论文部分内容阅读
【摘 要】 本文根据某地铁站深基坑实例，采用钻孔灌注桩与多层钢管支撑作基坑支护体系对深基坑进行了控制，采用有限差分软件FLAC3D，对某地铁站深基坑建立三维数值模型，数值模拟的结果显示，所选支护体系满足基坑变形控制要求。
【关键词】 地铁站;深基坑;FLAC3D;变形控制
1.引言
深基坑支護问题正在成为建筑工程界的热点和难点问题。深基坑开挖支护是一项风险大、影响因素非常多的项目工程，影响因素复杂，综合性强，和周围环境条件、支护方法的选择、基坑开挖顺序、工程管理水平等关系密切[1-2]。目前对于基坑支护方面的理论相对较少，仅仅凭借经验进行设计难以保证工程的安全，所以为了确保基坑支护的安全可靠，采用科学合理的方法，进行基坑变形控制技术的研究，具有重要的现实意义。
2.某地铁站深基坑基本概况
某地铁站作为某市地铁2号线重点工程，位于虎泉街与雄楚大街交叉口，华师一附中初中部南侧，沿虎泉街设置。站位北侧有中国五环化工工程总公司及其家属区、华师一附中初中部、保利华都施工区，南侧有武汉西藏中学，西侧有荣军医院等单位。
某地铁站为地下双层岛式布置，分别为站厅层和站台层;交叉口的下面就是车站的主体工程，绿化带下方是一些附属设施。该车站主要有四个主要部分组成，分别是主体结构、进出口、风亭和通道。进出口共四个，通道一个，风亭两个。车站总建筑面积为11932.1m2，其中主体建筑面积为9096m2。图1为某地铁站基坑平面示意图。
图1 某地铁站深基坑平面示意图
车站主体及附属结构采用明挖法施工，主体围护采用d=1000mm钻孔灌注桩桩间距@1300mm作为基坑围护结构，桩顶设冠梁，桩间采用C20挂网喷砼保持桩间土稳定;采用φ600，δ12钢管三道作为内支撑;钻孔灌注桩之间采用φ800旋喷桩止水。出入口、通道围护结构采用φ800、@1200钻孔灌注桩加钢支撑作为基坑围护结构，采用φ600，δ12钢管两道作为内支撑。钻孔灌注桩之间采用φ800旋喷桩止水，基坑平面内一般采用对撑，在端部与角部采用斜撑。基坑支护及土方开挖程序如下：1）施工钻孔灌注桩和旋喷桩等围护结构，完成后，全部开挖至地面以下2.0m后施工冠梁，钢筋混凝土挡墙，安装第一道钢管支撑，接力开挖至第二次开挖面;2）安设第二道支撑，然后向下开挖至第三次开挖面;3）安设第三道支撑，向下开挖至基底上50cm，50cm采用人工清底。为确保施工的顺利进行和基坑的安全稳定，指导施工，在施工期间对围护结构顶部的水平位移和沉降位移及周边建筑物的沉降位移进行实时监测。
根据地质勘查资料可知，该地铁站的地层从上到下依次为：
（1）人工填土层（Qml）：杂填土：厚度1.5～3.7m。
（2）冲积层（Q2al）：粉质粘土，厚度1.8～3m。
（3）冲、洪积层（Q2al+pl）：粉质粘土，厚度2.6～4.7。
（4）粉质粘土层（10-1）：粉质粘土，厚度4.7m黄褐色，结构紧密，含有少量的铁。
表1 现场施工支护参数
设计方法 现场设计施工
第一道支撑位置 2
第二道支撑位置 6.5
第三道支撑位置 10.8
第四道支撑位置 14
桩身最大位移（cm） 8.4
桩身最大弯矩（KN﹒m/m） 988.1
桩身最大剪力（KN/m） 613.7
（5）粘土层（10-2）：粘土，厚度7.2～11.1m;黄褐色，有的是棕色，中间会少量团状，结构紧密，硬塑状，裂隙发育。碎石在该层中的含量大概占4～14%。
3.数值模拟计算模型与初始计算参数
本文采用有限差分软件FLAC3D[3]，对某地铁站深基坑建立三维数值模型。考虑到基坑平面、支护结构、地面附加荷载以及基坑开挖情况对基坑南部标准段部分建立模型，进行有限差分计算，数值模型平面图和模型网格划分见图2和图3。
图2 数值模型平面图（单位：m）
（1）计算域范围：基坑开挖深度为16.4m，当前开挖长74m，基坑宽18.5m。根据基坑开挖影响长度方向约为开挖深度的3-4倍，深度方向约为开挖深度的2-4倍，选取模型尺寸为110m×84×60m（长×宽×高）。
（2）模拟单元：土体采用三维六面体8节点的实体单元模拟，钻孔灌注桩和高压旋喷桩采用3节点的桩单元模拟，钢支撑采用3节点的梁单元模拟。
（3）边界约束：由于模型范围选取足够大，因此我们在基坑的长边方向（X方向）两端（X=0，X=130）施加X方向约束，基坑的短边方向（Y方向）两端（Y=0，Y=84）施加Y方向约束，而在模型的底面（Z=-60）施加了XYZ三个方向的约束。
（4）计算中采用直角坐标系：坐标原点为模型的底面（Z=-60）处，X轴平行于基坑长边，Y轴平行于基坑短边。所取范围为：X向为0-130.0m，Y向为0-84.0m，Z向为-60.0-0m。
（5）材料模型：结构材料（钻孔灌注桩，高压旋喷桩和钢支撑）采用各向同性的弹性模型，土体采用弹塑性的莫尔-库伦模型。
（6）荷载：主要有地应力场、重力、地下水和施工荷载。对于场地内地下水下的土体采用有效应力的方式考虑地下水的影响。
图3 模型网格划分图
根据工程地质勘察报告，并考虑提高三维有限差分的收敛性和位移的可靠性，将模型范围内土层概括为以下四层：第一层为填土层，厚2.6m;第二层为粉质粘土层，厚4.7m;第三层为粘土层，厚16.8m;第四层为灰岩，厚35.9m。各土层力学参数范围值见表2。表2为各土层力学等效参数，是通过土层简化前各简化土层所包含的土层力学参数的加权平均计算获取的。 表2 土体力学计算等效参数
土层 层厚/m 密度/103kg/m3 压缩模量E/Mpa C/kPa φ/° μ
素填土 2.6 1.86 8.0 5 22 0.3
粉质粘土 4.7 1.97 8.7 32.5 15.9 0.35
粘土 16.8 1.89 11.2 34.6 15.4 0.32
灰岩 35.9 2.68 22.5 14.5 47.5 0.26
根据基坑开挖和支护的施工步序，计算共考虑4个工况：
（1）工况1：开挖至标高-2米，并在-1米处设置第一道支撑。
（2）工况2：开挖至标高-6.7米，并在-6米处设置第二道支撑。
（3）工况3：开挖至标高-11米，并在-9.2米处设置第三道支撑。
（4）工况4：开挖至标高-16.4米，并在-12.7米处设置第四道支撑。
计算中将每一个工况作为一个计算步时，按增量法近似模拟施工过程。
图4～7分别给出了4种工况条件下基坑土体、桩体结构的水平位移及沉降位移。计算结果表明，桩体结构水平位移和基坑周边地表沉降位移发展很不均匀，空间变形特征明显。
（a）工况1时基坑水平位移云图
（b）工况1时基坑沉降位移云图
图4 工况1时基坑位移云图
（a）工况2时基坑水平位移云图
（b）工况2时基坑沉降位移云图
图5 工况2时基坑位移云图
（a）工况3时基坑水平位移云图
（b）工况3时基坑沉降位移云图
图6 工况3时基坑位移云图
（a）工况4时基坑水平位移云图
（b）工况4时基坑沉降位移云图
图7 工况4时基坑位移云图
表3 数值模拟计算结果
工况 最大水平
变形量（cm） 存在
位置 最大沉降
变形量（cm） 存在
位置
工况1 1.985 右侧桩体 3.371 两侧桩体
工况2 2.925 右侧桩体 5.104 基坑两侧土体
工况3 3.971 右侧桩体 5.813 右侧施加荷载处
工况4 5.664 右侧桩体 10.62 基坑走向边缘土体
總体上讲，随着基坑进一步的开挖，基坑水平方向的位移都小于垂直方向的位移，如表3所示。对于基坑支护桩体结构，在开挖前期，水平方向位移较大，随着进一步开挖，水平位移增长显著;在开挖过程中最大水平位移均沿右侧桩体分布。基坑四周的垂直方向的位移，随着工况进行沉降逐渐发育，且在基坑走向边缘土体产生最大沉降。
由于基坑左右两侧受力情况不同（右侧施加大楼自重荷载），基坑开挖初期，右侧桩体水平位移明显大于左侧桩体，随着基坑开挖深度的增加，右侧桩体水平位移逐步增加，而左侧水平位移反而逐渐减小，从基坑两侧受力不均来分析，应是右侧桩体变形在外力作用下发展加快。基坑地表沉降一方面由于土体自重引起沉降，另一方面由于外荷载的存在和地下水的影响，部分地区沉降加大，尤其是外荷载存在处，沉降变形最大。随着开挖步序的进行，沉降变形逐步增大，最大值为10.62cm。
4.结论
针对某地铁站的具体工程实例，采用有限差分软件FLAC3D，对某地铁站深基坑建立三维数值模型。数值模拟的结果为：某地铁站采用钻孔灌注桩与多层钢管支撑作基坑支护体系，开挖至设计标高时，基坑变形水平位移最大值达到5.664cm，基坑周边地表沉降位移最大值为10.62cm，均基坑变形允许范围之内，所选支护体系满足基坑变形控制要求。
参考文献：
[1]俞建霖，龚晓南.基坑工程变形性状[J].土木工程学报，第35卷第4期，2002，7-8.
[2]熊巨华.软土地区围护结构变形控制设计[D].同济人学博士学位论文，1999，23-25.
[3]李云安，葛修润，张鸿昌.深基坑工程变形控制与有限元数值模拟分析[J].地质与勘探，2001，5-6.
【关键词】 地铁站;深基坑;FLAC3D;变形控制
1.引言
深基坑支護问题正在成为建筑工程界的热点和难点问题。深基坑开挖支护是一项风险大、影响因素非常多的项目工程，影响因素复杂，综合性强，和周围环境条件、支护方法的选择、基坑开挖顺序、工程管理水平等关系密切[1-2]。目前对于基坑支护方面的理论相对较少，仅仅凭借经验进行设计难以保证工程的安全，所以为了确保基坑支护的安全可靠，采用科学合理的方法，进行基坑变形控制技术的研究，具有重要的现实意义。
2.某地铁站深基坑基本概况
某地铁站作为某市地铁2号线重点工程，位于虎泉街与雄楚大街交叉口，华师一附中初中部南侧，沿虎泉街设置。站位北侧有中国五环化工工程总公司及其家属区、华师一附中初中部、保利华都施工区，南侧有武汉西藏中学，西侧有荣军医院等单位。
某地铁站为地下双层岛式布置，分别为站厅层和站台层;交叉口的下面就是车站的主体工程，绿化带下方是一些附属设施。该车站主要有四个主要部分组成，分别是主体结构、进出口、风亭和通道。进出口共四个，通道一个，风亭两个。车站总建筑面积为11932.1m2，其中主体建筑面积为9096m2。图1为某地铁站基坑平面示意图。
图1 某地铁站深基坑平面示意图
车站主体及附属结构采用明挖法施工，主体围护采用d=1000mm钻孔灌注桩桩间距@1300mm作为基坑围护结构，桩顶设冠梁，桩间采用C20挂网喷砼保持桩间土稳定;采用φ600，δ12钢管三道作为内支撑;钻孔灌注桩之间采用φ800旋喷桩止水。出入口、通道围护结构采用φ800、@1200钻孔灌注桩加钢支撑作为基坑围护结构，采用φ600，δ12钢管两道作为内支撑。钻孔灌注桩之间采用φ800旋喷桩止水，基坑平面内一般采用对撑，在端部与角部采用斜撑。基坑支护及土方开挖程序如下：1）施工钻孔灌注桩和旋喷桩等围护结构，完成后，全部开挖至地面以下2.0m后施工冠梁，钢筋混凝土挡墙，安装第一道钢管支撑，接力开挖至第二次开挖面;2）安设第二道支撑，然后向下开挖至第三次开挖面;3）安设第三道支撑，向下开挖至基底上50cm，50cm采用人工清底。为确保施工的顺利进行和基坑的安全稳定，指导施工，在施工期间对围护结构顶部的水平位移和沉降位移及周边建筑物的沉降位移进行实时监测。
根据地质勘查资料可知，该地铁站的地层从上到下依次为：
（1）人工填土层（Qml）：杂填土：厚度1.5～3.7m。
（2）冲积层（Q2al）：粉质粘土，厚度1.8～3m。
（3）冲、洪积层（Q2al+pl）：粉质粘土，厚度2.6～4.7。
（4）粉质粘土层（10-1）：粉质粘土，厚度4.7m黄褐色，结构紧密，含有少量的铁。
表1 现场施工支护参数
设计方法 现场设计施工
第一道支撑位置 2
第二道支撑位置 6.5
第三道支撑位置 10.8
第四道支撑位置 14
桩身最大位移（cm） 8.4
桩身最大弯矩（KN﹒m/m） 988.1
桩身最大剪力（KN/m） 613.7
（5）粘土层（10-2）：粘土，厚度7.2～11.1m;黄褐色，有的是棕色，中间会少量团状，结构紧密，硬塑状，裂隙发育。碎石在该层中的含量大概占4～14%。
3.数值模拟计算模型与初始计算参数
本文采用有限差分软件FLAC3D[3]，对某地铁站深基坑建立三维数值模型。考虑到基坑平面、支护结构、地面附加荷载以及基坑开挖情况对基坑南部标准段部分建立模型，进行有限差分计算，数值模型平面图和模型网格划分见图2和图3。
图2 数值模型平面图（单位：m）
（1）计算域范围：基坑开挖深度为16.4m，当前开挖长74m，基坑宽18.5m。根据基坑开挖影响长度方向约为开挖深度的3-4倍，深度方向约为开挖深度的2-4倍，选取模型尺寸为110m×84×60m（长×宽×高）。
（2）模拟单元：土体采用三维六面体8节点的实体单元模拟，钻孔灌注桩和高压旋喷桩采用3节点的桩单元模拟，钢支撑采用3节点的梁单元模拟。
（3）边界约束：由于模型范围选取足够大，因此我们在基坑的长边方向（X方向）两端（X=0，X=130）施加X方向约束，基坑的短边方向（Y方向）两端（Y=0，Y=84）施加Y方向约束，而在模型的底面（Z=-60）施加了XYZ三个方向的约束。
（4）计算中采用直角坐标系：坐标原点为模型的底面（Z=-60）处，X轴平行于基坑长边，Y轴平行于基坑短边。所取范围为：X向为0-130.0m，Y向为0-84.0m，Z向为-60.0-0m。
（5）材料模型：结构材料（钻孔灌注桩，高压旋喷桩和钢支撑）采用各向同性的弹性模型，土体采用弹塑性的莫尔-库伦模型。
（6）荷载：主要有地应力场、重力、地下水和施工荷载。对于场地内地下水下的土体采用有效应力的方式考虑地下水的影响。
图3 模型网格划分图
根据工程地质勘察报告，并考虑提高三维有限差分的收敛性和位移的可靠性，将模型范围内土层概括为以下四层：第一层为填土层，厚2.6m;第二层为粉质粘土层，厚4.7m;第三层为粘土层，厚16.8m;第四层为灰岩，厚35.9m。各土层力学参数范围值见表2。表2为各土层力学等效参数，是通过土层简化前各简化土层所包含的土层力学参数的加权平均计算获取的。 表2 土体力学计算等效参数
土层 层厚/m 密度/103kg/m3 压缩模量E/Mpa C/kPa φ/° μ
素填土 2.6 1.86 8.0 5 22 0.3
粉质粘土 4.7 1.97 8.7 32.5 15.9 0.35
粘土 16.8 1.89 11.2 34.6 15.4 0.32
灰岩 35.9 2.68 22.5 14.5 47.5 0.26
根据基坑开挖和支护的施工步序，计算共考虑4个工况：
（1）工况1：开挖至标高-2米，并在-1米处设置第一道支撑。
（2）工况2：开挖至标高-6.7米，并在-6米处设置第二道支撑。
（3）工况3：开挖至标高-11米，并在-9.2米处设置第三道支撑。
（4）工况4：开挖至标高-16.4米，并在-12.7米处设置第四道支撑。
计算中将每一个工况作为一个计算步时，按增量法近似模拟施工过程。
图4～7分别给出了4种工况条件下基坑土体、桩体结构的水平位移及沉降位移。计算结果表明，桩体结构水平位移和基坑周边地表沉降位移发展很不均匀，空间变形特征明显。
（a）工况1时基坑水平位移云图
（b）工况1时基坑沉降位移云图
图4 工况1时基坑位移云图
（a）工况2时基坑水平位移云图
（b）工况2时基坑沉降位移云图
图5 工况2时基坑位移云图
（a）工况3时基坑水平位移云图
（b）工况3时基坑沉降位移云图
图6 工况3时基坑位移云图
（a）工况4时基坑水平位移云图
（b）工况4时基坑沉降位移云图
图7 工况4时基坑位移云图
表3 数值模拟计算结果
工况 最大水平
变形量（cm） 存在
位置 最大沉降
变形量（cm） 存在
位置
工况1 1.985 右侧桩体 3.371 两侧桩体
工况2 2.925 右侧桩体 5.104 基坑两侧土体
工况3 3.971 右侧桩体 5.813 右侧施加荷载处
工况4 5.664 右侧桩体 10.62 基坑走向边缘土体
總体上讲，随着基坑进一步的开挖，基坑水平方向的位移都小于垂直方向的位移，如表3所示。对于基坑支护桩体结构，在开挖前期，水平方向位移较大，随着进一步开挖，水平位移增长显著;在开挖过程中最大水平位移均沿右侧桩体分布。基坑四周的垂直方向的位移，随着工况进行沉降逐渐发育，且在基坑走向边缘土体产生最大沉降。
由于基坑左右两侧受力情况不同（右侧施加大楼自重荷载），基坑开挖初期，右侧桩体水平位移明显大于左侧桩体，随着基坑开挖深度的增加，右侧桩体水平位移逐步增加，而左侧水平位移反而逐渐减小，从基坑两侧受力不均来分析，应是右侧桩体变形在外力作用下发展加快。基坑地表沉降一方面由于土体自重引起沉降，另一方面由于外荷载的存在和地下水的影响，部分地区沉降加大，尤其是外荷载存在处，沉降变形最大。随着开挖步序的进行，沉降变形逐步增大，最大值为10.62cm。
4.结论
针对某地铁站的具体工程实例，采用有限差分软件FLAC3D，对某地铁站深基坑建立三维数值模型。数值模拟的结果为：某地铁站采用钻孔灌注桩与多层钢管支撑作基坑支护体系，开挖至设计标高时，基坑变形水平位移最大值达到5.664cm，基坑周边地表沉降位移最大值为10.62cm，均基坑变形允许范围之内，所选支护体系满足基坑变形控制要求。
参考文献：
[1]俞建霖，龚晓南.基坑工程变形性状[J].土木工程学报，第35卷第4期，2002，7-8.
[2]熊巨华.软土地区围护结构变形控制设计[D].同济人学博士学位论文，1999，23-25.
[3]李云安，葛修润，张鸿昌.深基坑工程变形控制与有限元数值模拟分析[J].地质与勘探，2001，5-6.