地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐力學(xué)參數(shù)研究

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(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168)

近年來，城市地鐵建設(shè)發(fā)展越來越快，施工開挖越來越深，從最初的開挖深度為5～7 m發(fā)展到目前最深已超過20 m。深基坑工程大量出現(xiàn)，各種支護(hù)結(jié)構(gòu)也在不斷地完善和發(fā)展。鋼支撐具有自重小、施工方便、工期短、造價(jià)低廉、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛使用。地鐵站坐落于人口密集地區(qū)，地狹人稠，存在大量建筑物和重要管線，在施工過程中必須嚴(yán)格控制基坑的變形。如果鋼支撐體系缺乏準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)，出現(xiàn)異常情況而沒有采取技術(shù)措施，則容易造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)失效、基坑塌方，甚至道路破壞和建筑物倒塌[1]。在施工過程中，開挖深度不斷增大，通過對(duì)鋼支撐監(jiān)測可以明確其受力狀態(tài)并保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全。本文中通過對(duì)沈陽市地鐵10號(hào)線北大營街站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周邊地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合數(shù)值模擬，探討在施工過程中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊地表的變化規(guī)律。

1　工程概況

沈陽地鐵10號(hào)線北大營街站位于北海街與合作街路口以西，為10號(hào)線與4號(hào)線的換乘站。車站周邊老舊房屋密集， 居民、 車流量較多， 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源較多， 施工難度大。 車站北側(cè)為北海街一環(huán)橋，南側(cè)為高層住宅小區(qū)思和苑，西南角為12層住宅小區(qū)北海嘉園，西北角為沈陽市第十人民醫(yī)院(沈陽市胸科醫(yī)院)。10號(hào)線車站為地下2層雙柱三跨島式站臺(tái)車站，車站長度為189 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.7 m，擴(kuò)大段寬度為26.5 m， 基坑深度為18.25 m。 車站采用半蓋挖順做工法施工， 支護(hù)方式為鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐， 基坑采用坑外井點(diǎn)降水方案。 車站小里程盾構(gòu)井段圍護(hù)樁采用直徑為1 000 mm、 樁間距為1 200 mm的鉆孔灌注樁，標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)臨近高架橋側(cè)采用直徑為1 000 mm、樁間距為1 200 mm的鉆孔灌注樁，另一側(cè)采用直徑為800 mm、樁間距為1 200 mm的鉆孔灌注樁，換乘節(jié)點(diǎn)部分基坑采用直徑為1 200 mm、樁間距為1 500 mm的鉆孔灌注樁，車站基坑采用坑外降水方案?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1。

2　數(shù)值模擬分析

2.1　計(jì)算模型建立

根據(jù)圣維南原理和相關(guān)施工規(guī)范， 深基坑開挖影響范圍約為基坑開挖深度的3倍[2]。 本文中地鐵10號(hào)線最大開挖深度為18.25 m，為了簡化計(jì)算，有限元模型尺寸取為80 m×80 m×40 m(長度×寬度×深度)?；邮┕るA段模擬中，選用Mohr-Coulonb模型作為土體本構(gòu)模型，根據(jù)地質(zhì)條件將土體分為5層，土體計(jì)算參數(shù)如表1所示。地下連續(xù)墻、鋼支撐等構(gòu)件采用通用實(shí)驗(yàn)室參數(shù)，如表2所示。整體模型如圖2所示。地下連續(xù)墻及支撐模型如圖3所示。使用MIDAS GTS NX軟件建立基坑開挖模型時(shí)，一般通過公式把圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等剛度結(jié)構(gòu)的壁式地下連續(xù)墻[3]。鉆孔灌注樁轉(zhuǎn)換公式為

圖1　基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

(1)

(2)

式中：D為鉆孔樁的直徑，取為1 m；s為相鄰2個(gè)鉆孔樁之間的凈距離，取為0.2 m；h為地下連續(xù)墻的厚度。取D為1 m，s為0.2 m，由式(2)可得到等剛度轉(zhuǎn)換后的h為0.79 m。

表1　主要土層參數(shù)

表2　圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2　整體模型示意圖

圖3　地下連續(xù)墻及支撐模型示意圖

2.2　基坑施工階段定義

在模型建立完成后，通過定義施工階段的方法對(duì)基坑開挖過程進(jìn)行模擬， 而施工階段中土體的開挖、襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝、架設(shè)主要通過對(duì)網(wǎng)格組單元、邊界條件和靜力荷載的激活和鈍化來完成。定義施工階段如表3所示。

表3　基坑施工階段定義表

2.3　計(jì)算模型適用性驗(yàn)證

深基坑開挖過程中，坑內(nèi)土體開挖后產(chǎn)生的卸荷作用使得基坑地下連續(xù)墻產(chǎn)生水平位移，地下連續(xù)墻水平位移最直接體現(xiàn)基坑的變形情況?；娱_挖必然對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，地表沉降反映了基坑開挖工程對(duì)環(huán)境的影響，也是判別支護(hù)體系是否有效性的重要指標(biāo)[4]。本文中將對(duì)北大營街站深基坑進(jìn)行三維數(shù)值模擬： 1)通過軟件計(jì)算得到基坑在開挖過程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的變形情況，為下一步基坑開挖提供理論依據(jù)； 2)對(duì)地下連續(xù)墻水平位移實(shí)測數(shù)值與模擬數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)兩者數(shù)據(jù)是否吻合，可以驗(yàn)證三維數(shù)值模型建立是否準(zhǔn)確。圖4、 5所示分別為開挖過程中地下連續(xù)墻深層水平位移變形云圖和地表沉降云圖。模擬值與實(shí)測值對(duì)比結(jié)果如圖6、 7所示。

由圖4、5可知， 在基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大的位置發(fā)生在地下連續(xù)墻上部或者中部位置。 由圖6可知，地下連續(xù)墻深層水平位移實(shí)測值與模擬計(jì)算值吻合較好，地下連續(xù)墻變形趨勢基本相同，這說明土體采用的本構(gòu)模型能較好地預(yù)測地下連續(xù)墻的水平位移。 由圖7可知， 當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí)， 地表沉降值在距基坑邊緣10 m左右位置達(dá)到最大值， 在距離邊緣0～10 m時(shí)，沉降量不斷增加，超過10 m時(shí)沉降量不斷減小。數(shù)值模擬值與實(shí)測值吻合較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算模型的適用性，表明可采用數(shù)值模擬分析在開挖過程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊地表變形狀況，從而信息化指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

圖4　地下連續(xù)墻水平位移云圖

圖5　第5步開挖地表沉降云圖

圖6　地下連續(xù)墻水平位移模擬值與實(shí)測值對(duì)比結(jié)果

圖7　第5步開挖后地表沉降實(shí)測值與模擬值對(duì)比結(jié)果

3　鋼支撐力學(xué)參數(shù)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響

3.1　預(yù)加軸力的影響

鋼支撐施加預(yù)加力對(duì)基坑的變形有重要影響，能夠起到減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的作用，因此在支撐安裝完畢后，應(yīng)及時(shí)施加預(yù)加力[5]。支撐預(yù)加力過大會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)向外移動(dòng)，影響周圍建筑和管線安全，破壞原有的土體結(jié)構(gòu)，同時(shí)地下連續(xù)墻彎矩和剪力過大，使基坑發(fā)生失穩(wěn)破壞；支撐預(yù)加力過小會(huì)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移變形過大，從而影響基坑的安全。在本次模擬計(jì)算中，以支撐設(shè)計(jì)預(yù)加軸力為準(zhǔn)，分別對(duì)支撐施加設(shè)計(jì)值的0%、50%、100%、150%、200%的軸力進(jìn)行模擬分析。在鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐的支護(hù)體系下，一般采取增加鋼支撐的預(yù)加軸力的方法來控制地下連續(xù)墻最大水平位移量，結(jié)合上述模擬，在其他條件均不變的情況下，單獨(dú)改變鋼支撐的預(yù)加軸力， 觀察不同預(yù)加力對(duì)控制深基坑變形的影響， 將得到的模擬結(jié)果用于后續(xù)基坑開挖過程中。圖8所示為不同預(yù)加軸力下的地下連續(xù)墻深層水平位移曲線。由圖可知，在鋼支撐初始預(yù)加軸力從設(shè)計(jì)值的0%增至200%的過程中，地下連續(xù)墻深層水平位移不斷減小，在地下連續(xù)墻上部及樁體下部，地下連續(xù)墻水平位移變形相對(duì)較小。當(dāng)支撐預(yù)加軸力為設(shè)計(jì)值的0%～100%時(shí)， 地下連續(xù)墻水平位移減小幅度較大；當(dāng)支撐預(yù)加力為設(shè)計(jì)值的100%～200%時(shí)， 樁體水平位移減少幅度較小，說明預(yù)加軸力小于設(shè)計(jì)值時(shí)對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響較大，大于設(shè)計(jì)值時(shí)對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響逐漸減弱。

圖8　不同預(yù)加軸力時(shí)地下連續(xù)墻的水平位移

圖9所示為不同預(yù)加軸力時(shí)的地表沉降。 由圖可知， 地表沉降值隨著支撐預(yù)加軸力的增大而減小， 即增大支撐預(yù)加軸力可以減小周圍地表沉降值。 在數(shù)值模擬中， 地表沉降量最大值出現(xiàn)在距離基坑邊緣10～12 m處。在沉降值達(dá)到最大時(shí)，地表沉降開始增大，但是增大趨勢相對(duì)平緩?？傮w來看，各施工階段沉降值的趨勢是先增大后減小。結(jié)合地下連續(xù)墻水平位移曲線與地表沉降曲線來看，在基坑開挖至基底，地下連續(xù)墻水平位移曲線并沒有出現(xiàn)懸臂形狀，而是呈現(xiàn)拋物形，原因是土體受到冠梁和支撐的約束，限制了土體的位移。地下連續(xù)墻水平位移曲線與地表沉降曲線變形規(guī)律存在關(guān)聯(lián)性。

協(xié)助酒實(shí)施人力成本控制機(jī)制，使酒店在精簡員工隊(duì)伍的同時(shí)，注重員工素質(zhì)的全面發(fā)展。最大限度的降低企業(yè)員工數(shù)量，減少人力資源成本支出。酒店通過提供一部分培訓(xùn)費(fèi)用，提高多技能員工的薪酬待遇等方式鼓勵(lì)員工學(xué)習(xí)專業(yè)技能。人力資源部每周都有員工培訓(xùn)計(jì)劃，邀請(qǐng)業(yè)務(wù)骨干就各種服務(wù)技能進(jìn)行針對(duì)性的培訓(xùn)為員工營造了良好的發(fā)展環(huán)境，調(diào)動(dòng)了員工學(xué)習(xí)、工作積極性，而員工素質(zhì)的提高也提升了服務(wù)水平，也為酒店帶來了更好的效益，真正實(shí)現(xiàn)了酒店與員工的雙贏。

圖9　不同預(yù)加軸力時(shí)的地表沉降

表4所示為不同預(yù)加軸力時(shí)地下連續(xù)墻水平位移及地表沉降最大值。由表可知，增大支撐預(yù)加軸力可以起到減少地下連續(xù)墻變形及地表沉降的作用。當(dāng)支撐預(yù)加軸力從設(shè)計(jì)值的0%增至150%的過程中，地下連續(xù)墻水平位移和地表沉降最大值均有較大程度的減小， 超過150%時(shí)最大值減小幅度較小， 當(dāng)預(yù)加軸力為0時(shí)，地下連續(xù)墻水平位移和地表沉降均超過16 mm， 為控制值的80%， 已達(dá)黃色預(yù)警。 結(jié)合北大營街站的地質(zhì)條件及周圍環(huán)境， 在基坑分階段開挖時(shí)， 鋼支撐預(yù)加軸力為設(shè)計(jì)值的50%～150%時(shí)，能夠?qū)ο拗苹幼冃纹鸬矫黠@作用，滿足基坑安全。

表4　不同預(yù)加軸力時(shí)地下連續(xù)墻的水平位移及地表沉降最大值

3.2　支撐剛度的影響

在基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻與鋼支撐共同組成基坑支護(hù)體系，支撐剛度是衡量基坑安全的重要性因素[6]?；又误w系采用的支撐剛度越大，地下連續(xù)墻變形越小，但是過大的鋼支撐剛度會(huì)造成資源浪費(fèi)。結(jié)合本工程的數(shù)值模擬，通過增加直徑和壁厚的方法來實(shí)現(xiàn)鋼支撐剛度的增加，研究不同剛度鋼支撐對(duì)地下連續(xù)墻深層水平位移以及地表沉降的影響。圖10所示為不同壁厚和直徑時(shí)地下連續(xù)墻的水平位移。由圖可知，地下連續(xù)墻中部受支撐影響最大，地下連續(xù)墻的頂部及墻底變化較小。隨著鋼支撐直徑和壁厚的增大，地下連續(xù)墻水平位移逐漸較小，但是變化幅度不大。將鋼支撐剛度增大到一定范圍，可以起到抑制地下連續(xù)墻變形的作用，但是支撐剛度過大對(duì)抑制地下連續(xù)墻變形起到的作用并不很明顯。只有對(duì)地下連續(xù)墻變形要求嚴(yán)格的工程，才能通過提高支撐剛度來控制地下連續(xù)墻變形。由此可知，在滿足基坑安全的前提下，可以減小支撐剛度，這樣可以節(jié)省施工成本。

圖11所示為不同壁厚和直徑時(shí)的地表沉降。由圖可知，支撐直徑和壁厚的增大均能在一定程度上限制地表沉降量，但是作用不明顯。地表沉降最大值出現(xiàn)在基坑邊緣10 m左右位置，在基坑邊緣及距基坑較遠(yuǎn)處，地表沉降量均較小。地表位移曲線變化的整體趨勢是先大幅度減小，后又緩慢增大，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

表5、6所示為不同鋼支撐直徑和壁厚時(shí)地下連續(xù)墻的水平位移及地表沉降最大值。由表5、6可知，隨著支撐剛度的增大，地下連續(xù)墻水平位移和地表沉降不斷減小，其中地下連續(xù)墻中部水平位移變化幅度稍大。當(dāng)鋼支撐直徑為600～630 mm、 壁厚為14～16 mm時(shí)，地下連續(xù)墻水平位移與地表沉降最值減小量均較大，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形抑制較好，但是鋼支撐剛度過大，無疑會(huì)增加支撐體系預(yù)算；因此結(jié)合本基坑開挖，應(yīng)優(yōu)先選用直徑為609 mm、壁厚為14 mm和直徑為609、壁厚為16 mm的鋼支撐，這樣既可以滿足圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形要求，又能降低造價(jià)。

4　鋼支撐施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過第3節(jié)中深基坑施工對(duì)基坑地下連續(xù)墻變形和周邊地表沉降的影響研究，以及不同鋼支撐力學(xué)參數(shù)的分析， 深基坑施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響的形式和影響因子已有一定基礎(chǔ)結(jié)論，但是在原設(shè)計(jì)方案中，對(duì)于鋼支撐力學(xué)參數(shù)的選取過于保守。雖然可以充分保證鄰近基坑的安全性能，但是不利于提高施工效率、經(jīng)濟(jì)效益。為此，結(jié)合第3節(jié)的分析，提出在原鋼支撐設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要對(duì)深基坑施工中的鋼支撐預(yù)加軸力、鋼支撐剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化列表見表7。

(a)不同壁厚(直徑為609 mm)(b)不同直徑(壁厚為16 mm)圖10 不同鋼支撐壁厚和直徑時(shí)地下連續(xù)墻的水平位移

(a)不同壁厚(直徑為609 mm)(b)不同直徑(壁厚為16 mm)圖11 不同鋼支撐壁厚和直徑時(shí)的地表沉降

表5　不同鋼支撐直徑時(shí)地下連續(xù)墻的水平位移及地表沉降最大值

表6　不同鋼支撐壁厚時(shí)地下連續(xù)墻的水平位移及地表沉降最大值

表7　鋼支撐參數(shù)優(yōu)化表

使用數(shù)值模擬分析基坑開挖對(duì)周圍地表沉降和地下連續(xù)墻水平位移的影響以確定優(yōu)化方案的可行性，數(shù)值計(jì)算后的地下連續(xù)墻水平位移、地表沉降與原方案對(duì)比如圖12所示。由圖可知，基坑的地下連續(xù)墻的水平位移優(yōu)化前的最大值為10.50 mm，優(yōu)化后最大位移為12.01 mm， 增大了14%，基坑周圍地表沉降優(yōu)化前地表沉降量最大值為-8.69 mm，優(yōu)化后沉降量為-9.51 mm，增大了10%，地下連續(xù)墻水平位移和地表沉降均有所增大，但增大幅度很小，都處于監(jiān)測安全范圍值以內(nèi)，不會(huì)對(duì)基坑造成影響，同時(shí)鋼支撐材料減少了很多，節(jié)省了大量工程成本。

(a)水平位移

(b)地表沉降圖12　不同施工案地下連續(xù)墻的水平位移及地表沉降對(duì)比

5　結(jié)論

本文中以沈陽10號(hào)線北大營街站深基坑工程為背景，采用有限元軟件MIDAS GTS NX進(jìn)行模擬分析，研究施工過程中鋼支撐預(yù)加軸力、鋼支撐剛度等力學(xué)參數(shù)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，進(jìn)一步對(duì)鋼支撐施工方案進(jìn)行優(yōu)化分析，得出以下結(jié)論：

1)增大鋼支撐預(yù)加軸力能夠有效減弱基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，當(dāng)預(yù)加軸力值為設(shè)計(jì)值的50%～150%時(shí)，限制地下連續(xù)墻水平位移和地表沉降的效果較明顯，超過設(shè)計(jì)值150%時(shí)對(duì)地下連續(xù)墻的影響逐漸減弱，因此在基坑施工過程中應(yīng)選擇合理的預(yù)加軸力。

2)隨著鋼支撐剛度的增大，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形不斷減小，當(dāng)剛度過大時(shí)，對(duì)限制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形作用不明顯，并且會(huì)增加成本，綜合分析可知，選用直徑為609 mm、壁厚為14 mm和直徑為609 mm、壁厚為16 mm的鋼支撐對(duì)限制地下連續(xù)墻水平位移和地表沉降的作用較好。

3)通過數(shù)值模擬對(duì)鋼支撐施工方案設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化后地下連續(xù)墻水平位移和地表沉降均有微弱增大，但是都處于監(jiān)測安全范圍值以內(nèi)，同時(shí)節(jié)省了大量工程成本。