地鐵基坑地下連續(xù)墻及鋼支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)性能研究

中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200940

臨近城市中心區(qū)域的地鐵基坑施工開(kāi)挖一般會(huì)引起地表沉降，隨即引發(fā)市政管線開(kāi)裂泄漏、市政道路開(kāi)裂與沉陷、建筑結(jié)構(gòu)開(kāi)裂傾斜，甚至建筑物倒塌等工程事故。

深基坑支護(hù)系統(tǒng)包括兩部分：圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受坑外土體的側(cè)壓力、基坑外地表超載作用，以及其他附加壓力等作用并阻擋孔隙水，考慮到不同地區(qū)的地質(zhì)條件、水文條件，基坑的支護(hù)體系及其變形效應(yīng)也不同，因而采取有效的支護(hù)體系對(duì)基坑工程變形控制與安全至關(guān)重要[1-2]。

在開(kāi)挖實(shí)踐過(guò)程中，給支撐施加預(yù)加軸力，能消除支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間隙，防止支撐脫落，并且限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平向位移，減小結(jié)構(gòu)變形，保障周邊管線與基坑安全。

針對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)性能，許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)理論與實(shí)踐方面的研究，提出了多種支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法，如平面彈性地基梁法、經(jīng)典的極限平衡法和數(shù)值分析法[3-5]。支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法中應(yīng)用最廣泛的是平面彈性地基梁法，基床系數(shù)采用“m”法計(jì)算，該方法的關(guān)鍵是m的取值。

經(jīng)典的土壓力理論為極限平衡法的基礎(chǔ)，近年來(lái)也取得了較大的發(fā)展，近幾年實(shí)踐及理論的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)值分析法的迅猛發(fā)展，該方法可以考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的共同作用[6]。

王洪新等[7]研究分析了基坑寬度對(duì)土壓力的影響，并修正了土壓力值，在桿系有限元法的基礎(chǔ)上研究了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，對(duì)桿系有限元法進(jìn)行了改進(jìn)。陸新征等[8]以某深基坑工程為實(shí)例，建立了三維有限元模型，研究了不同的開(kāi)挖及基坑降水方案對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，認(rèn)為基坑開(kāi)挖過(guò)程安全與否的重點(diǎn)是考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w能否有效地協(xié)調(diào)作用。應(yīng)宏偉等[9]以杭州某大型基坑為實(shí)例，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到基坑周邊的三維空間效應(yīng)與基坑開(kāi)挖方案有關(guān)。李忠超等[10]利用有限元軟件PLAXIS 2D研究了兩種計(jì)算方法傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式法與有限元強(qiáng)度折減法的基坑穩(wěn)定性安全系數(shù)，當(dāng)參數(shù)選取不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，兩種計(jì)算方法得到的穩(wěn)定性安全系數(shù)均接近1，當(dāng)參數(shù)選取C值、φ值時(shí)，兩種計(jì)算方法得到的穩(wěn)定性安全系數(shù)均小于1。

文章以杭州地鐵某基坑工程為例，基于地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制原則，構(gòu)件考慮鋼支撐剛度與預(yù)加軸力的地鐵基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型，研究鋼管內(nèi)支撐、地下連續(xù)墻等支護(hù)的結(jié)構(gòu)性能，并探討相關(guān)性能對(duì)周邊既有結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況

杭州地鐵10號(hào)線汽車(chē)北站基坑工程位于杭州市拱墅區(qū)花園崗街與莫干山路交叉口南側(cè)，總長(zhǎng)526m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為21.7m，采用雙柱三跨（局部三柱四跨）鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，采用全包防水結(jié)構(gòu)。車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段基坑施工方法采用半蓋挖法，圍護(hù)地下連續(xù)墻厚度為1000mm，墻體進(jìn)入基坑底23～24m，總長(zhǎng)41m。坑內(nèi)外均從地面至坑底以下7.75m深度范圍采用Φ850@600mm三軸攪拌樁加固地連墻成槽槽壁。沿基坑深度方向布設(shè)5道內(nèi)支撐，第1道支撐為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸為800mm×1000mm@4000mm，其他4道支撐為鋼管內(nèi)支撐，尺寸為Φ609mm/Φ800mm（t=16mm）@6000mm，且在施工中施加預(yù)應(yīng)力，并采用軸力自動(dòng)補(bǔ)償?shù)乃欧到y(tǒng)。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告及室內(nèi)試驗(yàn)，北站場(chǎng)地地貌類(lèi)型為杭嘉湖沖湖積平原，地勢(shì)較低，地形開(kāi)闊平坦，基坑施工影響深度范圍內(nèi)主要地層依次為填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等。結(jié)合縱斷面圖，基坑開(kāi)挖涉及的各土層水平向地層分布相對(duì)較為平穩(wěn)，開(kāi)挖深度范圍內(nèi)巖土施工等級(jí)為Ⅱ級(jí)普通土。開(kāi)挖施工深度影響范圍內(nèi)土層參數(shù)具體如表1所示。

表1 基坑深度土層參數(shù)

2 數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 數(shù)值模型簡(jiǎn)化

杭州地鐵10號(hào)線一期工程線汽車(chē)北站站基坑開(kāi)挖深度最深處約為17.5m，實(shí)例選取南側(cè)部分深基坑，利用有限元軟件建立三維模型，對(duì)基坑開(kāi)挖施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析。在建立有限元數(shù)值分析模型時(shí)，為減小地鐵基坑開(kāi)挖邊界條件的影響，模型尺寸取值約為基坑尺寸的2～3倍，整體模型尺寸（長(zhǎng)度×寬度×深度）取120m×100m×60m，基坑施工階段模擬中，土體本構(gòu)模型采用德魯克普拉格硬化本構(gòu)分析模型。圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)如表2所示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)

2.2 模型參數(shù)確定

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，基坑深度范圍內(nèi)的土層參數(shù)見(jiàn)表1，梁構(gòu)件、鋼支撐、地下連續(xù)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)如表2所示。計(jì)算模型中關(guān)于本構(gòu)關(guān)系參數(shù)取值，首先通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究得到摩爾庫(kù)倫參數(shù)C值與φ值，如表1所示。

在三維結(jié)構(gòu)分析中，德魯克普拉格本構(gòu)模型參數(shù)與摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型參數(shù)間存在如下關(guān)系：

上述關(guān)系式中，參數(shù)取值一般為0.778≤k≤1，即φ≤22°；當(dāng)φ≥22°時(shí)，取k=0.778。根據(jù)上述關(guān)系公式，得到德魯克普拉格本構(gòu)模型參數(shù)σc、β和k，具體參數(shù)取值如表3所示。

表3 線性D-P硬化模型參數(shù)

3 地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)性能探討

3.1 數(shù)值模型分析驗(yàn)證

通過(guò)分析對(duì)比數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)的地下連續(xù)墻水平位移與地表沉降變形，分析判別模型計(jì)算值的可靠性。如圖1所示的數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)的地下連續(xù)墻水平位移曲線說(shuō)明土體本構(gòu)模型能較好地預(yù)測(cè)地下連續(xù)墻的水平位移。

圖1 數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)的地下連續(xù)墻水平位移與深度關(guān)系曲線

基坑開(kāi)挖至第3步時(shí)沉降量比較如圖2所示，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相近，在誤差允許范圍內(nèi)，模擬計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足精度要求，驗(yàn)證了數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果可行。

圖2 第3步開(kāi)挖后數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)的周邊地面累計(jì)沉降曲線

實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比表明，模型所采用的參數(shù)及簡(jiǎn)化合理，采用德魯克普拉格硬化模型可以合理模擬分析地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能。

3.2 地下連續(xù)墻與鋼支撐的性能

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012），圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐預(yù)加軸力取值可以為0.5～0.8倍內(nèi)支撐軸力設(shè)計(jì)值，對(duì)于該工程實(shí)例，研究鋼支撐不同預(yù)加軸力（內(nèi)支撐設(shè)計(jì)軸力的50%、60%、70%和80%）水平下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制效果，以便確定最優(yōu)預(yù)加軸力。

不同預(yù)加軸力坑外地表沉降變形如圖3所示。由圖3可知，距坑邊超過(guò)10m，坑外沉降隨著距離的增大而逐漸減小。參照無(wú)預(yù)加軸力情況，預(yù)加軸力時(shí)坑外沉降比無(wú)預(yù)加軸力時(shí)的坑外沉降平均減小了1～2mm，地表沉降隨預(yù)加軸力水平的提高而減小，與50%的效果相比，60%、70%和80%的影響稍強(qiáng)，綜合來(lái)看預(yù)加軸力水平為70%時(shí)，施工更經(jīng)濟(jì)且更高效。

圖3 不同預(yù)加軸力坑外地表沉降變形

不同預(yù)加軸力下地下連續(xù)墻變形特性如圖4所示。由圖4可知，地下連續(xù)墻變形隨預(yù)加軸力水平的提高而減小，地下連續(xù)墻變形隨著墻體入土深度的增大而逐漸增大，增至最大值后逐漸減小，當(dāng)墻體深度達(dá)到約40m處時(shí)，五曲線合一。說(shuō)明2倍開(kāi)挖深度內(nèi)，預(yù)加軸力可以有效約束地下連續(xù)墻變形；超過(guò)2倍開(kāi)挖深度時(shí)，支撐預(yù)加軸力對(duì)墻體的變形無(wú)約束效果?？傮w而言，地下連續(xù)墻變形隨預(yù)加軸力的提高而變小，預(yù)加軸力水平較高時(shí)，提高預(yù)加軸力水平不能明顯減小墻體變形?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素、預(yù)加軸力與結(jié)構(gòu)變形關(guān)系，預(yù)加軸力水平為70%時(shí)，施工經(jīng)濟(jì)且高效。

圖4 不同預(yù)加軸力下地下連續(xù)墻變形特性

4 結(jié)論

文章以杭州地鐵10號(hào)線汽車(chē)北站站基坑工程為背景，構(gòu)建有限元軟件分析模型，探討了不同鋼支撐預(yù)加軸力水平下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性，得出以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模型采用德魯克普拉格硬化模型合理預(yù)測(cè)地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，數(shù)值計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足精度要求，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果可信可靠。

（2）地表沉降變形隨鋼支撐預(yù)加軸力水平的提高而變小，相對(duì)50%預(yù)加軸力水平的效果而言，預(yù)加軸力水平為60%、70%和80%時(shí)的影響效果稍強(qiáng)，綜合來(lái)看預(yù)加軸力水平為70%時(shí)，施工更經(jīng)濟(jì)且更高效。

（3）地下連續(xù)墻變形隨鋼支撐預(yù)加軸力水平的提高而減小，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素、預(yù)加軸力與墻體結(jié)構(gòu)變形關(guān)系，預(yù)加軸力水平為70%時(shí)，施工更經(jīng)濟(jì)且更高效。