地鐵車站偏載深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

交通事業(yè)的發(fā)展，對地鐵車站提出了更高的要求，無論是在數(shù)量和規(guī)模上都發(fā)生了巨大的變化。承載量雖然增大但是也增加了安全隱患。尤其是經(jīng)常出現(xiàn)車站基坑事故，如基坑內(nèi)部臨時坡體滑塌沖垮支撐、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏水等問題，容易造成經(jīng)濟(jì)損失并且浪費(fèi)人力物力，因此優(yōu)化地鐵車站偏載深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)勢在必行。

1 工程簡介

（1）工程概述。本次研究的對象是南京地鐵3號線明發(fā)廣場站的車站，總長度為180米，東西方向。

（2）工程水文地質(zhì)狀況：①巖土層分布。為了深入研究工程情況，需要派遣專業(yè)技術(shù)人員嚴(yán)格勘察巖土工程現(xiàn)狀，經(jīng)過勘察可以發(fā)現(xiàn)車站處于崗間坳谷區(qū)，坳谷地段的土質(zhì)比較特殊，主要是新沉淀的軟流塑狀黏土。此外，還包含了填土層以及河漫灘沖淤結(jié)軟土，并且處于基坑的下方。除了這兩層土之外，還包含了粉質(zhì)黏土、粉土夾粉砂、以及粉質(zhì)黏土等土質(zhì)；②水文條件。在車站地下，存有大量的孔隙潛水，也包含了一部分的弱承壓水?？紫稘撍姆植挤秶饕谔钔翆?，弱承壓水分布在粉質(zhì)黏土夾礫石層內(nèi)。弱承壓水的特點(diǎn)是水量少且分布不均［1］。

（3）基坑的特點(diǎn)。本地鐵車站的基坑包含層土的工程力學(xué)性質(zhì)比較差，具有高觸變性以及流變性的特點(diǎn)，且支護(hù)結(jié)構(gòu)的變位大。在施工的過程中，要求注意車站基坑變形按照二級基坑控制，二級基坑標(biāo)準(zhǔn)段普遍開挖深度為16.7米左右，可以保障基坑地面沉降量≤50mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移≤50mm?；禹敳寇囕v的動荷載大所以容易加劇基坑的維護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的偏載現(xiàn)象。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方式

為了更科學(xué)的計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)，需要采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，不僅要充分了解基坑偏載的問題，還要使用在有限元軟件對基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行數(shù)值分析模擬，再將兩個計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比分析。

（1）單元計(jì)算方式。首先用理正深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件完成車站基坑南北兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單元計(jì)算，坑外迎土面土壓力使用主動土壓力，開挖面之下土壓力假定為矩形分布模式，在坑內(nèi)開挖面之下的土壓力使用被動土壓力。支撐支錨剛度取值需要遵守相應(yīng)的規(guī)范。為了保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且要確定抗?jié)B流等指標(biāo)達(dá)到要求，需要制作基坑南北兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖?；觾蓚?cè)采用了不同設(shè)計(jì)方式，挖深以及坑頂?shù)暮奢d有一定區(qū)別，基坑南側(cè)樁身最大計(jì)算位移時25.86mm，基坑北側(cè)樁身最大位移時17.25mm。南側(cè)的圍護(hù)樁內(nèi)力以及變形都比北側(cè)的圍護(hù)樁大［2］。

（2）二維有限元數(shù)值模擬。理正單元計(jì)算可以對基坑南北兩側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分別計(jì)算，不過在這一過程中也會受到偏載現(xiàn)象的影響導(dǎo)致設(shè)置橫向支撐以后基坑南北兩側(cè)的圍護(hù)樁之間相互影響。車站基坑的坑頂荷載區(qū)別會導(dǎo)致嚴(yán)重的偏載問題。而且據(jù)分析可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元計(jì)算不能真正的反應(yīng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系實(shí)際內(nèi)力分布和變形情況。設(shè)計(jì)采用的是巖土和隧道通用的有限元分析軟件MidasGTSVER.4.2.0對車站基坑土方開挖以及架設(shè)支撐各工況進(jìn)行整體的有限元分析：①計(jì)算模型。選擇二維平面模型進(jìn)行模擬，圍護(hù)樁外側(cè)的巖土計(jì)算區(qū)域選擇基坑開挖深度兩倍的影響范圍。結(jié)合計(jì)算來看，兩倍的基坑挖深區(qū)域之外，造成的影響很小。模型高度選擇兩倍的挖深，模型計(jì)算區(qū)域的總寬為85m、高35m。基坑開挖范圍內(nèi)的土體主要是粘性土以及粉質(zhì)黏土，有限元模型中土體本構(gòu)模型使用摩爾-庫倫模型。巖土體使用二維平面應(yīng)變四節(jié)點(diǎn)單元模擬。模型中鉆孔咬合樁使用等剛度法折算成相當(dāng)寬度的矩形截面連續(xù)墻。此外，需要注意模型中沒有考慮地下水的影響；②計(jì)算結(jié)果分析。結(jié)合計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析，基坑南側(cè)圍護(hù)樁和基坑側(cè)壁的土體都是向北偏移的情況，其中基坑南側(cè)的坑頂土體有沉降的趨勢。基坑北側(cè)支護(hù)樁外側(cè)是河道，而基坑側(cè)壁上部土體向左偏移，基坑側(cè)壁下部的土體向基坑內(nèi)位移。兩側(cè)的坑底土體都存在隆起的現(xiàn)象。鋼支撐也會因?yàn)榛幽媳眰?cè)的圍護(hù)樁變位區(qū)別造成向上撓曲的問題［3］。為了減小基坑偏載對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，可以調(diào)整南北兩側(cè)圍護(hù)樁樁徑的計(jì)算方式，計(jì)算之后發(fā)現(xiàn)，如果加大北側(cè)的圍護(hù)樁直徑不會對整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形造成太大的影響，可以加大南側(cè)的圍護(hù)樁直徑，這樣可以合理控制基坑南側(cè)圍護(hù)樁的位移和整個支護(hù)結(jié)構(gòu)偏位的問題（如表1）。此外，在加大了南側(cè)圍護(hù)樁的直徑后，也同樣加大了第一層和第二層支撐的軸力，并且減小了第三、四層的支撐軸力（表2）。據(jù)分析可知，由于基坑南側(cè)圍護(hù)樁直徑加大改變了樁身變形曲線的形態(tài)，因此造成了這一現(xiàn)象。

表1 圍護(hù)樁最大水平位移對比表

注：樁徑1000mm，中心間距為1500mm，樁徑為1200mm，中心間距為1900mm.

表2 支撐軸力對比表

3 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基坑支護(hù)形式

本車站主要使用1400mm灌注樁，嵌固深度為13m，支撐體系第一道使用800×800混凝土支撐，第二三道使用的使用鋼管支撐，其中增加臨時立柱。盾構(gòu)段圍護(hù)使用1300mm灌注樁，大里程盾構(gòu)段嵌固深度約為17m，小里程盾構(gòu)段嵌固深度約為14m。支撐體系第一道使用800×800mm混凝土支撐，第二三道使用的使用鋼管支撐車站，車站典型排樁支護(hù)方案見圖1。

圖1 車站典型排樁支護(hù)方案

3.2 計(jì)算方式

使用理正深基坑支護(hù)計(jì)算軟件計(jì)算模擬過程，按照荷載增量法的原理實(shí)施。模擬開挖、支撐意義換撐的實(shí)際施工過程，基坑外側(cè)土壓力按照朗肯主動土壓力計(jì)算。將滲透系數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，k≤1m/d時使用水土核算的方式，當(dāng)k＞1m/d時使用水土分算的方式，在開挖面之下使用一組探巷模擬地層水平抗力［4］。

（1）第一道混凝土支撐驗(yàn)算。截面使用800×800mm，最大支撐軸力設(shè)計(jì)值為3201.41kN。①已知條件。矩形柱 b=800mm，h=800mm；計(jì)算長度 L=11.60m砼強(qiáng)度 C30，fc=14.3N/mm2ft=1.43N/mm2；縱筋級別為 HRB400，fy=360N/mm2，fy′=360N/mm2；箍筋級別為 HPB300，fy=270N/mm2；軸力設(shè)計(jì)值為N=2666.67kN；彎矩設(shè)計(jì)值為Mx=268.77kN.m，My=60.36kN.m；剪力設(shè)計(jì)值為 Vy=117.09kN，Vx=0.00kN。②配置鋼筋。a.上部縱筋：8E25（3927mm2ρ=0.61%）＞As=1280mm2，配筋滿足；b.下部縱筋：8E25（3927mm2ρ=0.61%）＞As=1280mm2，因此可知配筋滿足；C.左右縱筋：3E20（942mm2ρ=0.15%）全側(cè)配筋A(yù)s=1924mm2＞As=1280mm2，配筋滿足；d.豎向箍筋：d10@150四肢箍（2094mm2/mρsv=0.26%）＞Asv/s=853mm2/m，配筋滿足［5］。

（2）梁截面設(shè)計(jì)。①已知條件。矩形梁 b=800mm，h=800mm。砼 C30，fc=14.30N/mm2，ft=1.43N/mm2，縱筋 HRB400，fy=360N/mm2，fy，=360N/mm2，箍筋 HPB300，fy=270N/mm2。彎矩設(shè)計(jì)值為M=268.77kN.m，剪力設(shè)計(jì)值為V=117.09kN，扭矩設(shè)計(jì)值為T=0.00kN.m。②截面驗(yàn)算。V=117.09kN＜0.250βcfcbh0=2173.60kN，因此截面滿足截面配筋。③正截面受彎承載力計(jì)算。a.按雙筋計(jì)算：as下=40mm，as上=40mm，相對受壓區(qū)高度 ξ=x/h0=0.000＜ξb=0.518；b.上部縱筋：As1=1280mm2ρ=0.20%＜ρmin=0.20%按構(gòu)造配筋 As1=1280mm2；C.下部縱筋：As=1280mm2ρ=0.20%＜ρmin=0.20%按構(gòu)造配筋A(yù)s=1280mm2。④配置鋼筋。a.上部縱筋：計(jì)算As=1280mm2，實(shí)配8E25（3927mm2；ρ=0.61%），配筋滿足；b.腰筋：計(jì)算構(gòu)造 As=b*hw*0.2%=1216mm2，實(shí)配6E20（1885mm2；ρ=0.29%）；C.下部縱筋：計(jì)算 As=1280mm2，實(shí)配8E25（3927mm2；ρ=0.61%），配筋滿足；d.箍筋：計(jì)算 Av/s=1017mm2/m，實(shí)配 d10@150四肢（2094mm2/m；ρsv=0.26%），配筋滿足。

4 基坑監(jiān)測過程

為了保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和施工周邊建筑物的安全，要注意地鐵車站基坑施工的監(jiān)測，采用信息化施工的方式，注意實(shí)時調(diào)整施工的方案和進(jìn)度，需要對圍護(hù)樁位移、支撐軸力以及地表變形等情況進(jìn)行監(jiān)測。本文結(jié)合2017年4—5月基坑圍護(hù)樁位移和支撐軸力的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了分析［6］。通過信息監(jiān)測的方式，可以發(fā)現(xiàn)基坑圍護(hù)樁位移的實(shí)測結(jié)果與有限元分析結(jié)果相一致，監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)基坑南側(cè)圍護(hù)樁樁頂計(jì)算位移22.56mm，樁身位移32.57mm；實(shí)測結(jié)果樁頂位移是18mm，樁身位移為29mm?；颖眰?cè)圍護(hù)樁樁頂?shù)挠?jì)算位移是19.69mm，樁身位移為10.56mm；實(shí)測結(jié)果是樁頂位移為8mm，樁身位移為11mm。結(jié)合有限元分析的結(jié)果進(jìn)行研究，可以明確基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的變形情況?；炷林屋S力的監(jiān)測值比計(jì)算值要小。鋼支撐軸力實(shí)測值比較分散，所以可以在每層的支撐中選擇一個典型的鋼支撐。大部分的支撐軸力監(jiān)測結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果一致［7］。

5 結(jié)論

本文研究的偏載基坑的問題，從計(jì)算到實(shí)際的施工都進(jìn)行了分析，旨在為類似基坑施工提供一些建議。比如基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要從整體進(jìn)行計(jì)算分析。增加荷載較大側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度可以有效減小基坑整體的偏移，增設(shè)中立柱和支撐系桿可以增加偏載深基坑支撐體系的整體性，并且可以有效的穩(wěn)定基坑整體結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)偏載基坑支撐體系的整體性有助于提高基坑整體穩(wěn)定性，采用信息化施工方式，可以有效預(yù)防圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形等。

［1］羅文浩.上海某地鐵換乘車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.科技資訊，2017，15（17）：57-58.

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［3］桑行，杜明芳，易領(lǐng)兵，等.鄭州某地鐵車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析［J］.河南科技，2015（12）：72-73.

［4］徐燁，馮仁麟，吳躍華.地鐵車站偏載深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析［J］.城市軌道交通研究，2012，15（9）：43-48.

［5］徐祝鋼.淺談如何做好企業(yè)勞動爭議的預(yù)防及處理工作［J］.經(jīng)營管理者，2011（8）：162-163.

［6］黃健，張興剛.地鐵車站超深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008（8）：101-103.

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