砂性地层盖挖逆作地铁车站深基坑开挖变形特性及冗余度分析.pdf

引用格式:李鹏飞,李泽,葛辰贺,等.砂性地层盖挖逆作地铁车站深基坑开挖变形特性及冗余度分析J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):98.LI Pengfei,LI Ze,GE Chenhe,et al.Deformation characteristics and redundancy analysis of deep foundation pit excavation in metro station using covering top-down method in sandy stratumJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):98.收稿日期:2022-10-08;修回日期:2023-05-04基金项目:国家自然科学基金(51978018);北京市自然科学基金(8222005)第一作者简介:李鹏飞(1983),男,河南开封人,2011 年毕业于北京交通大学,桥梁与隧道工程专业,博士,教授,主要从事隧道工程等方面的教学和研究工作。E-mail:lpf 。通信作者:葛辰贺,E-mail:2904503472 。砂性地层盖挖逆作地铁车站深基坑开挖变形特性及冗余度分析李鹏飞1,李 泽1,葛辰贺1,郭 飞2(1.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室,北京 100124;2.北京市政建设集团有限责任公司,北京 100048)摘要:为保证施工安全,确定围护结构安全冗余度,依托北京某盖挖逆作地铁车站基坑工程,建立基于修正剑桥模型的三维精细化数值模型,在通过现场实测数据验证数值模型合理性的基础上,改变地下连续墙、楼板厚度和立柱直径,分析围护结构参数变化对基坑形变及围护结构抵御连续破坏冗余度变化影响的规律。研究结果表明:1)基坑的空间效应及坑角效应的耦合作用导致地下连续墙最大水平位移值分布规律为基坑长边地下连续墙中部水平位移最大、其他位置水平位移值相对较小,基坑短边地下连续墙水平位移最小;2)随地下连续墙和楼板厚度变小,地下连续墙深层水平位移逐渐增大,且地下连续墙最大水平位移值的变化量呈指数形式增长,地表沉降值逐渐增大,地表沉降主要发生于 2 倍基坑深度范围内,24 倍基坑深度范围内地表沉降已经不显著;3)盖挖逆作法施工中楼板相比于明挖法中内支撑刚度更大抵抗变形能力更强,但是围护结构的水平变形仍在一定程度上受到地质条件、结构材料等影响;4)墙体厚度和楼板厚度达到1.0 m 时,竖向围护结构冗余度趋于稳定,持续增大墙体和楼板厚度对于结构抵御连续破坏的能力不会持续增大。关键词:深基坑;冗余度;盖挖逆作;数值模拟;开挖卸荷DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.012中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0098-11D De ef fo or rm ma at ti io on n C Ch ha ar ra ac ct te er ri is st ti ic cs s a an nd d R Re ed du un nd da an nc cy y A An na al ly ys si is s o of f D De ee ep p F Fo ou un nd da at ti io on n P Pi it t E Ex xc ca av va at ti io on n i in n MMe et tr ro o S St ta at ti io on n U Us si in ng g C Co ov ve er ri in ng g T To op p-D Do ow wn n MMe et th ho od d i in n S Sa an nd dy y S St tr ra at tu um mLI Pengfei1,LI Ze1,GE Chenhe1,*,GUO Fei2(1.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering,Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Beijing Municipal Construction Co.,Ltd.,Beijing 100048,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To ensure the construction safety and determine the safety redundancy of the envelope structure,a three-dimensional refined numerical model based on the modified Cambridge model is established based on a metro station foundation pit engineering constructed by covering top-down method in Beijing,China.On the basis of verifying the rationality of the numerical model by the data measured in the field,the thickness of the underground diaphragm wall and the floor slab and the diameter of the column are changed.The influence of the change of the parameters of the envelope structure on the deformation of the foundation pit and the change of the redundancy against continuous damage are analyzed.The results show the following:(1)The coupling effect of the space effect and the pit angle effect of the foundation pit leads to the distribution rule of the maximum horizontal displacement value of the underground diaphragm wall:the horizontal displacement value of the middle underground diaphragm wall of the long side of the foundation pit is the largest,the horizontal displacement value of other positions is relatively small,and the horizontal displacement value of the underground diaphragm wall of the short side of the foundation pit is the smallest.(2)As the 增刊 1李鹏飞,等:砂性地层盖挖逆作地铁车站深基坑开挖变形特性及冗余度分析thickness of the underground diaphragm wall and floor becomes smaller,the horizontal displacement value of the deep layer of the underground diaphragm wall gradually increases,and the change of the maximum horizontal displacement value of the underground diaphragm wall increases exponentially;the surface subsidence value increases gradually,surface settlement mainly occurs in the range of 2 times the depth of the foundation pit,and the surface settlement in the range of 24 times the depth of the foundation pit is no longer significant.(3)The stiffness of the floor in the covering top-down method is greater than that of the inner support in the open-cut method,and the resistance to deformation is stronger,but the horizontal deformation of the envelope structure is still affected by the geological conditions and structural materials to a certain extent.(4)When the thickness of the underground diaphragm wall and the floor reaches 1.0 m,the redundancy of the vertical envelope structure tends to be stable,and the continuous increase of the thickness of the underground diaphragm wall and the floor will not increase the ability of the structure to resist continuous damage.K Ke ey yw wo or rd ds s:deep foundation pit;redundancy;covering top-down method;numerical simulation;excavation unloading0 引言随着我国经济的发展,我国城市轨道交通随之迎来了高速发展,高速铁路明挖隧道和地铁车站明挖基坑工程也随之逐渐增多。随着基坑深度越来越大、基坑面积越来越大、基坑周围环境越来越复杂1,对基坑稳定性和变形的控制也越来越困难,导致基坑工程施工过程中的事故越来越多。由于基坑施工边界的复杂性,很难用分析方法解决基坑开挖对周边环境的影响。数值模拟方法为评估和预测基坑变形及周边环境影响提供了强有力的工具。许多学者利用数值模拟方法对基坑工程施工过程分析和基坑工程的安全进行评估。苏洁等2采用数值模拟的方法,基于变位分配原理,提出盖挖逆作地铁车站施工过程的分阶段控制方法;马坤全3、苏卜坤等4通过数值模拟方法对盖挖逆作施工全过程建立三维模型,探讨了顶板上土体对主体结构振动响应的影响,提出侧压力选取和不对称结构支撑刚度的修正办法;曹力桥5通过数值模拟方法对盖挖逆作法地铁结构开挖过程中的变形性状进行分析,得到了基坑开挖各阶段的变形场;刘芳等6通过对盖挖逆作法施工的开挖过程进行三维和二维的数值模拟,研究基坑开挖对已建成地铁车站的影响以及基坑变形特性,并给出基坑开挖过程中地铁隧道、基坑围护结构、地基土的变形规律;胡然等7对武汉地铁 2 号线中南路站盖挖逆作基坑变形特性进行实测分析,并结合数值模型扩展研究地表沉降变化规律,得到了地下连续墙墙体位移曲线和建筑物沉降结果;贾振华等8通过对深圳地铁 7 号线福民站盖挖逆作法基坑周边土体的沉降变形进行数值模拟研究,并结合现场监测数据总结基坑开挖对周边土体沉降的影响规律。目前,对于结构冗余度的研究主要集中在水平支撑体系抵抗连续破坏的能力,马人乐等9重新定义结构抵抗连续倒塌的能力为结构二次防御能力,根据建筑物重要程度将二次防御能力分为 3 类;胡晓斌等10利用动力分析方法研究钢框架结构抵抗连续倒塌的能力,对荷载动力放大系数的影响因素进行了总结;畅等11、宋利文等12、江杰等13利用拆除杆件法模拟内支撑杆件失效,以此分析其对整个基坑产生的影响、根据冗余度理论判断破坏杆件的重要程度;闫建龙等14通过数值模拟的方法,在假定复合支护结构部分失效的情况下,以结构变形和受力为标准,对复合结构的冗余度进行了计算和优化设计。综上所述,虽然目前在盖挖逆作工程的结构变形和对周边环境影响和数值模拟等方面取得了一些成果,但对于大型盖挖逆作地铁基坑变形特性及盖挖逆作的竖向围护结构冗余度分析研究相对较少。本文通过对北京某盖挖逆作地铁车站深基坑开挖过程进行数值模拟,得出地下连续墙厚度、楼板厚度、立柱直径参数改变对地表沉降、地下连续墙深层水平位移变化的影响,并对竖向围护结构的冗余度进行计算。1 工程概况1.1 工程基本情况工程位于北京市通州区杨坨地区,西起北运河东岸,东至东六环外路县故城遗址区,北起京哈南侧路,南至杨坨中路、杨坨一街的区域。工程04 标段02B 基坑位于芙蓉路以东,占地约 3.5 万 m2,建筑面积约12.9 万 m2。02B 基坑长约 274 m,宽约 171 m,开挖深度为 20.229.8 m,坑中坑开挖深度约 32.1 m。02B基坑主要采用明挖法施工,其中南侧部分采用逆作法施工,长约 274 m,宽 30 m。本工程结构采用盖挖逆作法施工,采用地下连续墙作为围护结构,结构楼板为侧向支撑。盖挖逆作分 9 个阶段进行施工:第 1 阶段,顶板上方土体开挖,开挖深99隧道建设(中英文)第 43 卷度 8 m;第 2 阶段,施作顶板;第 3 阶段,回填覆土层;第 4 阶段,地下 1 层开挖,开挖深度 4 m;第 5 阶段;施作 B2 层顶板;以此类推至第 9 阶段,施作底板。1.2 工程地质概况本工程范围内基坑区域下覆土层依次为素填土、粉土填土、粉质黏土、粉细砂、细中砂。基坑开挖范围地层主要为细砂、中砂层,不涉及岩层,地下水位高,基坑穿越潜水层和承压水层,施工过程中采取降水、止水措施以进行无水作业。基坑底板以下土层主要为细中砂和粉质黏土。支护结构剖面及地层特征示意如图 1所示。1.3 监测方案本工程监测项目主要包括地表沉降、立柱柱顶竖向位移等。分别设置了 25 个地表沉降监测点(DB)和8 个立柱竖向位移监测点(L)。监测点位示意如图 2所示。基坑监测的类别包括结构自身和周围环境,监测对象包括结构立柱和地表。基坑开挖前根据工程实际情况确定监测频率,在施工过程中根据数据的变化情况调整监测频率。图 1 支护结构剖面及地层特征示意图(单位:m)Fig.1Schematic of supporting structure profile and stratigraphic characteristics(unit:m)图 2 监测点位示意图Fig.2 Schematic of monitoring points2 数值模型建立2.1 模型建立采用 ABAQUS 建立三维有限元模型,整体地层、围护结构和逆作区结构的尺寸及网格划分如图 3 所示。(a)模型整体(b)结构整体图 3 模型示意图(单位:m)Fig.3 Model diagram(unit:m)基坑逆作区为直角梯形。在长度、宽度、高度上取约 4 倍基坑开挖深度作为研究基坑开挖变形的主要影响区域,模型长度取 470 m,宽度取 120 m,高度取80 m。在竖直方向上,按实际地质勘查报告将土层划分为 7 层。边界约束条件为:左右边约束 X 方向,前后边约束 Y 方向,底边约束 Z 方向。地下连续墙、楼板、立柱、桩基础间采用绑定连接,地下连续墙、立柱、桩基础与土体嵌入。地层选用 C3D8R 积分单元、剑桥修正弹塑性本构模型,数值计算中地应力场仅取自重应力。土体模型中选取 3 条路径 a-b、c-d、e-f 分别为:斜边地下连续墙中线处坑外地表、长边地下连续墙中线处坑外地表、短边地下连续墙中线处坑外地表提取竖向位移。具体模型示意见图 3。2.2 土体及结构参数在本研究中,采用硬化的修正剑桥模型(MCC)来模拟黏性土的内在关系,其他土层采用了 Mohr-Coulumb(MC)模型。在修正剑桥模型中,是压缩曲线的斜率,k 是回弹曲线的斜率。通过原点的临界状态线在平均主应力(p)和等效偏差应力(t)平面内的001增刊 1李鹏飞,等:砂性地层盖挖逆作地铁车站深基坑开挖变形特性及冗余度分析斜率为 M。由塑性指数 Ip根据经验公式(1)确定。根据经验方程式(2)可知,M 由内摩擦角()决定。k由参数的反演得出,取值为/10。基坑中各土层的参数如表 1 所示。=0.016 5Ip-0.130 9;(1)M=6sin/(3-sin)。(2)地下连续墙、楼板、立柱、桩基础均假设为弹性体,结构物理力学参数见表 2。地下连续墙、楼板和底板采用板单元模拟,其中地下连续墙厚度 H 为 1 000 mm,楼板厚度 H 为 1 000 mm,底板厚度 H 为3 000 mm;立柱、桩基础采用梁单元模拟,其中立柱半径 R 为 500 mm,桩基础半径 R 为 1 000 mm。表 1 土层物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of soil layers土层厚度/m重度/(kN/m3)弹性模量/MPa泊松比摩擦角/()黏聚力/kPa压缩曲线斜率 回弹曲线斜率 kM素填土11.80020.000.2716.023.00.089 00.035 40.98粉土填土41.93821.540.3021.126.80.092 00.043 51.03粉质黏土21.86330.230.3112.722.30.127 70.045 11.06粉细砂21.87025.000.3025.017.0细中砂201.95550.000.3030.015.0粉质黏土51.86330.230.3112.722.30.127 70.045 11.06细中砂1.95550.000.3030.015.0表 2 结构物理力学参数Table 2 Physico-mechanical parameters of structure结构截面尺寸/mm截面示意图密度/(kg/m3)弹性模量/GPa泊松比地下连墙墙H=1 0003 500300.2楼板H=1 0003 500300.2底板H=3 0003 500300.2立柱R=5003 500300.2桩基础R=1 0003 500300.22.3 模拟方法为合理模拟基坑开挖过程对基坑、地下连续墙、楼板、立柱的影响,模拟完全按照现场施工步序,模拟工况与实际工况完全对应,模拟计算分为 15 步:第 1 步计算基坑开挖前的初始应力场,进行地应力平衡;第 2步激活立柱及桩基础和地下连续墙;第 3 步计算逆作区第 1 层开挖;第 4 步激活逆作区顶板;第 5 步顶板上方土方回填;直至第 14 步施作底板。工程实际具体开挖步骤如表 3 所示。表 3 工程施工表(2021 年)Table 3 Engineering construction period in 2021序号关键工序施工时间工况 1施作立柱及桩基础和地下连续墙07-1609-19工况 2逆作区向下开挖 8 m09-3010-19工况 3在地下 5 m 位置施作顶板10-0512-08工况 4逆作区土方回填12-1512-21工况 513 逆作区土方开挖及各层楼板结构施工工况 14施作底板101隧道建设(中英文)第 43 卷3 数值模拟与监测数据对比分析3.1 立柱竖向位移不同监测点位立柱竖向位移实测值和模拟值如图4 所示。图 4 立柱隆起实测值与模拟值Fig.4 Measured and simulated values of column uplift选取 8 根立柱 2021 年 5 月 31 日的竖向位移监测值和工况 5 完成后的立柱竖向位移的模拟值,如图 5 所示。可以看出:1)立柱竖向位移的实测值和模拟值吻合度较好,证明模型准确性。截至 5 月 31日,现场实际施工的明挖区第 1 层开挖尚未完全完成,因此立柱竖向位移的监测值略小于模拟值。2)施作立柱和顶板时,由于自身重力影响立柱产生向下的竖向位移,随着开挖深度的增加,基底回弹作用增大,立柱随土体回弹而发生隆起。在“地下 1 层开挖”施工步序中,立柱仍有继续隆起的趋势,因此立柱隆起的模拟值与实测值对应较好。3.2 地表沉降选取基坑逆作区斜边坑外地表沉降(a-b 路径),提取数值模拟地表沉降工况 3、7、10、13 结果与工况 3 实测值对比,实测值选取监测点 DB1 至 DB5 的监测数据。地表沉降模拟值与实测值对比如图 6 所示。可以看出:1)随施工进程增加,a-b 路径的沉降(z)随距基坑边缘的距离(s)的变化。在工况 3 完成后,a-b 路径的最大沉降点紧邻基坑边线,最大沉降量为 2.9 mm,沉降曲线整体为“上升形”,与实测值对应较好,证明三维模型能正确反应基坑变形规律。2)模拟值较实测值沉降量略小,这是因为在实际施工过程中,基坑周围会有车辆、设备等荷载影响以及基坑内部超挖现象,在模拟过程中未能考虑活载、土体超挖和时空效应对周边土体沉降的影响。3)随开挖进程增加,地表沉降变化趋势由“上升形”向“勺形”过渡,最大沉降点由基坑边线位置向远离基坑边线 5 m 左右处迁移,当距离基坑 60 m 后,地表沉降小于 5 mm,基坑开挖地表沉降影响不显著。图 5 立柱竖向位移模拟值Fig.5 Vertical displacement simulation value of column图 6 地表沉降模拟值与实测值对比Fig.6Comparison of simulated and detected values of surface subsidence3.3 地表隆起选取基坑逆作区顶板,提取数值模拟中工况 13(逆作区土方开挖完成)地表隆起结果与相应实际工况的实测值对比,实测值选取逆作区第 1 排地表监测点(DB6DB15)及第 2 排地表监测点(DB16DB25)的监测数据。地表隆起模拟值与实测值对比如图 7 所示。可以看出:1)顶板隆起的差异值约为15 mm,与现场实测的差异值相符,逆作区地表隆起的实测值和模拟值吻合度较好。2)逆作区中部隆起值较大,两侧隆起值相对较小,这是因为逆作区开挖时,先开挖左侧土体,再开挖右侧土体,最后开挖中间部分土体。3)土体卸荷导致立柱上部摩阻力消失,发生下沉。由于时间效应影响,逆作区左侧竖向位移值小于中部位移值。201增刊 1李鹏飞,等:砂性地层盖挖逆作地铁车站深基坑开挖变形特性及冗余度分析图 7 地表隆起模拟值与实测值对比Fig.7 Comparison between simulated and detected values of surface uplift3.4 地下连续墙水平位移选取基坑逆作区西侧地下连续墙,提取数值模拟中测点 D 的工况 10(逆作区第 2 层土体开挖)和工况13(逆作区第 3 层土体开挖)地下连续墙深层水平位移结果与相应实际工况的实测值对比,如图 8 所示。图 8 地下连续墙水平位移模拟值与监测值对比Fig.8 Comparison between simulated and detected values of horizontal displacement value of diaphragm wall由图 8 可以看出:1)地下连续墙位移随深度变化呈“弓形”,模拟结果与实测值对应较好。2)随施工进程增加,地下连续墙深层水平位移增加变化显著。工况 10 完成后,地下连续墙最大水平位移出现在-13 m 左右,工况 13 完成后,地下连续墙最大水平位移出现在-17 m 左右,分别为 0.76 倍和 0.79 倍基坑深度处。3)工况10 和工况 13 完成后,地下连续墙水平位移显著区域分别在-20 m 和-27 m 以内,说明土体开挖对地下连续墙水平位移影响始终在 1.2 倍基坑开挖深度范围内。4 数值模拟变参分析4.1 地下连续墙厚度变化4.1.1 对地下连续墙深层水平位移的影响选取 0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m 5 个厚度地下连续墙,在 A、B、C、D 4 个测点提取深层水平位移,得到结果如图 9 所示。(a)测点 A(b)测点 B(c)测点 C(d)测点 D(e)各测点地下连续墙最大水平位移图 9 地下连续墙不同厚度时深层水平位移曲线Fig.9Curves of deep horizontal displacement of underground diaphragm walls with different thicknesses由图 9 可以看出:1)4 个测点处地下连续墙侧向位移(y)随深度(L)变化呈现“弓形”的变形规律,地下连续墙深层水平位移变形最大位置出现在 0.79 倍(-17 m)的基坑深度,由于基坑的空间效应及坑角效应的耦合作用导致最大深层水平位移值的测点规律为301隧道建设(中英文)第 43 卷测点 B测点 C测点 A测点 D。2)随地下连续墙厚度逐渐减小,地下连续墙刚度随之下降,抵抗墙体外侧主动土压力的能力随之变小,故地下连续墙深层水平位移也逐渐增大。3)地下连续墙最大水平位移值的变化量呈指数形式增长,这是由于地下连续墙刚度的减小,抵御墙后主动土压力的能力减弱,导致地下连续墙最大水平位移随地下连续墙厚度变化产生非线性变化。基于对地下连续墙厚度变化对地下连续墙深层水平位移的影响分析,进一步分析地下连续墙不同厚度时的冗余度。根据该工程基坑监测要求,围护结构最大水平位移 y=0.15%H=32.25 mm。刚度冗余度Rd=DuDd-Du15-16。式中:Du为原结构体系竖向支护结构的最大位移,mm;Dd为结构局部破坏后竖向支护结构的最大位移,mm。因为本文中数值模拟不涉及结构局部破坏,所以取该工程监控量测控制指标为竖向支护结构的最大位移。根据该工程基坑监测要求,最大位移取 30 mm。因为本文中 Dd取定值,所以提出基于工程监控量测控制指标的冗余度Rd=Dd-DuDu。计算结果如图 10 所示。可以看出:1)地下连续墙厚度增大,各测点冗余度逐渐增大,这是因为地下连续墙刚度增大,抵御坑外土体压力能力增大,结构抵御连续破坏的能力增强。2)当墙体厚度达到 1.0 m 时,冗余度趋于稳定,持续增大墙体厚度对于结构抵御连续破坏的能力不会持续增大。图 10 地下连续墙各测点在不同厚度时的冗余度Fig.10 Redundancy of each measuring point of underground diaphragm wall with different thickness4.1.2 对坑外地表沉降的影响选取逆作区外侧 3 个路径 a-b、c-d、e-f 为研究对象,提取地表沉降数值,得到结果如图 11 所示。(a)a-b 路径地表沉降曲线(b)c-d 路径地表沉降曲线(c)e-f 路径地表沉降曲线(d)各路径地表沉降最大值图 11 地下连续墙不同厚度时地表沉降曲线Fig.11Subsidence curve of the ground surface with different thickness of underground diaphragm wall401增刊 1李鹏飞,等:砂性地层盖挖逆作地铁车站深基坑开挖变形特性及冗余度分析由图 11 可以看出:1)a-b 路径的沉降 z 随距基坑边缘的距离 s 变化呈现“勺形”变化,050 m 沉降量较大,50 m 外沉降量较小,沉降值在 1 cm 以内,最大沉降点位于距离基坑边线 5 m 左右的位置,最大沉降量为 4.7 cm(地下连续墙 0.6 m 厚)。2)其余 2 条路径的沉降曲线随距基坑边缘的距离变化呈现“上升形”变化规律,050 m 沉降量较大,50 m 外沉降量较小,沉降值在 1 cm 以内,最大沉降点紧邻基坑边线,c-d 路径最大沉降为 5.3 cm,e-f 路径最大沉降为5.0 cm。由于基坑的空间效应,3 条路径地表沉降最大值规律为路径 c-d 路径 e-f路径 a-b。3)随地下连续墙厚度减小,地表沉降值逐渐变大,不同厚度间的变化值约等于地下连续墙最大水平位移的变化值,这是因为主动土压力作用在地下连续墙上导致地下连续墙水平变形和土体向坑内方向移动,进而表现为地表沉降。4.2 楼板厚度变化4.2.1 对地下连续墙深层水平位移的影响选取 0.6、0.8、1.0、1.5、2.0 m 5 个厚度的楼板,在地下连续墙 A、B、C、D 4 个测点处提取深层水平位移,得到结果如图 12 所示。由图 12 可以看出:1)4 个测点处地下连续墙变形随深度变化呈现“弓形”的变形规律,地下连续墙深层水平位移变形最大位置出现在 0.79 倍(-17 m)的基坑深度处,最大深层水平位移值的测点规律为测点B测点 C测点 A测点 D。2)随楼板厚度逐渐减小,楼板刚度随之下降,抵抗地下连续墙水平变形的能力变弱,故地下连续墙的深层水平位移逐渐增大。3)地下连续墙最大水平位移值的变化量呈指数形式增长,造成这一现象的根本原因是楼板厚度直接影响楼板刚度,在盖挖逆作施工中,由楼板代替内支撑抵抗地下连续墙水平变形,当楼板厚度小于 1 m 时,楼板刚度较小,对地下连续墙水平变形的约束作用较小;当楼板厚度大于 1 m 时,虽然楼板刚度相应变大,但是不能完全限制主动土压力带来的地下连续墙水平变形,所以导致地下连续墙最大水平位移随地下连续墙厚度变化产生非线性变化。基于对楼板厚度变化对地下连续墙深层水平位移的影响分析,进一步分析楼板不同厚度时地下连续墙的冗余度。冗余度计算公式和地下连续墙最大水平位移取值同 4.1.1 节,计算结果如图 13 所示。由图 13 可以看出:1)随楼板厚度增大,地下连续墙各测点冗余度逐渐增大且趋于稳定,与 4.1.1 节类似;2)当楼板厚度达到 1.0 m 时,冗余度趋于稳定,过分增大楼板厚度对于结构抵御连续破坏的能力不会持续增大。(a)测点 A(b)测点 B(c)测点 C(d)测点 D(e)各测点地下连续墙最大水平位移图 12 楼板不同厚度时地下连续墙深层水平位移曲线Fig.12Curves of deep horizontal displacement of underground diaphragm wall with different thickness of floor slab4.2.2 对坑外地表沉降的影响选取 a-b、c-d、e-f 3 条路经提取地表沉降数值,得到结果如图 14 所示。501隧道建设(中英文)第 43 卷图 13 地下连续墙各测点在不同楼板厚度时的冗余度Fig.13 Redundancy of each measuring point of underground diaphragm wall with different floor thickness由图 14 可以看出:1)a-b 路径的沉降曲线随距基坑边缘的距离变化呈现“勺形”变化规律,050 m沉降量较大,50 m 外沉降量较小,沉降值在 1 cm 以内,最大沉降点位于距离基坑边线 5 m 左右的位置,最大沉降量为 4.3 cm(楼板 0.6 m 厚)。2)其余 2 条路径的沉降曲线随距基坑边缘的距离变化呈现“上升形”变化规律,050 m 沉降量较大,50 m 外沉降量较小,沉降值在 1 cm 以内,最大沉降点紧邻基坑边线c-d 路径最大沉降为 5.1 cm,e-f 路径最大沉降为4.6 cm。3)3 条路径地表沉降最大值规律为路径c-d路径 e-f路径 a-b。4)随楼板厚度减小,地表沉降值逐渐变大,这是因为作为水平支撑的楼板厚度减小导致其刚度减小,对地下连续墙水平变形的限制作用变小。4.3 立柱直径变化选取 0.8、1.0、1.2、1.6、2.0 m 5 个直径立柱,提取立柱竖向位移值,得到结果如图 15 所示。可以看出:1)立柱竖向位移整体趋势为越靠近基底中心区域立柱竖向位移越大,越靠近基坑边缘区域立柱竖向位移越小。即从第 1 排到第 4 排立柱,其竖向位移值逐渐变小;在同一排中,两边立柱的竖向位移值也小于中间立柱的竖向位移值,这均是由于基坑空间效应影响,与坑底土体隆起的规律是一致的。2)盖挖逆作区上部结构对基坑中部隆起的限制作用次于基坑两端。同时,随立柱直径变大,立柱竖向位移整体逐渐减小,靠近基底中心区域立柱的隆起减小,靠近基底边缘区域的立柱发生沉降。这是因为立柱直径越大,自身重力越大,抵抗土体回弹带来竖向位移的能力越强。(a)a-b 路径地表沉降曲线(b)c-d 路径地表沉降曲线(c)e-f 路径地表沉降曲线(d)各路径地表沉降最大值图 14 楼板不同厚度时地表沉降曲线Fig.14 Subsidence curves of ground surface with different thicknesses of floor slab601增刊 1李鹏飞,等:砂性地层盖挖逆作地铁车站深基坑开挖变形特性及冗余度分析(a)第 1 排立柱竖向位移散点图(b)第 2 排立柱竖向位移散点图(c)第 3 排立柱竖向位移散点图(d)第 4 排立柱竖向位移散点图图 15 立柱竖向位移散点图Fig.15 Scatter plot of vertical displacement of column5 结论与讨论本文 依 托 北 京 某 盖 挖 逆 作 基 坑 工 程,利 用ABAQUS 有限元模型对基坑中地下连续墙、楼板、立柱进行变参分析。提出一种基于工程监控量测控制指标的冗余度计算方法,并得到地下连续墙水平位移的冗余度。主要得出以下结论:1)由于基坑空间效应以及坑角效应导致地下连续墙最大水平位移值分布规律为测点 B测点 C测点A测点 D。随地下连续墙和楼板厚度变小,地下连续墙深层水平位移逐渐增大,且地下连续墙最大水平位移值的变化量呈指数形式增长。2)盖挖逆作法施工中楼板相比于明挖法中内支撑刚度更大抵抗变形能力更强,但是围护结构的水平变形仍在一定程度上受到地质条件、结构材料等影响。3)随地下连续墙和楼板厚度变小,地表沉降值逐渐增大。地表沉降主要发生于 2 倍基坑深度范围,24 倍基坑深度地表沉降已经不显著。4)墙体厚度和楼板厚度达到 1.0 m 时,竖向围护结构水平位移值和冗余度趋于稳定,持续增大墙体和楼板厚度对于结构抵御连续破坏的能力不会持续增大。本文研究基于砂性地层,主要分析结果和结论不具有普适性。后续,建议从砂性地层和黏性地层角度,对比分析盖挖逆作法施工的基坑工程中围护结构参数变化对地表沉降、结构竖向位移及对结构冗余度的影响规律继续深入研究。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 郑刚,程雪松,张雁.基坑环梁支撑结构的连续破坏模拟及冗余度研究J.岩土工程学报,2014,36(1):105.ZHENG Gang,CHENG Xuesong,ZHANG Yan.Simulation of progressive collapse and redundancy of ring-beam supporting structures of excavations J.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2014,36(1):105.2 苏洁,张顶立,高自友,等.盖挖逆