随着中国轨道交通的兴建和发展,地铁车站基坑的开挖深度越来越深,其地质条件和周边环境也越来越复杂。由于地铁轨道穿过的地段城市交通流量较大,且地下市政工程比较密集,这就要求深基坑支护既要保证坑内的正常安全作业,又要预防坑底变形过大及周围土体产生过量位移,在保证自身稳定的同时又要兼顾基坑相邻建筑物、构筑物及地下管网的安全。这对地铁车站深基坑工程的基坑围护设计和施工提出了更高的要求。因此,深基坑开挖与支护问题已经成为岩土工程界的热点问题之一^[1]。

目前,基坑工程逐渐向深度更深与规模更大的方向发展,对不同的工程特点要选用合理的支护形式,否则容易引起土体严重滑移,基坑严重失稳变形等工程事故,这就对深基坑支护体系的设计理论和施工技术提出了更高的要求^[2]。丁勇春等^[3]认为基坑与土体的变形相互关联,具有明显的空间特性; 刘继国等^[4]通过模拟基坑开挖发现,坑底墙后土体水平位移最大,墙后土体最大沉降位于墙后15 m左右处。为了对可能发生的危险作出预测,需研究支护结构的内力与变形,笔者对某地铁车站深基坑支护进行模拟并作对比分析,讨论了在地下连续墙和地下连续墙加内支撑2种方案下,地下连续墙侧向位移的变化规律,可作为类似基坑工程的设计和施工之参考。

FLAC3D(fast lagrangian analysis of continua 3D)是20世纪90年代美国ITASCA公司研发出的连续介质力学分析软件^[5],能够运用岩石力学理论模拟材料在达到强度极限或塑性流动时的三维力学性质,适用于模拟施工过程和结构失稳问题,具有在大变形问题求解过程中可采用小变形的本构关系等优点^[6]。FLAC3D包含非线性弹性、Mohr-Coulomb和剑桥模型等10种弹塑性本构模型及5种计算模式,可以模拟岩土工程中桩基、衬砌和土工织物等多种结构,采用显式差分和混合离散法使得求解更准确,是目前重要的数值方法之一,可以模拟复杂的岩土工程或力学问题^[7-8]。

在基坑开挖过程中,土体内部屈服会形成一定范围的塑性区并产生塑性变形,对此,笔者选用Mohr-Coulomb模型来模拟土的本构关系^[9]。Mohr-Coulomb模型以Mohr-Coulomb强度包线作为屈服线,屈服面函数为:

F=R_mcq-ptanφ-c,(1)

式(1)中:φ为材料的内摩擦角; c为材料的黏聚力; p为平均正应力; q为广义剪应力。R_mc的表达式如下。

{R_mc=1/(3^1/2cosφ)sin(Θ+(π)/3)+1/3cos(Θ+(π)/3)tanφ,

cos(3Θ)=(J³)/(q³),(2)

式(2)中:Θ为极偏角; J为第三偏应力不变量。Mohr-Coulomb模型中的屈服面如图1所示。

图1 Mohr-Coulomb模型屈服面
Fig.1 Yield surface of Mohr-Coulomb model

FLAC3D中的接触面单元可以用来模拟岩土体中的节理、断层,地基与土体之间的接触,相互碰撞物体之间的接触面,以及空间中的障碍边界条件等^[10]。在基坑支护与开挖分析中,支护结构与土体之间的接触行为用接触单元模拟。其基本方法是:当接触面上的切向力小于最大切向力|F_s|<F_smax时,接触面处于弹性阶段; 当|F_s|=F_smax时,接触面进入塑性阶段^[11]。其中F_smax表达式为:

F_smax=c_ifA+tanφ_if(F_n-uA),(3)

式(3)中:c_if为接触面的黏聚力; A为接触面的面积; φ_if为接触面的摩擦角; u为孔隙水压力。

某地铁车站基坑长180 m,标准断面宽度为18 m,为地下2层式结构,顶板覆土厚度大于3 m,开挖深度12 m。该工程主体建筑面积25 194.9 m²,车站为地下2层箱型结构。基坑场地狭小,两旁为密集的中高层建筑物,且紧邻城市道路,车站所处站址位置周边环境复杂,交通流量大。

根据岩土工程勘察报告,该地区基岩为泥盆系下统与白垩系下统的碎屑岩,分布于该地区中部、南部的低山和丘陵地带,拟建地区未发现岩溶、危岩和液化土层等不良地质条件。人工填土层结构松散,强度较低,粉质黏土层可塑状态具有弱膨胀性。

该地区浅层地下水属于第四系孔隙潜水,主要赋存于砂砾层中,补给来源主要为地表径流和大气降水,是该区富水层位,潜水位埋深2.9～3.6 m,具微承压性; 上覆多层粉质黏土,层厚2.0～7.0 m。该地区砂砾和圆砾层为强透水层,其余各层为弱透水层,土层力学性质参数见表1。

表1 土层力学性质参数
Table 1 Mechanical parameters of soil layer

悬臂式排桩墙支护结构适用于基坑开挖深度较浅、土质较好,而且可允许产生较大变形的基坑,软黏土地基的基坑深度一般小于6 m; 内支撑式支护结构,围护体系可采用排桩或地下连续墙,此方法应用最为广泛,对各种土层均适用,若采用排桩墙围护体系,基坑深度一般大于6 m,并辅以水泥土止水帷幕; 地下连续墙加内支撑式支护结构适用于建筑物密集地区,侧压承受能力强,开挖后变形小,对周边建筑物影响较小; 加筋水泥土墙加内支撑式支护结构根据水泥土施工方法分为SMW(soil mixing wall,新型水泥土搅拌桩墙)工法和TRD(trench-cutting and re-mixing deep wall method,混合搅拌壁式地下连续墙)工法,前者构造简单,工期短,对周围环境影响小,适用于黏性土和砂性土,后者则适用于各种土层,且形成的连续墙厚度一致,均匀性好,造价更低,对周边构筑物或管线影响较小,施工深度可达60 m; 排桩墙加拉锚式支护结构适用于可提供较大的锚固力地基中的基坑,保证围护结构有较大的刚度,基坑面积大,优越性显著,通常采用注浆法增加锚杆锚固力^[12]。该工程开挖深度为12 m,车站所处位置周边环境复杂,交通流量大,土层以黏土为主,综合考虑,该深基坑工程采用地下连续墙加内支撑式支护结构的支护方案。

围护结构为1 000 mm厚地下连续墙加内支撑(两道内支撑加一道换撑)的支护体系。地下连续墙嵌固深度为20 m,混凝土强度为C35,第一道和第二道支撑均采用直径D为600 mm,壁厚t为16 mm,水平间距为3 m的钢管支撑。冠梁同时作为支撑的围檩,钢围檩为双拼工字型钢。

图2 计算模型
Fig.2 Numerical model

由于该基坑整体形状是规则布置,根据对称性原理,取实际基坑工程尺寸的一半进行研究,此外,基坑长180 m,参考平面应变模型分析,长度方向处于相同的受力状态,若选取实际模型会产生重复计算并降低计算效率,故截取一部分进行研究。基坑开挖的影响范围约为开挖深度的2～3倍,根据初步计算结果和经验,最终确定的模型尺寸为90 m×150 m×40 m。在建模过程中,地下连续墙和周边土体采用实体单元模拟,钢支撑采用梁单元模拟,计算模型如图2所示。

在基坑开挖后,为了研究地下连续墙的位移,简化地下连续墙的模型,取图2中的A、B、C、D点所对应的水平位移进行研究。第一步开挖即开挖6.7 m后,施加第一道支撑,得到竖直方向的位移云图(图3),当基坑开挖时,坑底会出现部分回弹,这是由于开挖卸载导致原来的应力平衡被打破,从而引起应力重分布。开挖完成后基坑坑底回弹曲线如图4所示,随着基坑开挖深度的增加,基坑底部土体因卸荷回弹,回弹量随着距地下连续墙的距离呈非线性增长,具有一定的空间效应^[13],各步开挖后,基坑中心处的最大变形量分别为54.1、77 mm。基坑底部隆起会引起土体应力重分布,在基坑设计时应进行抗隆起验算,并在施工过程中采取一定的加固措施,以避免基坑和地下结构被破坏。

图3 第一步开挖后位移云图
Fig.3 Contour of displacement after first-step excavation

图4 基坑坑底回弹曲线
Fig.4 Curves of pit bottom upheaval

在初始应力平衡时,所需的计算步为4 215步。进行开挖前,定义土体初始位移、速度和塑性区为零,所以计算从第4 220步开始运算。建立模型时,定义最大不平衡力比率小于10^-5时计算终止。

仅有地下连续墙而不设内支撑时,地下连续墙墙顶水平位移如图5所示; 当采用地下连续墙加内支撑支护形式时,地下连续墙墙顶水平位移如图6所示。

由图5可以看出,随着基坑开挖深度加深,地下连续墙墙顶位移逐渐增大。当第一步开挖完成即开挖6.7 m后,地下连续墙墙顶最大位移为14.1 mm,基坑开挖时,地下连续墙会发生向基坑内侧偏移。通过对比图5(a)、(b)发现,地下连续墙沿长度方向的中部受力最大,发生的侧向位移最大,B点偏移量比A点多35.6%。第二步开挖完成后,得到类似结论,即地下连续墙墙顶位移最大为24.3 mm,位于地下连续墙中部,A点最大侧向位移为17.7 mm,较地下连续墙中部少37.3%。由图5(a)可知,在第一步开挖过程和第二步开挖过程中,地下连续墙A处的位移增长率相同,在B、C、D处也能得到相同的结论。

图5 地下连续墙墙顶水平位移(无支撑)
Fig.5 Horizontal displacement at the top of underground diaphragm walls(without brace)

图6 地下连续墙墙顶水平位移(有支撑)
Fig.6 Horizontal displacement at the top of underground diaphragm walls(with brace)

当支护结构为地下连续墙加内支撑时,计算能达到同样的精度,但计算步明显减少,第一步开挖仅需计算到6 445步,第二步开挖仅需计算到8 530步,这说明内支撑使地下连续墙支护结构的整体位移变化很小。由图6可知,第一步开挖时墙顶位移最大为7.3 mm,第二步开挖时墙顶位移最大为10.2 mm,位于地下连续墙中部,这一结果与图5无支撑方案时相同。

此外,比较图5与图6可知,当只有地下连续墙作支护结构时,位移增加速率较大; 而采用地下连续墙加内支撑时,位移增加速率相对较小,墙顶最大侧向位移减少58%。

深基坑支护工程是一个系统工程,在进行支护方案选择时需综合考虑多方面的因素,在保证安全的前提下,选择更加经济、合理的方案。基坑事故的发生由许多因素引起,但多是由于选择了不合理的支护方案。本研究探索了仅有地下连续墙和地下连续墙加内支撑2种支护方案时地下连续墙墙顶位移的变化规律,得到如下结论:

1)基坑开挖后,由于卸荷作用基坑坑底会出现土体隆起现象,隆起位移随着开挖深度和距地下连续墙距离的增加而增大,基坑中心处最大隆起位移达77 mm,建议对坑底进行加固以减小隆量。

2)本研究中2种支护方案结果均显示最大水平位移位于地下连续墙长度方向的中部。

3)选用地下连续墙加内支撑方案,地下连续墙墙顶位移变化幅度和变化率较小,墙顶最大侧向位移减少58%,内支撑对墙体变形影响明显。

采用何种支护形式关系到基坑的稳定与安全,所以还有必要深入研究地下连续墙加锚杆或土钉墙加锚杆等支护结构的位移应力变化情况。此外,支撑刚度是影响基坑变形的关键因素之一^[14],要以杭州地铁湘湖车站坍塌事故为鉴^[15-16]。目前,基坑第一道支撑均采用钢筋混凝土支撑,不同支护形式、围护结构嵌固深度对基坑受力变形的影响有待进一步研究。