地鐵車站超深基坑支護(hù)設(shè)計優(yōu)化與施工

楊軍彩，趙乃志

(1.遼寧省國際工程咨詢中心有限公司，遼寧 沈陽 110014；

0 前 言

地鐵車站施工作為地鐵施工的一個主要組成部分，其深基坑開挖和支護(hù)帶來大量的巖土工程問題，對地鐵站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算與分析是地鐵深基坑工程建設(shè)中重要的研究課題之一。本文以沈陽市地鐵9號線建筑大學(xué)站深基坑工程為背景，采用工程計算軟件對基坑開挖施工階段的空間整體受力情況進(jìn)行分析計算，對在不同樁徑的情況下樁的水平位移和附近地表建筑物的沉降進(jìn)行分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計確定最終的支護(hù)方案，使支護(hù)方案更為經(jīng)濟(jì)合理。

1 工程概況

本文中建筑大學(xué)站總長度為176.5 m，基坑開挖最深約為22.453 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度(凈尺寸)為18.7 m，土方開挖的總方量約58 452.03 m3。

1.1 地質(zhì)條件概況

擬建地鐵9號線自東向西沿軸線穿越渾河沖洪積扇，表層第四系地層廣泛發(fā)育，沉積韻律較為明顯，厚度較大。地層由西向東顆粒逐漸變粗，黏性土層逐漸變薄。地層結(jié)構(gòu)由第四紀(jì)全新世人工堆積層、渾河高漫灘沖積層及渾河新扇沖洪積層、第四系渾河老扇沖洪積層和第三系老砂礫巖組成。

取典型土層的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算，具體參數(shù)見表1。

表1 場地土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 水文地質(zhì)特征

本地區(qū)的地下水主要為孔隙潛水，局部有上層滯水?？紫稘撍饕畬訛橹写稚啊⒌[砂、圓礫層，水下水位埋深一般在7.0～7.3 m，勘察期間地下水水溫為12 ℃～14 ℃，承壓水與潛水有水力聯(lián)系，大氣降水與地表徑流為補給方式，潛水含水層綜合滲透系數(shù)為81.2 m/d。

2 施工工藝

南京街站主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖法施工，附屬工程均采用明挖法施工，其支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用鉆孔灌注樁加樁間土錨噴。車站主體結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計圖紙、施工順序及相應(yīng)的管線搬遷、道路翻交情況分段，基坑開挖支護(hù)相應(yīng)地分段分層進(jìn)行施工，逐層逐段進(jìn)行開挖支護(hù)，再逐段進(jìn)行防水施工、混凝土澆筑、回填、場地恢復(fù)，形成流水作業(yè)，附屬工程完工后，再進(jìn)行場地恢復(fù)。

3 支護(hù)樁整體計算

采用理正深基坑軟件可以對城市地鐵車站深基坑施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖1～2所示。根據(jù)本基坑的具體參數(shù)和開挖工序，建立了基坑三維模型進(jìn)行計算分析。根據(jù)經(jīng)驗和初步分析，擬定樁徑為1 200 mm，間距1 300 mm，作為計算參數(shù)。

圖1 深基坑三維模型

圖2 基坑整體變形計算(樁徑1200 mm)

有限元軟件可以進(jìn)行空間整體分析，對支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)樁支撐進(jìn)行位移彎矩進(jìn)行計算分析，根據(jù)空間計算結(jié)果，選取內(nèi)力和變性比較大的218號樁在不同工況下的計算結(jié)果。見圖3。

圖3 34號支護(hù)樁不同開挖施工階段樁體位移(218號樁)

取典型結(jié)構(gòu)區(qū)域的編號為28，29，181，182 的樁作為研究對象，數(shù)值計算結(jié)果見表2。

表2 典型支護(hù)樁位移彎矩極值

根據(jù)設(shè)計要求和相關(guān)規(guī)范可確定，本深基坑灌注樁樁頂及樁身的最大水平位移為0.15% H并且小于30 mm，基坑周圍地面最大沉降量為0.15%H( H為基坑深度)為33.679 mm。

由圖3和表2分析得知，樁身水平位移均呈現(xiàn)向基坑內(nèi)位移，隨著基坑向下開挖施工，水平位移逐漸增大的趨勢，但是都在控制指標(biāo)之內(nèi)。對計算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是合理的，但同時發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力值偏小，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計還有可以進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

4 計算結(jié)果分析及優(yōu)化

確定樁體直徑是支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計一個重要的參數(shù)，柱直徑和間距是樁體水平位移的主要影響因素。數(shù)值計算中，為了研究不同直徑樁體對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，以不同樁徑作為變化參數(shù)計算樁徑對地鐵深基坑變形的影響。分別取0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 m，樁徑進(jìn)行分析計算，分析結(jié)果如圖4所示。

表4 不同樁徑下樁水平位移

從圖4可以明顯看出，樁徑的變化對樁體的水平位移有著明顯的影響和關(guān)聯(lián)性。支護(hù)樁的水平位移呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，隨著基坑的開挖，樁體的水平位移逐漸增大，到達(dá)極值點后，由于支撐的作用水平位移向下逐漸變小，呈兩頭小中間大的分布。水平位移極值點隨著柱徑的增加逐漸下移，隨著樁體直徑的增大水平位移極值逐漸減小。

不同樁徑對地鐵站深基坑附近地表建筑物沉降的影響計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同樁徑下附近地表沉降

從圖5可以得出結(jié)論，不同樁徑下的基坑地表沉降的變化規(guī)律基本一致。深基坑周邊地表沉降值隨著支護(hù)樁樁徑的增加而減小。樁徑尺寸的增加對于減小深基坑周邊地表沉降具有明顯的效果,選擇合適的樁徑是支護(hù)結(jié)構(gòu)的一個主要設(shè)計內(nèi)容。

為了優(yōu)化確定合理的支護(hù)樁樁徑，本文對不同樁徑產(chǎn)生的最大水平位移計算值和基坑周邊地表沉降影響最大計算值做了歸一化處理繪制成圖6。

圖6 基坑變形計算數(shù)據(jù)歸一化對比

從圖6可以明顯看出,當(dāng)樁徑為1.1 m時，樁水平位移歸一化曲線和附近地表沉降歸一化曲線都有一個明顯的折點，可以確定1.1 m樁徑為最理想的樁徑。

5 結(jié) 語

1)深基坑采用樁-內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)支護(hù)方式可以保證安全，支護(hù)樁樁徑尺寸變化對于樁體的水平位移和深基坑周邊地表沉降值有顯著的影響。

2)對不同樁徑產(chǎn)生的最大水平位移計算值和不同樁徑對于減小深基坑周邊地表沉降影響最大計算值進(jìn)行歸一化處理的方法可以確定比較合理的樁徑尺寸。

3)本文采用的優(yōu)化設(shè)計方法對同類型的基坑支護(hù)設(shè)計優(yōu)化具有一定的參考和借鑒意義。

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