蘭州某地鐵站出口深基坑開挖支護三維數(shù)值模擬分析

周利勇

（蘭州市政建設(shè)集團有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

為緩解交通壓力，越來越多的城市在進行地鐵建設(shè)。同時，地鐵相關(guān)的深基坑工程是一個復(fù)雜的綜合性巖土工程[1]，借助于數(shù)值模擬和實際相結(jié)合的方法，可以對深基坑工程整體結(jié)構(gòu)進行比較系統(tǒng)地分析[2]。本文以蘭州市某地鐵出站口為研究對象，利用有限元軟件 MidasGTSNX建立三維模型，研究該基坑在開挖過程中，樁體變形、鋼支撐內(nèi)力變化、土體的沉降規(guī)律及鋼支撐的作用位置對基坑穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

1.1 車站概況

該出站口位于1號線某車站主體結(jié)構(gòu)西北角，地處蘭州某十字路口，四周多高層或多層建筑。場地地勢開闊，地形平坦?；娱L68m，寬7.2m，標準段坑底埋深越11m（見圖1）。

圖1 出站口深基坑現(xiàn)場照片

1.2 工程地質(zhì)概況

該基坑場地為黃河Ⅰ級階地。擬建場地影響厚度內(nèi)土質(zhì)依次為以路基為主的人工填土、黃土狀土、卵石土、強風(fēng)化砂巖。地下水位埋深4.1～5.1m，且地下水位年內(nèi)變幅在1.0～1.5m。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，各主要土層分布及物理力學(xué)指標見表1。

表1 場地主要地層的力學(xué)指標

1.3 支護方案概況

根據(jù)附屬結(jié)構(gòu)形式，場地地質(zhì)及周圍環(huán)境特征，該基坑采用灌注樁+鋼管內(nèi)支撐體系，維護結(jié)構(gòu)采用800@1600的鉆孔灌注樁。沿基坑豎向布2道的609mm（t=16mm）鋼管內(nèi)支撐，鋼支撐分別設(shè)置在2.5m，7.5m處，水平向間距3.5m。施加預(yù)加軸力分別為300kN、350kN。灌注樁間擋土采用掛網(wǎng)噴射混凝土。樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，截面b×h=0.8m×0.8m，鋼圍檀均采用2根45b工字鋼組合型鋼。圍護結(jié)構(gòu)模型見圖2。

圖2 基坑支護平面圖

2 開挖過程數(shù)值模擬

為研究該基坑的變形特性，本文選用Midas GTSNX有限元軟件進行建模，分析基坑開挖全過程。因開挖前已完成降水，地下水水位維持在基坑底板1.0m以下，因此在模擬中不再考慮地下水的影響。

2.1 模型簡介及計算參數(shù)

（1）模型簡介

本模型為整體三維模型，依據(jù)圣維南原理，開挖區(qū)域一般選開挖尺寸的3～5倍比較合理，故模型尺寸取169m×114m×37.8m。整個模型劃分為148258個單元網(wǎng)格，26737個節(jié)點；模型中涉及到實體單元（土層）。

梁單元（混凝土排樁、混凝土冠梁、鋼腰梁），桁架單元（鋼支撐）。土體選用Mohr-Coulund本構(gòu)模型。考慮到基坑周圍可能發(fā)生的車輛動載及其施工堆載等因素，基坑周圍均布置超載15kPa。計算模型和網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 基坑計算模型樣圖及網(wǎng)格劃分示意圖

（2）土體及結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置

a.土體依照表1進行分層及材料屬性設(shè)置；

b.梁單元及桁架單元的材料屬按表2設(shè)置。

2.2 主要施工步驟

該深基坑采用明挖順做法分層開挖，按照施工工序，可分為4個施工步驟：

（1）成孔并完成鉆孔灌注樁的作業(yè)；

（2）開挖至3.5m，在2.5m處加第一道鋼支撐，施加預(yù)應(yīng)力300kN；

（3）開挖至8.5m，在7.5m處加第二道鋼支撐，施加預(yù)應(yīng)力350kN；

（4）開挖至基坑底部，深度11m。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 坑周地表沉降分析

隨著基坑開挖，基坑周邊的土體發(fā)生了豎向沉降，用模擬所得數(shù)據(jù)繪制出各工況坑邊土體豎向沉降曲線圖，見圖4。

圖4 坑周地表沉降圖

從圖4中可以看出，加鋼支撐之前，距坑越近沉降量越大；加支撐之后，沉降曲線呈勺形，沉降量最大位置距坑有一定距離；隨著基坑開挖，坑周地表整體沉降量及最大沉降量都逐漸增大，且基坑開挖的影響范圍也越來越遠，最大沉降發(fā)生在距坑邊16m處，其值為8.6mm。

表2 一維單元計算參數(shù)設(shè)置

3.2 樁體水平位移分析

隨著基坑開挖，樁體發(fā)生了水平方向位移，用模擬所得數(shù)據(jù)繪制出各工況下樁體水平位移曲線圖，見圖5。

圖5 樁體水平位移圖

加第一道鋼支撐后，樁頂處發(fā)生最大水平位移，其值為0.7mm；加第二道支撐后，最大水平位移發(fā)生在距坑頂約5m處，其值為2.8mm；開挖至坑底時，最大水平位移位置移至約距樁頂5m處，其值為6.6mm。同時，從圖5可以看出：隨著基坑的開挖，樁身水平位移整體增大，且在鋼支撐作用處，樁體水平位移量突然減小。

3.3 支撐軸力分析

通過模擬計算，隨著基坑開挖，由于樁后主動土壓力增大，致使樁體發(fā)生向基坑側(cè)的水平位移，由于鋼支撐的作用，使得樁體整體的位移量減小，同時，作用在鋼支撐上的軸力增大，其值隨開挖深度歷時曲線見圖6。最大軸力發(fā)生在開挖至坑底時候的第二道鋼支撐上，其值為382kN。

3.4 鋼支撐位置對圍護結(jié)構(gòu)的影響

鋼支撐的作用位置是控制基坑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形和坑周土體的變形主要因素，合理的支撐作用位置會使整個支檔結(jié)構(gòu)受力合理且經(jīng)濟。

為驗證該基坑原支護方案中鋼支撐的作用位置是否合理，本文另外模擬驗算了兩種鋼支撐作用位置不同的方案。方案1：其他條件不變，支撐作用位置均向下移動1m；方案2：其他條件不變，支撐作用位置均向上移動1m。提取模擬結(jié)果中三種方案的樁體水平位移量和支撐軸力值，分別繪制樁體水平位移曲線圖（挖至坑底時）及曲線支撐軸力圖，見圖7～圖9。

圖6 鋼支撐軸力變化圖

圖7 三種支護方案樁體水平位移對比圖

圖8 三種方案第一道鋼支撐軸力變化圖

圖9 三種方案第二道鋼支撐軸力變化圖

方案一中樁體最大水平位移發(fā)生在約5.5m處，其值為7.8mm，方案二中樁體最大水平位移發(fā)生在距樁頂約4.5m處，其值為8.1mm，而原方案樁體最大水平位移為5.5mm；三個方案第一道鋼支撐最大軸力分別為：方案一：367kN，方案二：323kN，原方案：323kN；三個方案第二道鋼支撐最大軸力分別為：方案一：362kN，方案二：421kN，原方案：382kN。

采用數(shù)值模擬的方法分析，從控制支護結(jié)構(gòu)變形和支撐受力合理的角度來講，原方案中鋼支撐的支護位置是安全、經(jīng)濟的。

4 結(jié)論

（1）建立了該地鐵出站口基坑的三維有限元模型，計算結(jié)果表明該深基坑采用鉆孔灌注樁＋鋼支撐的設(shè)計方案是合理經(jīng)濟的。

（2）坑周地表沉降量、樁體水平位移及鋼支撐軸力均隨基坑開挖而增大，基坑開挖至坑底時，均達到最大值分別為8.6mm、6.6mm、382kN。

（3）鋼支撐的作用位置對樁體水平方向變形及支撐軸力有較大影響，具體作用位置需根據(jù)具體工程中土層參數(shù)及其排樁參數(shù)確定。對本文中的基坑而言，原設(shè)計方案是安全經(jīng)濟的。

參考文獻：

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