临河深大复杂基坑变形分析

刘　诚，　应国柱，　朱大勇，　陈志斌，　罗　飞

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009；2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室， 安徽 合肥　230009；3.上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海　200032)



临河深大复杂基坑变形分析

刘诚1,2，应国柱3，朱大勇1,2，陈志斌1，罗飞1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009；2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室， 安徽 合肥230009；3.上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海200032)

摘要：文章以合肥地铁1、2号线交叉换乘车站大东门车站复杂深大基坑工程为研究背景，通过MIDAS-GTS有限元分析软件，分别建立车站整体三维模型、1号线单独模型和1号线车站截断模型，对其盖挖逆作施工过程进行数值模拟,重点研究在不同河水水位情况下，基坑围护结构变形和地表沉降的变化规律，并和现场的监测数据进行分析对比。结果表明，所建模型可以较好地模拟不同施工条件下的基坑变形，研究所得相关结果可供设计和施工提供参考依据。

关键词：基坑；MIDAS-GTS有限元分析软件；水位；地下连续墙；变形

0引言

城市地铁建设过程中涉及到众多的地铁车站深大复杂基坑，其开挖深度和施工环境复杂程度均呈不断加大趋势,需要针对性地分析计算[1-8]。

盖挖逆作法作为一种新型的施工方法，将主体结构的楼板、梁、柱等作为基坑开挖时的支护体系，有利于节省开支和减小对周边环境的影响，但其施工过程复杂，必须加强其施工过程中围护结构的变形监测[9-13]。

本文以合肥地铁1、2号线换乘车站临河盖挖逆作深大基坑工程为背景，以现场监测数据为基础，通过MIDAS-GTS有限元数值模拟，分析基坑围护结构变形和基坑周边地表沉降的变化规律[14-15]。

1工程概况及地质条件

(1) 工程概况。本工程为合肥市轨道交通1号线与2号线的换乘站，即大东门车站深大基坑，位于胜利路和长江东路交叉路口西侧，如图1所示。其中，1号线车站位于胜利路(现状为双向6车道)下方，近似南北向敷设；2号线车站位于长江东路下方(现状为双向4车道)，近似东西向敷设，两站斜交，呈T型换乘。1号线车站在下，2号线车站在上，两站同期实施。1号线车站上方需同期建设市政下穿路，该下穿路待车站主体结构施工完后再进行施工。南淝河从车站西侧和南侧绕过，1号线车站主体基坑围护离河较近，距河堤约为24 m，2号线基坑盾构井段围护结构距河堤仅为4.9 m。1号线车站为地下4层站，标准段基坑深度约为31.7 m，宽约为23.3 m；2号线部分为地下3层站，标准段基坑深度约为24.4 m，宽约为23.3 m；车站覆土大部分约为4 m，最小覆土约为1 m，最大覆土约为5.3m。车站主体基坑采用盖挖逆作法施工，围护结构采用地下连续墙结构。采用止水帷幕和坑内疏干井结合的地下水控制方案，1号线和2号线车站主体共布置疏干井33眼，井深为29 m，井间距为20 m。

图1　车站周边环境图

(2) 地质条件。本场地属于南淝河河床与河漫滩地层，即工程地质Ⅱ单元，线路地形基本平坦，自然地面标高在14～16 m之间。1号线车站标准段结构底板埋深约为31.7 m(底板所在土层为中风化泥质砂岩⑥2层)，2号线车站结构标准段底板埋深约为24.4 m(底板所在土层为强风化泥质砂岩⑥1层)，基坑侧壁土层自上而下主要为杂填土①1层、粉质黏土②1层、粉土②2层、粉细砂②3层、强风化泥质砂岩⑥1层、中风化泥质砂岩⑥2层。

地下水类型分别为上层滞水(一)和承压水(三)。上层滞水(一)水头埋深为1.35～5.50 m，水头标高为10.17～13.98 m，含水层为粉质黏土填土①层、杂填土①1层。承压水(三)水头埋深为1.20～4.90 m，水头标高为10.77～14.17 m，水头高度为6.10～14.55 m，含水层主要为粉土②2层、粉细砂②3层。土层参数见表1所列。

表1　基坑土层主要物理力学指标参数表

2基坑开挖模拟

2.1三维数值计算模型建立

本文只介绍工况1的建模过程，工况1为1、2号线车站的三维交叉数值计算模型。1号线主体结构长度为140 m(南北走向)，宽度为23.3 m，2号线主体结构全长约为160 m，但是因为研究重点为1号线围护结构，故只截取约80 m长，宽为23.3 m。土体计算范围尺寸取540 m×323.3 m×95.7 m的长方形计算区域。

(1) 基坑开挖深度。1号线地下4层，共开挖5次，第1层开挖需回填，平均开挖深度为31.5 m；2号线为地下3层，共开挖4次，第1层开挖需回填，平均开挖深度约为24 m。

(2) 基坑主体围护结构地下连续墙厚度。1号线部分为1.2 m，2号线及1、3号风道部分为1 m。以地下楼板作为基坑的内支撑，并将钢管立柱打入岩石层用以支撑楼板。土体的本构模型选用莫尔-库伦弹塑性模型，地下连续墙、楼板内支撑均采用二维板单元结构模型，钢管立柱采用一维梁单元模型。

在模型的竖向边界处限定水平方向的位移，在模型的底面边界处限定水平和竖直方向的位移。同时,由于南淝河的影响，考虑水头边界条件，模型左侧边界靠近南淝河附近的初始水头主要由南淝河的河流水位控制，而模型右侧边界的初始水头边界主要由勘察得到的地下水位控制。降水方案在每次基坑开挖前，将地下水位降至坑底0.5～1 m。其中1号线的模型有5次降水，而2号线只到第4次降水。

2.2模型施工阶段

开始通过初始渗流和初始位移得到初始孔隙水压和初始应力场，然后打入围护结构，再进行降水、开挖和回填。本模型分成五步开挖模拟各个主要阶段计算分析，在MIDA S/GTS有限元分析软件里，对各个工况采取激活和钝化的方式来实现。

3计算结果及分析

3.1地表沉降模拟值与现场监测数据对比

该基坑最大开挖深度为31 m，地面沉降监测点布置在离基坑距离为0～70 m范围内，以1号线车站横向中线位置的一系列沉降测点沉降值为分析对象。图2所示为数值模拟结果和现场监测值的对比情况。可以看出，地表沉降模拟值和实际监测值虽然在数值上存在一定的差异，但整体变化趋势一致，证明所建的1、2号线车站三维交叉模型的可行性。

图2　地表沉降模拟值与监测值对比图

在基坑边缘15～20 m，地表沉降值最大，且最大值在安全范围内。当距基坑壁距离大于60 m后，地表沉降值逐渐趋于稳定，并且在每步开挖下，实测最大沉降值比数值模拟值大。

3.2交叉模型和单独模型对比

考虑如下2种工况，即工况1：基于1、2号线车站交叉整体模型；工况2：基于1号线车站单独模型。

图3、图4所示在工况1和工况2时，不同开挖阶段，地下连续墙中间位置沿竖向方向上，围护结构的横向变形值变化规律。可以看出，由于基坑上部土体压力较小，位移较小，随着开挖深度增加，主动土压力也随之增大，且基坑下部土体受湿陷性影响，强度迅速减小，位移急剧增大。又由于桩入土部分对底部位移的约束作用，导致水平位移曲线从上至下呈中间大两头小的弓型，最大值均约在2/3～3/4H深度处，而顺作法地下连续墙最大水平位移处大致位于基底开挖面处；无论是在靠河侧、背河侧，连续墙侧向位移均随着开挖深度的增大而迅速增大，尤其是在距离地面深度为12 m以下，其增大趋势更为明显，这为两侧连续墙随着开挖进行而所具有的共性。

图3　工况1下1号线连续墙横向变形图

图4　工况2下1号线连续墙横向变形图

由图3可知，靠河侧连续墙每开挖一步的侧向位移均大于背河一侧的位移，其中开挖1最大位移靠河侧约为3 mm，背河侧约为1 mm；开挖2最大位移靠河侧约为9 mm，背河侧约为6 mm；开挖3最大位移靠河侧约为12 mm，背河侧约为8 mm；开挖4最大位移靠河侧约为16 mm，背河侧约为12 mm；开挖5最大位移靠河侧约为19 mm，背河侧约为15 mm。

对比分析2种工况下连续墙的变形情况，工况1最大位移位置位于2/3～3/4H处，而工况2最大位移位置位于1/2～2/3H处，说明1、2号线基坑交叉开挖使1号线连续墙的位移最大值整体下移。

3.3不同河水水位条件下模型计算分析

工况3(南淝河河流水位为常水位91.2 m)中基坑周围的孔隙水压力分布云图如图5所示，可以看出，随着基坑降水开挖进行，基坑周边形成一个非稳定复杂的渗流场，孔隙水压力分布不均匀。在5次降水过程中，虽然南淝河河流水位基本保持不变，坑外地表水位不断下降，且土体中的孔隙水压力也在降低，孔隙水压力线呈连续漏斗状，靠近墙体处孔隙水压力变化最大。离墙体越远，降水开挖对孔隙水压变化影响越小，降水自由面之上和降水影响范围内形成负超静孔隙水压力，随着降水持续，负超静孔隙水压不断增大。同时，对比2种情况下围护结构的变形情况，可知在南淝河水位为洪水位的情况下，其连续墙侧向最大位移值比水位为常水位时明显增大，说明河流流动水位对连续墙侧向位移的影响较明显，应予以慎重考虑。图6所示为不同水位下，基坑临河侧围护结构变形值。

图5　工况3孔隙水压分布

图6　不同水位下，围护结构变形值对比

此外，河水渗流对地表沉降也有一定的影响。靠河侧地面最大沉降值明显大于背河侧的沉降值，这是由于河流渗透作用引起的土层沉降。同时比较工况3与工况4基坑周边地表沉降最大值，可知南淝河水位为特大洪水位的情况下，其地表沉降值比常水位时大，说明河流流动水位对地面沉降也有较大的影响。

4结论

(1) 基坑外地表的沉降变形曲线大致呈凹形槽分布，计算模拟结果和现场监测结果有较好的吻合度，证明所建模型的合理性。

(2) 逆作法施工时，地下连续墙的水平位移曲线从上至下呈中间大两头小的弓型，与顺作法发生在基底开挖面附近有显著不同；1、2号线基坑交叉开挖使1号线连续墙的位移最大值整体下移。

(3) 由于基坑临近河水，基坑两侧受到非对称荷载作用，相比背河侧，靠河侧的基坑围护结构变形值较大。

(4) 南淝河河流水位的变化与地下水连通引起的渗流应力耦合对基坑的变形影响较大，水位升高时，地下连续墙的水平位移和基坑周边地表沉降均变大。

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收稿日期：2016-02-19；修改日期：2016-02-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51179043；41402256)

作者简介：刘诚(1990- )，男，安徽合肥人，合肥工业大学硕士生；朱大勇(1965-)，男，安徽枞阳人，博士，合肥工业大学教授．

中图分类号：TU470

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)01-0001-04