深基坑施工过程仿真及地表沉降量验证
2015-05-24 23:18
深基坑施工过程仿真及地表沉降量验证
摘 要：为掌握深基坑施工引起地表沉降规律，确保深基坑工程质量和安全稳定性，以大连地铁某车站为研究背景，基于 FLAC3D仿真技术构建车站深基坑土岩体摩尔-库仑弹塑性模型，对其土岩体变形和支护结构受力状况进行模拟分析，并结合现场实测数据进行对比检验，利用 MATLAB 绘制地表沉降对比分析曲线，从而找出地铁车站深基坑开挖过程中地表沉降量变化趋势.研究结果表明：由于基坑周围土体及地下岩层应力的影响，随着深基坑开挖工程推进到中期，地表沉降梯度增大.该研究成果可为合理预测地铁车站深基坑开挖过程中的地表沉降风险值，有效预防基坑施工事故提供技术支持.
关键词：深基坑施工；模型构建；过程仿真；地表沉降；监测方案；验证分析；FLAC3D；沉降趋势
0 引 言
深基坑开挖风险大、有诸多因素影响开挖区内外土岩体的工程行为，存在着土岩体力学参数的不确定性与随机性[1-5].不同的岩层地质条件和不同的基坑围护结构形式，会对施工过程中地表沉降产生不同程度的影响[6-9].本文以大连地铁某车站深基坑工程为背景，针对该工程复杂的地质条件，采用FLAC3D对基坑开挖引起的地表沉降效应进行仿真研究，并与现场实测数据对比分析，绘制深基坑开挖过程中地表沉降曲线图，掌握地表沉降随开挖时间的变化规律，指导后续开挖工作.
1 工程概况
1.1 工程规模
该地铁车站位于大连市西部大通道魏台桥西侧，沿红旗中路东西向设置，站台宽 10 m，为地下两层岛式明挖站.车站总长 180.4 m；覆土厚度 3.8～4.8 m；标准段宽 18.5 m.沿车站方向的路宽 21 m，规划路宽 40 m，沿线车流量较大.
1.2 地质条件
本工程所处地层自上而下分别为第四系人工堆积层、第四系冲洪积卵石层，下伏青白口系细河群桥头组石英岩板岩互层，并有中生代燕山期辉绿岩侵入.地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水，地下水位埋深 3.0~5.2 m.孔隙水主要赋存在素填土层及卵石层中，水量丰富；基岩裂隙水赋存于风化岩中，水量随丰水期而增大，风化岩受水浸泡会使岩石抗剪强度降低，变形加大，易造成基坑变形、失稳、坍塌.各土层物理力学参数见图 1.
1.3 监测方案
该深基坑采用 1 m 厚地下连续墙作为围护结构.挡土墙高 18 m，从底部 7 m 起，竖向每隔 1.4 m设置一层土钉，连续布置 5 层，每层 5 根，水平间距 1 m，其上每隔 2.6 m 设置一层锚杆，连续布置3 层，每层 5 根，水平间距 1 m.土钉长 5 m，向下1：4 倾斜；锚杆长 10 m，向下 1：4 倾斜，锚杆预应力值为 60 kPa.基坑共设土锚支护结构 8 组，内设横梁支撑和斜支撑.深基坑地表沉降监测点布置见图2.为了与数值模拟结果进行对比分析，本文选取不同方向的两个断面测点（DB-06、DB-02）进行研究.
2 模型构建
2.1 模型及参数
岩土体采用摩尔-库仑弹塑性模型，地下连续挡土墙支护为土钉和锚固，采用锚索（cable）单元进行模拟，支撑采用梁（beam）单元进行模拟.模型尺寸为高 23 m、宽 43 m、长 204 m，详见图 3 和图 4.
2.2 模拟方案
根据实际施工和支护方案，分以下几步进行模拟：首先，建立初始地应力场，并消除各向位移和加速度矢量；然后，通过改变地下连续墙材料参数来模拟连续墙施工；最后，进行基坑开挖支护模拟，每次开挖深度为 1 m.
3 对比分析
根据地铁车站深基坑开挖过程模拟，得到两组监测点处沉降量随基坑开挖的变化规律，见图 5 和图 6，现场监测结果分别见图 7 和图 8.
从图 5 和图 6 可看出，监测点 DB06 和 DB02处的地表沉降量值分为三个阶段：
开挖初期阶段（0~5 m） 此阶段周围土体基本没有沉降，甚至有少量隆起，曲线接近水平，表明支护结构能承受周围土体压力.
开挖中期阶段（5~18 m） 这个阶段土体加速沉降，曲线接近抛物线，说明岩土体压力作用致使地下连续墙形变，支撑和围护结构进入弹性形变阶段，甚至出现塑性形变.这期间的地下岩土体弹性模量较小，受上层岩土重压后产生较大形变.围护结构因支护约束，其结构受到较大作用力，导致结构损伤过大，故随着开挖推进，其危险性逐渐增大，应加强支护.
开挖后期阶段（18 m 以后） 开挖工作完成后，地表沉降量虽有小幅波动，但基本呈水平渐变趋势.下部岩层抗压能力强，可承受上部岩土压力.此时，围护结构受到的侧向压力变化较小，属安全稳定阶段，此后地表沉降进入长期渐进沉降阶段.
由图 7 和图 8 可以看出，监测点 DB06 和 DB02处的实际地表沉降量值分布曲线可分为水平波动期，即第 1 次到第 15 次量测时间间隔；直线沉降期，即第 16 次到第 30 次量测时间间隔；震荡沉降期，即第 31 次到第 45 次量测时间间隔；开挖结束后的水平波动期，即第 46 次量测以后时间段.
对比分析可知，图 5、图 6 与图 7、图 8 中一一对应.第一阶段模拟沉降量对应实际沉降量的水平波动期；第二阶段模拟沉降量对应实际沉降量的直线下降期和震荡下降期；第三阶段模拟沉降量对应实际沉降量的水平波动期.考虑测量误差影响，通过两组图对比分析，模拟沉降量的变化趋势与实际沉降值变化趋势相同.
模拟仿真与实际量测对比分析表明：土钉、锚固与地下连续墙相结合构成的地铁车站深基坑的围护结构，有效地维持了土体的平衡，约束了土体变形，控制了地面沉降.
4 结 论
本文以大连地铁某车站深基坑施工为背景，采用FLAC3D仿真技术对复杂环境下深基坑施工过程引起地表沉降进行仿真分析，并结合实际量测数据对地表沉降规律进行对比分析.获得结论如下：
（1）采用FLAC3D仿真技术对复杂地质条件下深基坑开挖及支护过程进行研究，获得的仿真地表沉降量及其变化规律与实际量测结果较吻合，证明了数值模拟与现场实测相结合手段的可行性和有效性.
（2）该车站基坑开挖过程中，主要地面沉降时期集中在深基坑开挖中期，这与地下岩土分布情况和岩土种类性质有关；同时，由于地下连续墙表面摩擦力和土钉锚固与岩土的机械咬合力作用，靠近连续墙处地面沉降较小.
（3）该地铁车站深基坑工程，采用土钉、锚固与地下连续墙相结合的围护结构，有效地控制了地表沉降量处于警戒值范围内，可为类似工程设计和施工提供技术参考.
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