地鐵車(chē)站風(fēng)亭異型基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)變形數(shù)值分析

傅一棟 （中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018）

0 引言

基坑工程作為一種臨時(shí)工程，涉及眾多學(xué)科專業(yè)，包括巖土、結(jié)構(gòu)、流體等領(lǐng)域。針對(duì)地鐵車(chē)站基坑施工穩(wěn)定安全問(wèn)題，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，包括理論分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、施工控制技術(shù)、縮尺模型方法等。

國(guó)外對(duì)地鐵基坑變形安全問(wèn)題關(guān)注較早，Goh（1994）為解決圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及嵌入深度取值問(wèn)題，引入若干參數(shù)，提出計(jì)算基坑隆起變形的新方法；Hsieh（1998）對(duì)大量基坑監(jiān)測(cè)曲線進(jìn)行回歸分析，提出采用正態(tài)分布概率函數(shù)擬合手段預(yù)測(cè)新基坑變形的方法；Long（2001）收集并整理了大量深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境與特點(diǎn)進(jìn)行分類總結(jié)，分析了不同基坑開(kāi)挖深度、陽(yáng)角系數(shù)、支撐剛度下等的基坑變形規(guī)律；Osman（2006）通過(guò)不排水直剪試驗(yàn)獲得土體強(qiáng)度參數(shù)，依據(jù)塑性理論，提出基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與變形預(yù)測(cè)方法。

國(guó)內(nèi)有關(guān)地鐵基坑工程的研究起步雖稍晚，經(jīng)多年努力探索亦取得不少成果。劉興旺（1999）等對(duì)上海、杭州等軟土地區(qū)多個(gè)地鐵基坑工程進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移峰值為開(kāi)挖深度的0.2%～0.9%范圍，且軟土環(huán)境下峰值點(diǎn)鄰近基底；唐孟雄（1996）等推導(dǎo)了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移變形公式，同時(shí)根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地表沉降的關(guān)系推導(dǎo)地表沉降公式；李淑（2012）等對(duì)北京數(shù)十個(gè)地鐵基坑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，研究發(fā)現(xiàn)基坑底邊沉降峰值主要受基坑開(kāi)挖深度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比影響，且大致分布于開(kāi)挖深度的0.034%～0.316%，同時(shí)受時(shí)間與空間的影響。

目前關(guān)于地鐵基坑的研究對(duì)象多為規(guī)則基坑，對(duì)于異型基坑結(jié)構(gòu)的研究尚不多見(jiàn)，由于基坑變形具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，前者所研究的技術(shù)成果難以直接應(yīng)用于后者。結(jié)合合肥某地鐵車(chē)站風(fēng)亭異型基坑工程，對(duì)該基坑異型特點(diǎn)及施工難點(diǎn)進(jìn)行介紹，同時(shí)基于數(shù)值模擬結(jié)合工程監(jiān)測(cè)手段，以風(fēng)亭異型基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移變形、鄰近基坑地表沉降及內(nèi)支撐軸力為指標(biāo)，開(kāi)展地鐵車(chē)站風(fēng)亭異型基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究。

1 工程概況

1.1 車(chē)站結(jié)構(gòu)

1.1.1 主體結(jié)構(gòu)

合肥某地鐵車(chē)站為地下島式結(jié)構(gòu)，主體長(zhǎng)度200.6m，采用明挖順作法施工，車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)寬度20.7m，頂板覆土2.9～3.2m，中心里程底板埋深約16.2m，采用地下二層單柱雙跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，共計(jì)兩層，單層12m。

1.1.2 風(fēng)亭異型平面結(jié)構(gòu)

車(chē)站設(shè)有1、2號(hào)兩處風(fēng)亭，均位于車(chē)站西側(cè)。其中2號(hào)風(fēng)亭為常規(guī)狹長(zhǎng)形。1號(hào)風(fēng)亭原設(shè)計(jì)為矩形基坑，后為避免西南側(cè)路緣小區(qū)消防泵房，1號(hào)風(fēng)亭基坑結(jié)構(gòu)改設(shè)為不規(guī)則形狀，其中基坑西側(cè)寬度28.3m，東側(cè)41.5m，南側(cè)35.5m，北側(cè)45.5m，由于東西側(cè)基坑寬度差異較大，施工支護(hù)設(shè)計(jì)和施工安全環(huán)境較常規(guī)矩形基坑更為復(fù)雜危險(xiǎn)。

2 工程難點(diǎn)

2.1 施工區(qū)內(nèi)管線密布，情況復(fù)雜

由于車(chē)站位于黃山路與潛山路交叉口，地下管線較多，分布復(fù)雜，施工區(qū)范圍內(nèi)包括電力管線、源水管、給水管、電信、燃?xì)狻⒂晁?、污水等重要管線縱橫交錯(cuò)。

2.2 交通環(huán)境與鄰近建筑群復(fù)雜

車(chē)站位于兩相交城市主干道潛山路與黃山路下。潛山路為南北方向城市主干道，交通繁忙，規(guī)劃紅線寬45m，現(xiàn)狀為雙向4車(chē)道主道，兩合肥市軌道交通3號(hào)線工程側(cè)各設(shè)2個(gè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道，由綠化帶隔離。黃山路為東西方向道路，規(guī)劃紅線寬55m，現(xiàn)狀為雙向6車(chē)道主道，與潛山路十字相交，車(chē)站周邊建筑物較多。

圖1 異型風(fēng)亭結(jié)構(gòu)平面

圖2 交通環(huán)境圖

2.3 地質(zhì)條件

車(chē)站所處地段為二級(jí)階地，崗地地貌，地形起伏，地面高程39.17～41.13m。車(chē)站場(chǎng)地土層自上而下主要為人工填筑土、黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，風(fēng)化巖遇積水易淤泥化，降低施工安全性。地質(zhì)巖性參數(shù)見(jiàn)表1。

3 異型風(fēng)亭施工措施

3.1 開(kāi)挖與支護(hù)方案

3.1.1 開(kāi)挖方案

異型風(fēng)亭采用一道混凝土支撐與一道鋼支撐。先行完成冠梁和第一道混凝土支撐施工，后進(jìn)行土方開(kāi)挖施工。

基坑開(kāi)挖分三個(gè)階段：第一階段開(kāi)挖西側(cè)支撐區(qū)域內(nèi)土方，該范圍分兩個(gè)區(qū)段，采用兩臺(tái)套機(jī)械同時(shí)開(kāi)挖，平行作業(yè)。橫向先開(kāi)挖中間土體，后開(kāi)挖兩側(cè)土，反壓土和坡道護(hù)坡采用噴漿防護(hù)；第二階段開(kāi)挖中間部分土方（無(wú)支撐部分），采用三臺(tái)PC220型挖掘機(jī)同時(shí)作業(yè)，兩臺(tái)挖機(jī)在基坑內(nèi)將土方分層分臺(tái)階開(kāi)挖，并將開(kāi)挖出的土方翻至基坑側(cè)面，由基坑上方挖掘機(jī)裝車(chē)，外運(yùn)，剩余土體在臺(tái)階法無(wú)法轉(zhuǎn)出時(shí)，采用長(zhǎng)臂挖機(jī)開(kāi)挖出基坑，小挖機(jī)在基坑內(nèi)配合；第三階段將東側(cè)支撐區(qū)域內(nèi)土方開(kāi)挖完畢。具體分為兩層開(kāi)挖：

①第一層土方開(kāi)挖

各區(qū)域由1臺(tái)PC220挖掘機(jī)開(kāi)挖，開(kāi)挖的土體由挖掘機(jī)倒到基坑外后由裝車(chē)外運(yùn)。

②第二層土方開(kāi)挖

待第一層土方開(kāi)挖完畢后，采用拉馬槽的方式進(jìn)入基坑深處，再開(kāi)挖兩側(cè)反壓土，反壓土開(kāi)挖完成后立即架設(shè)鋼支撐。

土體開(kāi)挖平面及斷面詳見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 土體開(kāi)挖平面示意

圖4 土體開(kāi)挖剖面示意

3.1.2 支護(hù)方案

1號(hào)異型風(fēng)亭基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ 600@900鉆孔灌注樁內(nèi)支撐采用首道混凝土支撐+第二道鋼支撐，其中標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度約10.31m，圍護(hù)樁插入深度約5.40m；集水井下沉段開(kāi)挖深度約13.26m，圍護(hù)樁插入深度約5.45m。

基坑支護(hù)詳見(jiàn)圖5。

圖5 第二道基坑支護(hù)圖

3.2 施工質(zhì)量控制

異型風(fēng)亭鄰近主體結(jié)構(gòu)，施工過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格把控圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系、土方開(kāi)挖的施工質(zhì)量，具體控制方法如下。

①基坑開(kāi)挖過(guò)程及時(shí)進(jìn)行基坑支護(hù)，減少暴露時(shí)間，同時(shí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)支撐施工嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，過(guò)程中做好對(duì)圍護(hù)樁與鋼、混凝土結(jié)構(gòu)支撐質(zhì)量檢查工作。

②異型基坑開(kāi)挖嚴(yán)格執(zhí)行“分塊、分層、平衡、限時(shí)”四個(gè)要點(diǎn)，施工遵循“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的原則，確?；娱_(kāi)挖安全，減少和控制地面沉降變形；在施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)指導(dǎo)下，基坑施工要求“快挖土、快支撐、快回筑”，以減少基坑暴露時(shí)間，以免風(fēng)化巖遇水軟化，降低基坑穩(wěn)定性。此外，各施工工序編制明確，施工程序和操作細(xì)則嚴(yán)格按規(guī)程操作。

地層力學(xué)參數(shù)表 表1

③風(fēng)亭異型基坑設(shè)有一道混凝土支撐與一道鋼支撐，鋼支撐架設(shè)過(guò)程，應(yīng)對(duì)混凝土支撐進(jìn)行質(zhì)量檢查，由于鋼支撐存在預(yù)應(yīng)力，混凝土支撐質(zhì)量缺陷對(duì)其軸力影響更為明顯。如圍護(hù)結(jié)構(gòu)或周邊環(huán)境變形值較大（出現(xiàn)報(bào)警值），立即對(duì)變形大的測(cè)點(diǎn)左右約一倍坑深影響范圍內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)支撐，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，附加比設(shè)計(jì)規(guī)定的軸力再大10%的支撐力?；娱_(kāi)挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后立即施作墊層封閉基底，盡快地按設(shè)計(jì)澆筑混凝土結(jié)構(gòu)，建立永久的平衡；減少基坑暴露時(shí)間。

4 基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特性數(shù)值分析

4.1 數(shù)值建模

采用大型有限元軟件Midas GTS對(duì)此異型風(fēng)亭基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析?；谑ゾS南原理及現(xiàn)有研究文獻(xiàn)表明，基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w的影響范圍大致為3～5倍開(kāi)挖寬度，3倍開(kāi)挖深度。取土體邊界長(zhǎng)為340m，寬為180m，深度為75m。整體模型網(wǎng)格如圖5。邊界條件為土體模型側(cè)面約束法向位移，底部約束為三個(gè)方向的位移。

圍護(hù)樁采用等剛度原則等效為地下連續(xù)墻。

土的本構(gòu)模型采用修正摩爾—庫(kù)倫模型，圍護(hù)樁，鋼支撐，混凝土支撐，格構(gòu)柱，鋼圍檁，抗拔樁，主體結(jié)構(gòu)中的柱均采用梁?jiǎn)卧M，擋土墻和主體結(jié)構(gòu)采用板單元來(lái)模擬，土體采用實(shí)體單元模擬。

4.2 計(jì)算工況

針對(duì)本工程開(kāi)挖方案，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其開(kāi)挖方式簡(jiǎn)化為分層開(kāi)挖，以研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，具體模擬工況見(jiàn)表2。

計(jì)算模擬工況 表2

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

由于異型風(fēng)亭施工前車(chē)站主體結(jié)構(gòu)已施工完成，重點(diǎn)對(duì)風(fēng)亭結(jié)構(gòu)本身的變形狀態(tài)進(jìn)行分析。圖6～圖8分別為異型風(fēng)亭開(kāi)挖完成時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移、巖土沉降及支撐體系軸力計(jì)算結(jié)果。

圖6 有限元模型

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移云圖

圖8 土體沉降云圖

圖9 內(nèi)支撐軸力云圖

計(jì)算結(jié)果表明，基坑開(kāi)挖結(jié)束后，圍護(hù)樁變形呈兩端小、中部大趨勢(shì)，其中南北側(cè)樁側(cè)移值較西側(cè)樁側(cè)移稍大，峰值為6.5mm，深度位于5m處；地表沉降位移隨遠(yuǎn)離基坑距離先增大后減小趨勢(shì)，且南、北、西側(cè)工后沉降計(jì)算值相差不大，峰值為5mm，峰值點(diǎn)距離基坑約5m；內(nèi)支撐軸力結(jié)果表明，混凝土支撐內(nèi)力較鋼支撐稍小，約28，鋼支撐軸力峰值約48t，計(jì)算變形與內(nèi)力均低于設(shè)計(jì)許用值。認(rèn)為采用的支護(hù)方案與施工工藝能夠滿足施工安全與穩(wěn)定性要求。

5 實(shí)施效果

5.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

工程監(jiān)測(cè)對(duì)象的選擇應(yīng)滿足工程支護(hù)結(jié)構(gòu)安全和周邊環(huán)境保護(hù)的要求。史河路站主體結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)對(duì)象有：圍護(hù)樁測(cè)斜、內(nèi)支撐軸力及周邊地表沉降。

由于異型風(fēng)亭基坑深度較大且周邊環(huán)境復(fù)雜，施工監(jiān)測(cè)工作十分重要?；颖眰?cè)埋設(shè)樁測(cè)斜管4個(gè)（編號(hào)ZQT-6～ZQT-9），南側(cè)埋設(shè)樁測(cè)斜管4個(gè)（編號(hào)ZQT-1～ZQT-4），西側(cè)一個(gè)埋設(shè)樁測(cè)斜管1個(gè)（編號(hào)ZQT-5）；地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)為西南側(cè)布設(shè)3處（編號(hào)DBC-1～DBC-3）、西側(cè) 2處（編號(hào) DBC-4～DBC-5）、北側(cè) 4處（編號(hào) DBC-6～DBC-9），其中每處沉降監(jiān)測(cè)位置取5個(gè)測(cè)點(diǎn)。對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和深度較大位置鋼支撐進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，風(fēng)亭東側(cè)鄰近車(chē)站主體，無(wú)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)頻率選擇1次/(1～3天)，若出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常（如變形、應(yīng)力急劇增大）或趨近預(yù)警值時(shí)，增大監(jiān)測(cè)頻率。異型風(fēng)亭測(cè)點(diǎn)布置詳見(jiàn)圖10。

異型風(fēng)亭監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)較多，數(shù)據(jù)分析選取基坑南、北及西側(cè)各一處（該側(cè)位移監(jiān)測(cè)位置）：圍護(hù)樁側(cè)移測(cè)點(diǎn)取ZQT-2、ZQT-5與ZQT-8；沉降測(cè)點(diǎn)取DBC-2、DBC-5與DBC-8。

圍護(hù)樁測(cè)點(diǎn) ZQT-2、ZQT-5與ZQT-8監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖10～圖12。

圖10 異型風(fēng)亭監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

圖11 測(cè)點(diǎn)ZQT-5樁體側(cè)移曲線

圖12 測(cè)點(diǎn)DBC-2樁體側(cè)移曲線

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，施工開(kāi)挖階段圍護(hù)樁側(cè)移變形呈兩頭小，中部大趨勢(shì)，隨基坑開(kāi)挖深度增大，變形整體增大而趨勢(shì)基本不變，峰值點(diǎn)位于基坑開(kāi)挖深度2/5處（6m深處），其中累計(jì)側(cè)移值結(jié)果：測(cè)點(diǎn) ZQT-2為 4.3mm，ZQT-5為3.2mm，ZQT-8為4.4mm，變形遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)許用值；沉降位移在開(kāi)挖前期無(wú)明顯規(guī)律，且位移值總體較小，后期鄰近基坑測(cè)點(diǎn)處位移明顯增大，遠(yuǎn)離基坑側(cè)位移驟減，累計(jì)側(cè)移值結(jié)果：測(cè)點(diǎn)DBC-2為 6.8mm，DBC-5為 6.9mm，DBC-8為6.8mm，變形遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)許用值。綜上，采用設(shè)計(jì)方案有效減小基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近環(huán)境的不利影響。

圖13 測(cè)點(diǎn)DBC-5樁體側(cè)移曲線

圖14 測(cè)點(diǎn)DBC-8樁體側(cè)移曲線

5.2 監(jiān)測(cè)與計(jì)算數(shù)據(jù)比對(duì)

模擬、監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比顯示，工后圍護(hù)樁側(cè)移變形及鄰近基坑地表沉降峰值基本吻合，針對(duì)異型基坑所設(shè)計(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與施工方法，數(shù)值模擬可以較好的預(yù)測(cè)工后結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)，且根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，各數(shù)據(jù)值均遠(yuǎn)小于允許值，結(jié)構(gòu)有較高的安全儲(chǔ)備。

6 結(jié)論

以合肥某異型風(fēng)亭基坑工程為依托，介紹了圍護(hù)-支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方案。并采用有限元模擬結(jié)合工程監(jiān)測(cè)手段，對(duì)設(shè)計(jì)圍護(hù)-支撐結(jié)構(gòu)受力變形特性進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

數(shù)值分析與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表 表3

基坑開(kāi)挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形兩頭相對(duì)中部較小，峰值點(diǎn)位于基坑挖深約2/5處（6m/14m），累計(jì)側(cè)移峰值小于5mm；開(kāi)挖前期沉降位移無(wú)明顯規(guī)律，后隨基坑開(kāi)挖位移明顯增大，遠(yuǎn)離基坑側(cè)位移驟減，累計(jì)位移峰值小于7mm；工后支撐內(nèi)力，混凝土撐軸力較鋼支撐小，約為1:2關(guān)系。