合肥地鐵創(chuàng)新大道站深基坑支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及優(yōu)化

丁猛猛,曹廣勇,笪 偉，吳 超

(安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

近年來，隨著城市化的快速發(fā)展，地下建筑和地鐵等深基坑工程越來越多地出現(xiàn)在工程中。國內(nèi)外對基坑工程施工引起的地表沉降規(guī)律和支護結(jié)構(gòu)變形和優(yōu)化的研究眾多。張尚根[1]提出了按正態(tài)分布密度函數(shù)擬合基坑周圍地表的沉降曲線的方法。楊敏等[2]基于 4 種不同的圍護結(jié)構(gòu)基本變形模式，發(fā)現(xiàn)基坑周圍地表沉降量與圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移之間呈線性關(guān)系。李淑等[3]通過整理分析北京多個地鐵車站基坑的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，得出地表沉降變形曲線最終為“凹槽形”。聶宗泉等[4]根據(jù)上海、南京等多個地區(qū)的深基坑周圍地表沉降的實測數(shù)據(jù)，給出了軟土深基坑偏態(tài)分布的地表沉降表達式。莫海鴻等[5]對基坑支護樁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計研究，對各施工工況以支護樁變形曲線面積為優(yōu)化目標(biāo)，對施工工藝、圈梁截面進行控制變量分析，進而完善整個支護樁優(yōu)化設(shè)計體系。劉毓氚等[6]對地鐵中間井基坑進行支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，選出兩種優(yōu)化方案通過模擬技術(shù)進行對比分析，得出將兩道鋼管內(nèi)支撐改為預(yù)應(yīng)力錨桿的方案為最佳方案。

本文結(jié)合合肥地鐵創(chuàng)新大道站車站基坑現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，通過有限元模擬軟件Midas GTS/NX對車站基坑進行開挖支護模擬計算，將模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果驗證了模擬結(jié)果的正確性。基于模擬結(jié)果，將基坑現(xiàn)有4道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化為3道，經(jīng)計算后，新的設(shè)計方案能夠在保證安全可靠的前提下，節(jié)約一定的經(jīng)濟成本和時間成本，同時能夠提高空間效應(yīng)，便于施工。

1 工程概況

創(chuàng)新大道站位于合肥地鐵四號線沿望江西路走向，橫跨創(chuàng)新大道，地下兩層單柱雙跨島式站臺，站臺長為120 m、寬為11 m，共設(shè)4個出入口，2組風(fēng)亭。車站周圍建筑物密集，有部分為高層建筑。由于車站基坑受上下班通勤車輛和人群的影響，在跨路口處局部采用蓋挖順作法施工，其他區(qū)域采用明挖法施工。

車站采用“鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐”的圍護體系，標(biāo)準(zhǔn)段支護樁采用直徑800 mm鉆孔灌注樁，樁間距1 m，樁長23.3 m，端頭井部位支護樁直徑800 mm鉆孔灌注樁，樁間距為1.1 m，樁長26.6 m。內(nèi)支撐采用0.8 m×1 m尺寸，材料規(guī)格為C35等級的混凝土，鋼筋規(guī)格為HPB300、RB400鋼，砼支撐之間距離為9 m。鋼支撐采用A609鋼，直徑609 mm，壁厚16 mm，鋼支撐之間的距離為3 m。

2 數(shù)值分析計算模型

2.1 基本假設(shè)

假定各層土體水平均勻分布,材料均質(zhì)各項同性,不考慮基坑地下水對土體開挖的影響。[7]

2.2 模擬方案

建模過程中為了提高模型計算速度，根據(jù)抗彎等效剛度并結(jié)合工程實例，將鉆孔灌注連續(xù)樁轉(zhuǎn)換為等剛度的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)[8]，材料力學(xué)等剛度轉(zhuǎn)換理論原則如公式(1)：

(1)

式中：D為灌注樁直徑；t為灌注樁之間的間距；h為地下連續(xù)墻厚度。

直徑800 mm樁間距為1.1 m的咬合樁轉(zhuǎn)換為602 mm厚的地連墻。本文主要對端頭井部分進行模擬分析，基坑土體開挖施工工況分為5次開挖，每次開挖深度為2.3 m、6 m、4 m、3 m、3 m。每次開挖到內(nèi)支撐位置下0.5 m再做支撐，共一道砼支撐和三道鋼支撐，四道內(nèi)支撐分別位于地下-1.8 m、-7.8 m、-11.8 m、-14.8 m的位置。

2.3 模型建立

車站基坑利用Midas GTS NX軟件建立三維有限元模型。車站結(jié)構(gòu)總長272.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m，開挖最深處達20.8 m。一般基坑模擬開挖會對外圍2倍到3倍的土體范圍造成影響，故模型尺寸建為長400 m、寬160 m、高45 m的大尺寸模型?；油馏w分為7層采用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。整體模型如圖1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 整體基坑模擬示意圖

3 計算結(jié)果分析

通過對基坑開挖施工工況的數(shù)值模擬，得到了基坑周邊地表沉降、圍護結(jié)構(gòu)水平位移，通過把模擬的結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證模擬結(jié)果是否符合實際情況。

3.1 地表沉降對比分析

基坑開挖過程會引起周圍土體的擾動，開挖后的土體應(yīng)力釋放會造成圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土壓力差，不僅引起土層水平位移，也會引起基坑周圍地表沉降。截取模型的二分之一剖面，如圖2所示。提取工況1到工況5的東段工作井附近的沉降數(shù)據(jù)做曲線圖，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合比對，如圖3所示。

圖2 模型二分之一剖面

圖3 地表沉降模擬與實測值對比圖

結(jié)果表明：地鐵基坑開挖引起的地表變形趨勢基本上相似，地表沉降隨著距基坑邊的距離增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，表現(xiàn)為“凹槽形”。其中基坑地表最大沉降發(fā)生在第五次開挖，數(shù)值為11.6 mm，最大沉降點距離坑邊8 m-12 m。通過實測值與模擬結(jié)果對比圖可以看出，實測沉降最大值在距坑邊10 m附近，數(shù)值為10 mm，比模擬數(shù)值偏小14%。

3.2 地連墻圍護結(jié)構(gòu)水平位移對比分析

截取模型中東端工作井側(cè)面的二分之一剖面，如圖4所示。提取其工況1到工況5的工作井側(cè)面地連墻的水平變形數(shù)據(jù)做曲線圖，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合比對，如圖5所示。

結(jié)果表明：地鐵基坑開挖引起地連墻結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢基本上類似，水平位移隨著開挖的開展，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最終表現(xiàn)為“拋物線形”。最大水平位移發(fā)生在第5次開挖，數(shù)值為20.6 mm，最大變形中心位于地下12 m-15 m位置處。通過實測值與模擬結(jié)果對比圖可以看出，實測水平位移最大值在-12 m附近，數(shù)值為19 mm，比模擬數(shù)值偏小7.9%。

圖4 東端工作井側(cè)面二分之一剖面

圖5 地連墻結(jié)構(gòu)水平變形模擬與實測值對比圖

4 支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

4.1 優(yōu)化目標(biāo)

通過圖5可以看出，地表沉降和地連墻水平變形的模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測值之間仍然存在著誤差，導(dǎo)致誤差的原因可能是沒有考慮基坑降水及地面荷載對模擬計算的影響。但是數(shù)據(jù)基本上吻合，并且表現(xiàn)為相同的變化趨勢，從而驗證了模擬結(jié)果的正確性，進而為支護方案優(yōu)化做準(zhǔn)備。

深基坑支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目標(biāo)是“安全”和“經(jīng)濟效應(yīng)”[9]?？梢钥闯?，現(xiàn)有的支護方案能夠滿足基坑設(shè)計的“安全”要求。但是支護方案設(shè)計過于保守，會造成一定的經(jīng)濟浪費和施工工期的延后。因此，在保證基坑施工安全的前提下，能夠使工程造價降低和施工工期的提前，仍然是人們主要的關(guān)心問題。

4.2 優(yōu)化方案

基于基坑設(shè)計的結(jié)構(gòu)“安全”、“經(jīng)濟效益”兩個主要優(yōu)化目標(biāo)，現(xiàn)對創(chuàng)新大道站東端頭井內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化設(shè)計：第二道內(nèi)支撐沿Z方向下調(diào)整0.5 m，第三道內(nèi)支撐沿Z方向下調(diào)整-2 m。所有鋼支撐預(yù)加軸力增大50%，去掉第四道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，增加開挖步驟，從第二道內(nèi)支撐的位置到坑底土體改為四步開挖。

4.3 優(yōu)化結(jié)果對比分析

提取的優(yōu)化后的地表最大沉降如圖6所示。地連墻圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移的模擬變形圖如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后的地表最大沉降

圖7 優(yōu)化后地連墻結(jié)構(gòu)最大水平位移

與之前的支護方案得到的結(jié)果作對比分析，結(jié)果表明：優(yōu)化后新方案的地表最大沉降為13.9 mm，比原方案地表沉降增大了2.3 mm。優(yōu)化后新方案的地連墻最大水平位移為24.6 mm，比原方案水平位移增大了4 mm。這是由于去掉了第3道鋼支撐之后的，導(dǎo)致“地連墻+內(nèi)支撐”體系整體剛度降低，隨著土體的向下開挖，地連墻兩側(cè)產(chǎn)生的應(yīng)力差比之前的要大，導(dǎo)致地連墻外側(cè)土體應(yīng)力進一步釋放，進而引起圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和地表沉降的變大，但是變化范圍仍能滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求。說明優(yōu)化后的支護方案具備可實施性。在保證基坑安全可靠的前提下，由于減少了一道內(nèi)支撐，節(jié)約了施工成本，達到了一定的經(jīng)濟效益。同時優(yōu)化了基坑的空間效應(yīng)，增大了可操作的空間，便于施工，能夠有效的縮短工期，節(jié)約時間成本。合理的開挖順序、步驟和深度，能夠降低開挖時土體應(yīng)力釋放對圍護結(jié)構(gòu)的影響，保證在開挖的時圍護結(jié)構(gòu)的整體安全。

5 結(jié) 語

本文基于有限元分析軟件MidasGTSNX對創(chuàng)新大道站地鐵基坑，進行了深基坑開挖及支護過程的數(shù)值模擬分析，并與現(xiàn)監(jiān)測測數(shù)據(jù)進行對比及支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的對比，得出以下主要結(jié)論:

深基坑開挖施工過程中地表沉降曲線最終表現(xiàn)為“凹槽形”。最大沉降發(fā)生在第五次開挖，數(shù)值為11.6 mm。實測沉降最大值為10 mm，比模擬數(shù)值偏小14%。

深基坑開挖施工過程中地連墻結(jié)構(gòu)水平位移變形曲線最終表現(xiàn)為“拋物線形”。地連墻最大水平位移發(fā)生在第5次開挖，數(shù)值為20.6 mm，實測數(shù)據(jù)的最大水平位移值為19 mm，比模擬數(shù)據(jù)偏小7.9%。

優(yōu)化后新方案的地表最大沉降為13.9 mm，比原方案地表沉降增大了2.3 mm。優(yōu)化后新方案的地連墻最大水平位移為24.6 mm，比原方案水平位移增大了4 mm。但是變化范圍仍能滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求。優(yōu)化設(shè)計在保證安全可靠的前提下，節(jié)約了基坑施工成本，便于施工，能夠有效的縮短施工工期，節(jié)約了施工時間成本。