值为34.6mm, 同样在监测结果控制范围以内。同时, 从监测点04所处的位置来看, 它位于基坑宽度改变点附近。因此, 在施工中要密切关注截面尺寸发生变化的部位, 确保工程安全。

本文结合天津地铁1号线东延工程上的李楼站超深基坑工程, 利用大型有限差分软件FLAC3D对基坑开挖过程围护墙体以及土体的变形影响进行了数值模拟研究。分析结果表明:

1) 利用大型有限差分数值模拟软件进行超深基坑开挖的数值模拟研究是切实可行的, 模拟分析得到的数值结果满足工程以及理论上的基本要求, 与实际工程测量结果大致吻合。

2) 基于数值模拟结果, 随着开挖步数的增加, 基坑支护外侧土体的位移量逐渐增加, 最大沉降量发生在基坑开挖全部完成时, 监测点DBC-04-0j实际沉降量最大为39mm, 而模拟结果约为30mm, 两者均在监控量测标准50mm范围内;同时, 从监测点04所处的位置来看, 它位于基坑宽度改变点附近, 因此在以后类似工程的施工中要密切关注围护结构长边截面尺寸发生变化的部位, 确保工程安全。

3) 基坑长边与短边的侧向变形性态存在差异, 在开挖至坑底后, 基坑长边围护结构的最大侧向位移为40mm, 约为基坑最大开挖深度的0.218%, 短边围护结构最大侧向位移为17.9mm, 约为基坑最大开挖深度的0.098%。从围护结构的平面尺寸上来看, 长边与短边的比值约9.51, 围护结构的侧向变形存在明显的三维空间效应。对于其他监测点而言, 基坑周围土体的地表最大模拟沉降量为34.6mm, 是基坑最大开挖深度的0.189%, 满足控制标准50mm的要求。

4) 开挖至坑底时, 围护墙体ZQT-04的实际监测最大水平位移和模拟位移分别为39.8mm和35mm, 实测值与模拟值各占最大开挖深度的0.217%和0.191%, 均满足<50mm限值的要求。