地鐵車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析

曹海靜，陳禮偉，袁順德，吳劍，詹顯軍，裴濤濤，師亞龍

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

地鐵車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析

曹海靜1，2，陳禮偉2，袁順德2，吳劍2，詹顯軍2，裴濤濤2，師亞龍2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081;2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

以成都地鐵龍泉車站深基坑工程為背景，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圍護樁體位移隨基坑開挖深度的變形規(guī)律及鋼支撐預(yù)加力對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響。采用FLAC有限差分法模擬計算分析鋼支撐架設(shè)時間、水平間距及預(yù)加力對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響。研究結(jié)果表明，第一層鋼支撐的及時施作對控制樁體位移很重要，第二層鋼支撐預(yù)加力在200～500 kN時預(yù)加力的增加可較好地控制樁體位移;鋼支撐的水平間距建議設(shè)為3 m。

地鐵車站 圍護結(jié)構(gòu) 變形

1 工程概況及地層條件

1.1 工程概況

成都地鐵2號線東延線龍泉站，位于擬建的龍工北路和規(guī)劃十字路口偏北，呈東西走向。本車站場地范圍為耕地和棄土場，沿線里程分布有1個棄土堆，場地地面高程約511.6～519.39 m。本站為地下兩層10.5 m島式站臺車站，車站總長度450.00 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度19.2 m，盾構(gòu)井段外包寬度25.3 m。車站兩側(cè)區(qū)間均采用盾構(gòu)法施工，東西兩側(cè)預(yù)留盾構(gòu)始發(fā)條件。

車站采用明挖順作法施工，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁(盾構(gòu)孔范圍采用人工挖孔玻璃纖維筋樁)，車站主體部分圍護樁插入深度5 m(盾構(gòu)井段5.5 m)。圍護結(jié)構(gòu)形式采用φ1200@1800鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐，盾構(gòu)井段端部盾構(gòu)通過范圍采用φ1500@ 1800人工挖孔樁+鋼管內(nèi)支撐?；訕?biāo)準(zhǔn)段內(nèi)沿豎向設(shè)置三層鋼支撐，第一層支撐采用φ609 mm壁厚14 mm鋼管支撐，水平間距約6 m，距離地表1.6 m;第二、三層支撐采用φ609 mm壁厚16 mm鋼管支撐，水平間距約3 m，第一、二層鋼支撐垂直距離5.1 m，第二、三層鋼支撐垂直距離5.5 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

車站地處成都平原區(qū)與龍泉山低山丘陵區(qū)過渡帶的成都東部臺地區(qū)，地貌單元屬于川西平原岷江水系Ⅲ級階地，地形起伏相對較大。根據(jù)地勘資料，地表多為人工填筑的素填土及黏土，其下依次為冰水沉積黏土、粉質(zhì)黏土、黏土、砂、卵石土、砂巖及泥巖。

2 施工監(jiān)測規(guī)律

由于車站比較長，限于篇幅，只截取基坑一側(cè)盾構(gòu)井段及部分標(biāo)準(zhǔn)段平面，監(jiān)測點布置如圖1所示。

圖1 基坑測點布置示意

2.1 樁體位移與開挖深度之間的關(guān)系

隨著基坑的開挖和鋼支撐的及時施作，CX-22樁體最大水平位移發(fā)生的部位也隨著下移，開挖第一層時，在樁頂－1 m處，樁體位移達到最大值－1.64 mm;開挖第二層時樁體最大位移達到5.5 mm，開挖至基坑底部時樁體最大位移達到7.8 mm，見圖2。

圖2 CX-22樁體位移

基坑開挖至底部時，施作兩道鋼支撐，CX-25樁體水平位移最大值10.5 mm，水平位移最大值的發(fā)生位置在第二層和第三層支撐之間。施作第三層支撐以后，樁體水平位移不再發(fā)展，水平位移最大值的位置下降至第三層支撐以下部位，說明第三道支撐的及時施作可以控制樁體水平位移的發(fā)展。在同樣的開挖深度下，鋼支撐架設(shè)以后，樁體最大水平位移發(fā)生的部位也隨之下降，見圖3。

圖3 CX-25和CX-24樁體位移

基坑開挖至底部，CX-24的樁體位移最大值達到14.5 mm，比CX-25的樁體位移最大值多出3.81 mm。但是架設(shè)第三層鋼支撐后，CX-25的樁體位移得到控制，CX-24的樁體位移未得到控制。原因是CX-24測點位于基坑南側(cè)旁邊，便道大型施工吊車經(jīng)常停留該測點附近作業(yè)及重載車輛來往較多等。

2.2 鋼支撐預(yù)加力與樁體最大位移關(guān)系

基坑標(biāo)準(zhǔn)段在基坑開挖完成時，架設(shè)三層支撐。第一層鋼支撐的軸力均超過1 000 kN，第三層的軸力在150～400 kN，第二層鋼支撐的軸力在200～1 000 kN，變化范圍比較大。通過對CX-22和CX-25的樁體水平位移曲線對比可以知道，基坑開挖完成時，樁體位移的最大值與第二層鋼支撐的預(yù)加力有關(guān)系，第二層鋼支撐的預(yù)加力和樁體最大水平位移的關(guān)系曲線如圖4所示。第二層鋼支撐的預(yù)加力在200～500 kN時，樁體位移最大值隨第二層鋼支撐預(yù)加力的增大而減小。然而，鋼支撐的預(yù)加力超過500 kN以后，樁體位移的最大值呈現(xiàn)波動性。顯然，預(yù)加力的增加已經(jīng)沒有實際意義了。

圖4 第二層鋼支撐預(yù)加力與樁體最大位移的關(guān)系

3 深基坑開挖過程FLAC模擬

3.1 計算模型及工況簡化

FLAC計算時，土體采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型。選取長60 m寬100 m的區(qū)域建立FLAC計算模型，重點研究圍護樁變形和內(nèi)力以及鋼支撐軸力的計算結(jié)果。左右兩側(cè)和下側(cè)邊界采用法向約束。采用梁結(jié)構(gòu)單元模擬鋼支撐的作用，應(yīng)用樁結(jié)構(gòu)單元模擬圍護樁的作用。計算模擬的基坑深16 m，圍護樁插入深度是5 m，基坑寬19 m。

FLAC數(shù)值模擬盡可能地接近施工實際情況，計算模擬基坑開挖支護過程，共有4種工況。工況1:開挖第一層，架設(shè)第一道鋼支撐;工況2:開挖第二層，架設(shè)第二層鋼支撐;工況3:開挖第三層，架設(shè)第三層鋼支撐;工況4:開挖第四層。

圖5 樁體位移計算結(jié)果

3.2 樁體位移隨基坑開挖深度的變化規(guī)律

如圖5所示，隨著基坑開挖深度的增加，樁體水平位移是增加的，最大達到9.8 mm。樁體最大位移的位置也是隨著開挖深度的增加而下降，基坑開挖完成時，樁體最大位移的位置是在第二層鋼支撐和第三層鋼支撐之間。三層鋼支撐的軸力從上到下分別是226.6，424.41，340.8 kN。數(shù)值模擬計算的結(jié)果與實測樁體位移相比，規(guī)律一致，數(shù)值相近。

3.3 樁體位移與鋼支撐架設(shè)時間的關(guān)系

鋼支撐架設(shè)時間對樁體位移的影響比較大。工況1中不架設(shè)第一層鋼支撐，在工況2，3，4中分別架設(shè)一層鋼支撐，最終基坑開挖至底部，計算的結(jié)果作為工況5。在工況3中架設(shè)兩層鋼支撐，工況4中架設(shè)第三層鋼支撐，基坑開挖至底部，計算的結(jié)果作為工況6。而3.2節(jié)中鋼支撐及時施作條件下，基坑開挖至底部的計算結(jié)果仍作為工況4。如圖6所示，對比工況4，5，6的樁體位移。

工況5中的樁體位移最大達到21 mm，最大位移的位置是在樁頂，工況6中的最大位移達到38 mm，樁頂?shù)奈灰谱畲?。工況5和工況6中由于鋼支撐施作滯后，圍護結(jié)構(gòu)變形沒有得到控制，可見施工過程中鋼支撐及時施作是很重要的。

圖6 鋼支撐架設(shè)時間不同對樁體位移的影響

3.4 樁體位移與鋼支撐水平間距的關(guān)系

計算三層鋼支撐在水平間距一樣的條件下，鋼支撐間距分別是3，4，5，6 m的情況下，基坑開挖至底部時樁體位移及鋼支撐軸力如表1所示。鋼支撐水平間距的增加，樁體位移增加，樁體最大位移的位置下降，鋼支撐的軸力增加。結(jié)合其他車站的經(jīng)驗，考慮到施工的安全，建議鋼支撐間距設(shè)為3 m。

表1 不同鋼支撐水平間距的樁體位移和鋼支撐軸力

4 結(jié)論及建議

本文以成都地鐵龍泉站深基坑為背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測及FLAC模擬的方法對地鐵車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律進行了研究。主要結(jié)論如下:

1)樁體最大水平位移位置隨著基坑的開挖和鋼支撐的及時施作下移，在同樣的開挖深度下，鋼支撐架設(shè)以后，樁體最大水平位移發(fā)生的部位也隨之下降。

2)基坑開挖嚴(yán)格按要求分層、分段開挖(一次開挖深度控制在5 m以內(nèi)，超過5 m須架設(shè)支撐)，遵循“慢挖快撐”的原則，合理安排工序，嚴(yán)禁超挖，確保安全。

3)增加鋼支撐預(yù)應(yīng)力可以控制樁體位移，尤其是第二層鋼支撐的預(yù)應(yīng)力，在200～500 kN范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力的增加可以較好地控制樁體位移，超過500 kN以后，沒有實際意義了。

4)施工過程中盡量避免施工車輛在同一個位置經(jīng)常停留和來往，若場地條件不允許，不能避免，要增加這個位置附近的鋼支撐預(yù)應(yīng)力。對預(yù)應(yīng)力損失較大的支撐適時補加預(yù)應(yīng)力，保證支撐處于正常工作狀態(tài)。

5)建議三層鋼支撐水平間距全部設(shè)為3 m，避免第一層鋼支撐的軸力過大，保證施工安全。

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(責(zé)任審編趙其文)

U231+.4

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10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.20

1003-1995(2015)06-0075-03

2014-09-05;

2015-03-06

曹海靜(1990—)，女，河南鄧州人，碩士研究生。