地鐵車站明挖深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

張濤

摘 要：以西安某地鐵站明挖深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為背景，基于有限元分析對明挖深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，深基坑開挖引起的地表豎向變形為 -11.8～-10.2mm，混凝土灌注樁頂側(cè)向最大變形 10.9mm，符合西安地區(qū)濕陷性黃土地鐵車站深基坑開挖引起的地表及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性;在基坑開挖階段，除第 3 道直撐外，內(nèi)支撐軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計值，存在較大的優(yōu)化空間;內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)安全可行，可為類似基坑的施工借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵;深基坑;支護(hù)結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性分析

中圖分類號：TU753

地鐵明挖車站深基坑設(shè)計與施工開挖中，既要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又要考慮在施工過程中不同階段土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)相互影響的問題[1]，這就需要對基坑工程施工力學(xué)行為進(jìn)行分析研究。目前，支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用研究處于起步階段，基坑開挖的理論模型計算和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理還不完善[2]，大多應(yīng)用半理論半經(jīng)驗的方法[3]，多采用二維模型模擬[4]，不能全面反應(yīng)基坑不同部位支撐受力與變形。本文以西安地鐵某車站明挖深基坑工程為依托，建立三維有限元模型對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移、樁體水平位移、內(nèi)直撐、斜撐軸力和地表沉降進(jìn)行分析，以期為后續(xù)工程提供依據(jù)。

1 工程概況

西安某地鐵車站為11 m島式車站，兩端為擴(kuò)大端，標(biāo)準(zhǔn)段采用單柱、雙跨的地下二層現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，車站基坑長225 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬19.7 m，深15.69 m。車站支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼管支撐的支護(hù)方式，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁，嵌固深度為基坑底以下6 m?；迂Q向設(shè)置3道支撐，采用609 mm的鋼管直撐，鋼管壁厚16 mm，第1道直撐水平間距6 m，第2、第3道直撐水平間距3m，直撐段和斜撐段均采用鋼圍檁（圖1）。

車站所處地層主要由第四系人工填土，場地地層自上而下劃分為素填土、黃土狀土、粉質(zhì)黏土、中砂、圓礫、粉質(zhì)黏土、中砂，共8層。

場地地下水位介于-15.58～-18.40 m之間，屬第四系松散層孔隙性潛水，含水層主要為全新統(tǒng)沖積砂土、碎石土，上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、砂土地層中無明顯隔水層，勘察深度內(nèi)無承壓地下水。

2 有限元模型及計算工況

2.1 基本假設(shè)

進(jìn)行建模時，對于支護(hù)結(jié)構(gòu)、土層性質(zhì)等按照以下假設(shè)處理：

（1）假定在基坑開挖范圍內(nèi)土體是均勻、各向同性的彈塑性體，土體的應(yīng)力應(yīng)變滿足摩爾庫侖模型[4];鉆孔灌注樁、鋼直撐和鋼圍檁均為理想彈性體;將樁孔灌注樁等效為600 mm厚的理想彈性地下連續(xù)墻;

（2）不考慮施工混凝土灌注樁時對土體應(yīng)力和性狀的影響，將開挖階段的地層位移場清零，保留應(yīng)力場;

（3）不考慮基坑開挖動態(tài)施工過程對土體力學(xué)特性的影響;

（4）基坑開挖前降水已達(dá)到設(shè)計要求，不考慮土體中的滲流作用。

2.2 有限元模型

本文地鐵車站基坑有限元模型基坑寬20 m，深18.2 m，東西擴(kuò)大端長14.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段長225 m。按基坑手冊，基坑影響范圍為挖深的3～4倍[6]，故將模型水平尺寸設(shè)為 180 m×180 m，豎向土體取60 m，所選尺寸滿足基坑手冊要求，結(jié)合車站所在位置地質(zhì)縱剖圖，土層厚度自上而下分別取1 m、1.2 m、7 m、4.8 m、1.2 m、5m、10.2 m、29.6 m;土體本構(gòu)選取摩爾庫侖模型;鋼支撐和鋼圍檁采用一維梁單元模擬，鋼材為Q235B;鉆孔灌注樁等效地下連續(xù)墻按板單元模擬，材料為C35混凝土;坑底墊層材料為C20混凝土。模型共包含節(jié)點145 532個、單元453 828個，三維應(yīng)變單元以六面體單位為主（圖2）。

2.3 模擬計算工況

按照“分區(qū)，分類，定性，定量”的原則對施工過程進(jìn)行模擬，模擬計算分析基坑施工過程對土體應(yīng)力、應(yīng)變的影響，根據(jù)基坑施工方案，基坑開挖模擬計算工況按6個開挖階段分為6個工況。

階段1（工況CS1），初始地應(yīng)力分析，勾選位移清零，模擬土體固結(jié)過程。

階段2（工況CS2），支護(hù)樁施工。

階段3（工況CS3），開挖至地表以下2.1 m，并在地表以下 1.4 m 處施工第1道鋼直撐，直撐施加300 kN預(yù)應(yīng)力。

階段4（工況CS4），開挖至地表以下 9.2 m，并在地表以下 8.4 m 處施工第2道鋼直撐，直撐施加500 kN預(yù)應(yīng)力。

階段5（工況CS5），開挖至地表以下14.0 m，并在地表以下13.2m處施工第3道鋼直撐，直撐施加400kN

預(yù)應(yīng)力，斜撐施加450 kN預(yù)應(yīng)力。

階段6（工況CS6），開挖至地表以下18.2 m，并在18.0 m處做200 mm厚的C20混凝土墊層。

3 計算結(jié)果分析

3.1 基坑水平位移

圖 3給出了不同工況下基坑水平位移與基坑深度關(guān)系曲線，由圖3可見，基坑最大水平位移發(fā)生在工況CS6，工況CS6時的基坑水平位移云圖如圖4所示，圖4表明，基坑在南北向中部深度-18.2 m處產(chǎn)生最大水平位移為10.9 mm，基坑在東西向中部-16.7 m處產(chǎn)生最大水平位移為9.3 mm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，該基坑深度-10～-21.3 m的土層為圓礫層，黏聚力為0，抗剪能力與相鄰的土體相差很大，承受相同剪力時產(chǎn)生側(cè)向位移較大。

3.2 基坑豎向位移

（1）基坑開挖過程中的基坑豎向位移曲線如圖5所示，圖5數(shù)據(jù)表明，基坑坑底最大豎向位移發(fā)生在工況CS6，為47 mm（隆起），最小豎向位移為-6.9 mm（沉降），基坑坑邊位移在-10.2～-11.8 mm之間（沉降），可見，隨著基坑開挖深度的增加，坑底豎向位移起伏較大，基坑邊豎向位移變化不大，基坑底部需采取必要的技術(shù)措施，防止因坑底局部過大隆起變形給基坑施工帶來危害。

（2）圖6給出了工況CS6時基坑周邊地表豎向位移云圖，由圖6可見，基坑開挖完成后，基坑周邊地表豎向位移（沉降）隨坑壁距離的增加而減小，基坑邊30m外地表沉降變化速率趨近于0。具體表現(xiàn)為，與坑壁距離為0～30 m范圍內(nèi)基坑周邊地表沉降呈線性變化，由19.4 mm減小到8.2 mm，直至在距離坑壁80 m時為-7.8 mm?；又苓叺乇沓两抵禎M足警戒值30 mm要求。

3.3 圍護(hù)樁水平位移

圖7給出了不同工況下圍護(hù)樁水平位移與樁深關(guān)系曲線，由圖7可見，圍護(hù)樁最大水平位移發(fā)生在工況CS6，工況CS6時的圍護(hù)樁水平位移云圖如圖8所示，圖7、圖8表明，圍護(hù)樁最大水平位移為10.9 mm，發(fā)生在樁深18.2 m處，小于預(yù)警值24 mm;工況CS5進(jìn)行到工況CS6時，樁頂水平位移變化為0，基坑周邊土體已基本穩(wěn)定，這說明基坑鋼支撐起到了積極作用，較大抑制了土體及樁向基坑內(nèi)的移動，保障了基坑的穩(wěn)定，也使得土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)直撐達(dá)到受力平衡。

3.4 土體應(yīng)力

基坑土體的破壞主要是剪切破壞，圖9給出了不同工況下基坑土體剪切應(yīng)力變化曲線，由圖9可見，基坑土體最大剪切應(yīng)力發(fā)生在工況CS6，工況CS6時的基坑土體剪切應(yīng)力云圖如圖10所示，圖9、圖10表明，隨著開挖深度的增加，基坑土體最大剪切應(yīng)力逐漸減小，在工況CS5～工況CS6時增加為896.486kPa，滿足土體最大剪切應(yīng)力100 MPa要求。

3.5 支撐軸力

3.5.1 直撐和斜撐軸力

圖 11給出了不同工況下直撐軸力變化曲線，由圖11可知：

（1）第1道直撐在開挖工況CS3時架設(shè);基坑開挖到工況CS4時架設(shè)第2道直撐，此時第1道直撐的軸力有所下降;自工況CS4至CS6，第1道直撐軸力變化曲線基本保持水平。

（2）在第3道直撐架設(shè)后，第2道直撐的變化規(guī)律與第1道直撐的變化規(guī)律相似，軸力雖有小幅度變化，但整體趨于穩(wěn)定。

（3）進(jìn)行到工況CS6時由于基坑-10～-21.3m處土層為圓礫，其黏聚力為0，抗剪能力差，水平變形較大，這使得第3道直撐軸力由400 kN增加到1885.3kN，增加了1485.3kN，其余2道直撐軸力變化不大，說明在工況CS6時，第3道直撐對限制基坑產(chǎn)生較大的水平位移發(fā)揮了重要的作用。

不同工況下斜撐軸力變化與直撐類似，這里不予贅述。

3.5.2 支撐軸力計算值與設(shè)計值比較

表1為基坑開挖工況CS6時各道支撐計算最大值與設(shè)計值的統(tǒng)計表，由表1可知：

（1）3道直撐中，第2道直撐的計算軸力與設(shè)計軸力百分比較高，第3道支撐計算值超過設(shè)計軸力。說明在基坑開挖過程中，第2道、第3道支撐抑制了支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的位移，充分發(fā)揮了直撐作用。

（2）第3道直撐軸力與超出設(shè)計值27.3%需引起注意，應(yīng)采取相關(guān)技術(shù)措施，可通過增加直撐密度防止在基坑施工過程中出現(xiàn)安全質(zhì)量事故。

（3）斜撐軸力計算值與設(shè)計值的對比表明，斜撐軸力均未超過設(shè)計值。

4 結(jié)論與建議

（1）計算分析表明，西安地鐵某車站基坑施工引起的地表豎向沉降為-11.8～-10.2 mm，圍護(hù)樁頂最大水平位移10.9 mm，符合西安地區(qū)地鐵車站深基坑施工引起的地表沉降及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求。

（2）工況CS5～CS6時第3道直撐軸力增加了1485.3kN，因此應(yīng)著重優(yōu)化第3道直撐，提高其設(shè)計強(qiáng)度或增加直撐密度，預(yù)防基坑施工過程直撐產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致安全事故。

（3）支撐架設(shè)完成后開挖下層土?xí)r，直撐軸力大幅度增加，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)直撐軸力監(jiān)測，保證基坑的安全。

（4）在基坑開挖階段，除第3道直撐外，支撐軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計值，存在較大的優(yōu)化空間。在設(shè)計階段可通過優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的布置方式、布設(shè)密度，或者減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面尺寸，降低工程造價成本。

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收稿日期 2020-05-18

責(zé)任編輯 朱開明