南寧某地鐵隧道風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與評價

康亞樂

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室，陜西 西安 710043)

0 引 言

隨著城市化的不斷發(fā)展以及城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，軌道交通建設(shè)速度也逐步加快。區(qū)間風(fēng)井作為地鐵長區(qū)間的重要設(shè)計內(nèi)容，在隧道埋深通常較深的情況下，不可避免地面臨深基坑的開挖與支護(hù)。

地鐵深基坑不僅自身建設(shè)風(fēng)險等級高，且對周圍居民樓、道路、管線、管廊等既有市政設(shè)施的安全均有重大影響[1-2]，因此對深基坑支護(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[3-6]?，F(xiàn)階段對深基坑的研究手段主要分為數(shù)值仿真法[7-9]與現(xiàn)場實測分析法[10-11]兩類。相較于現(xiàn)場實測分析法，數(shù)值仿真法可系統(tǒng)地分析同一工程項目不同工況、設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，已被研究學(xué)者廣泛用于相關(guān)研究之中。目前針對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是通過理正深基坑支護(hù)設(shè)計軟件模擬各開挖工況，進(jìn)行基坑變形控制和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，模擬過程中以構(gòu)件斷面的受力平衡作為計算依據(jù)。然而，典型的連續(xù)墻聯(lián)合支撐體系會形成一個整體結(jié)構(gòu)，在抵抗外荷載時具有明顯的整體效應(yīng)，這在傳統(tǒng)設(shè)計方法中并未體現(xiàn)。此外，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論經(jīng)過了由剛性階段、彈性結(jié)構(gòu)階段、連續(xù)介質(zhì)階段到目前的現(xiàn)代支護(hù)理論階段的發(fā)展過程。對于深基坑而言，由于巖體應(yīng)力較大，圍巖土體會與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，并產(chǎn)生共同變形[12-13]，此時作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載必然要在計算的土壓力以及荷載的基礎(chǔ)上折減。相比之下，傳統(tǒng)方法設(shè)計結(jié)果必然會造成一定浪費(fèi)。因此，針對深基坑，對傳統(tǒng)方法設(shè)計結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化顯得非常必要。

本文以南寧市軌道交通某區(qū)間風(fēng)機(jī)房風(fēng)井圍護(hù)工程為例，對地下連續(xù)墻-內(nèi)支撐體系進(jìn)行研究，采用FLAC 3D有限差分?jǐn)?shù)值計算軟件對基坑進(jìn)行模擬，通過改變已設(shè)計的連續(xù)墻聯(lián)合內(nèi)支撐的斷面尺寸，分析空間整體受力情況、斷面內(nèi)力、圍巖變形以及不同墻厚和嵌固深度對墻體位移的影響等因素，優(yōu)化設(shè)計最終支護(hù)方案，并從安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行評價。

1 工程背景

本文依托工程為南寧市軌道交通工程某區(qū)間風(fēng)機(jī)房。該工程位于邕江以北綠地范圍，中心里程為YDK19+754.448(ZDK19+757.440)。主體豎井為地下5層結(jié)構(gòu)，外包尺寸為16.20 m×26.15 m，主體基坑深度約37.15 m；附屬部分為地下2層，外包尺寸為38.89 m×9.50 m，基坑深度約16.38 m，設(shè)置1組高風(fēng)亭。主體附屬基坑分別施工，本文中僅針對風(fēng)機(jī)房豎井主體深基坑開展圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

該工程所在場地范圍內(nèi)主要為第四系及古近系地層，包括填土層、黏性土層、圓礫層、古近系半成巖的泥巖、粉砂巖地層及炭質(zhì)泥巖。根據(jù)詳細(xì)勘察資料，場區(qū)內(nèi)巖土層的物理力學(xué)特征如表1所示。風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

表1 各土層的物理力學(xué)特性指標(biāo)Table 1 Physical and Mechanical Property Indexes of Each Layer of Soil

圖1 風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置Fig.1 Plane Layout of Air Shaft Enclosure Structure

本工點工程影響范圍內(nèi)的地下水主要為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水。根據(jù)南寧地區(qū)經(jīng)驗結(jié)合場地地形地貌、地下水補(bǔ)給、排泄條件、場坪標(biāo)高及防洪防內(nèi)澇水位研究專題等因素提供區(qū)間抗浮設(shè)防水位建議值為80.5 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中按照常水位進(jìn)行設(shè)計，填土層和圓礫層采用水土分算，黏性土層及泥巖層采用水土合算。

2 傳統(tǒng)設(shè)計方法及存在問題

根據(jù)工程特性、環(huán)境條件和設(shè)計原則及標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)機(jī)房結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，因基坑深，且所在地層透水性大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)按照地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐體系進(jìn)行設(shè)計。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用理正深基坑支護(hù)設(shè)計軟件FSPW7.0版本進(jìn)行計算及內(nèi)力分析。施工階段地面超載20 kPa，基坑安全等級為一級，基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)為地面最大沉降量s≤0.15%H(H為基坑深度)；最大水平位移s′≤0.20%H，且s′≤30 mm?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)計算模擬施工全過程，根據(jù)先開挖后支撐的實際情況，分階段進(jìn)行計算[14-15]。計算簡圖見圖2。

圖2 主體豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算簡圖Fig.2 Calculation Diagram of Main Shaft Enclosure Structure

計算過程及主要內(nèi)容包含：地下連續(xù)墻計算、支撐計算、冠梁及圍檁計算。計算原則如下：

(1)采用增量法計算連續(xù)墻各階段的內(nèi)力和位移，每階段的內(nèi)力或位移為前階段增量產(chǎn)生的所有內(nèi)力或位移之和與本階段增量產(chǎn)生的內(nèi)力、位移分別疊加的值[16]。

(2)根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)所述的彈性支點法，采用以桿系有限元為原理的理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析軟件(FSPW 7.0)計算，支撐在計算中以鉸支桿單元考慮?；觾?nèi)側(cè)土對圍護(hù)的作用采用一系列彈簧模擬，水平向基床系數(shù)按m法確定。

(3)支撐設(shè)置時根據(jù)附近建筑物、管線等情況在施工設(shè)計時酌情考慮支撐施加預(yù)應(yīng)力。

(4)根據(jù)FSPW7.0計算內(nèi)力對混凝土支撐、冠梁、圍檁等配筋。

經(jīng)過計算，設(shè)計的風(fēng)機(jī)房主體豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 200 mm厚地下連續(xù)墻與6道內(nèi)支撐支護(hù)體系。第1道支撐為鋼筋混凝土支撐，間距3.5 m；第2，3道支撐采用鋼支撐，間距2 m；第4，5，6道支撐為鋼筋混凝土支撐，間距3.5 m。支撐及圍檁截面尺寸見表2，支撐平面布置見圖3，考慮到施工效率，基坑兩側(cè)連續(xù)墻采用相同配筋，見圖4。計算最大水平位移為23.07 mm，計算最終沉降為26 mm。

表2 支撐截面尺寸Table 2 Section Dimensions of Supports

圖3 支撐平面布置(單位:m)Fig.3 Plane Layout of Supports (Unit:m)

圖4 原設(shè)計連續(xù)墻配筋Fig.4 Reinforcement of Continuous Wall in Original Design

根據(jù)施工過程沉降和基坑內(nèi)最大水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)，基坑長邊中點斷面實測最大水平位移為13.31 mm，實測最終沉降為-5.04 mm，見圖5。實測最大水平位移和沉降均明顯小于傳統(tǒng)設(shè)計計算值。究其原因為，在本工程實例中，深基坑支護(hù)設(shè)計采用理正深基坑二維斷面計算，無法考慮整體作用。典型的連續(xù)墻聯(lián)合支撐體系會形成一個整體結(jié)構(gòu)，在抵抗外荷載時具有明顯的整體效應(yīng)，這在傳統(tǒng)設(shè)計方法中并未體現(xiàn)[17-19]。本案例基坑深，平面尺寸小，二維斷面計算荷載偏大，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻厚度比較厚，嵌固深度也比較大，繼而導(dǎo)致內(nèi)支撐軸力大，不得不采用大尺寸混凝土支撐。支撐兩端的圍檁結(jié)構(gòu)同樣采用較大截面的混凝土結(jié)構(gòu)，且配筋均比較大。

圖5 基坑最大水平位移與沉降量Fig.5 Maximum Horizontal Displacement and Settlement of Foundation Pit

此外，深基坑支護(hù)設(shè)計中，圍巖土體會與支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共同變形，在計算時水平土壓力可適當(dāng)折減。對于該風(fēng)井結(jié)構(gòu)類似的深基坑，由于基坑長寬尺寸接近，且基坑深度遠(yuǎn)大于平面尺寸，土體空間效應(yīng)明顯，水平土壓力可大幅折減，從而可對地連墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3 數(shù)值模擬分析及優(yōu)化

3.1 數(shù)值計算模型

借助FLAC 3D有限差分?jǐn)?shù)值計算軟件，構(gòu)建如圖6所示的深基坑開挖支護(hù)模型，模型尺寸與基坑尺寸一致，為16.20 m×26.15 m×37.15 m。在保證計算精度和減小邊界影響的同時，提高分析效率，模型計算范圍在基坑周側(cè)各取基坑尺寸的3倍。計算區(qū)域的上邊界為自由邊界，表征地表面；下邊界承受固定位移約束；四周邊界承受法向固定約束。

圖6 數(shù)值計算模型Fig.6 Numerical Calculation Model

由于各土層并非完全水平，且各層深度不同，但為計算方便，在本文模擬過程中合理簡化，各土層以平均厚度作為土層厚度。在數(shù)值模擬計算過程中，各土層及基巖的本構(gòu)關(guān)系均采用Mohr-Coulomb模型，開挖部分采用空模型，支撐采用Beam單元，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)按鋼筋混凝土選取參數(shù)，如表3所示，其他模型參數(shù)參照文獻(xiàn)[20]。

表3 材料性質(zhì)參數(shù)Table 3 Material Property Parameters

基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)為地面最大沉降量s≤0.15%H，最大水平位移s′≤0.20%H且s′≤30 mm。因此，在優(yōu)化計算時需要對地面土層豎向沉降以及基坑水平位移進(jìn)行監(jiān)測，若出現(xiàn)最大沉降量超過55.5 mm或水平位移超過30 mm時，即可認(rèn)為優(yōu)化結(jié)果不滿足安全需求。

3.2 模擬結(jié)果分析

運(yùn)用FLAC 3D模擬設(shè)計尺寸下的工況，分6步開挖深基坑。支護(hù)尺寸與設(shè)計尺寸一致，即地下連續(xù)墻厚度為1 200 mm，支撐支護(hù)體系按照表2取值。

在設(shè)計尺寸條件下，對深基坑進(jìn)行開挖支護(hù)模擬計算，圖7為最大水平方向位移云圖，可知計算的基坑水平位移最大值為18.582 mm。設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)長側(cè)中點，深度分別為0，6，12，18，24，30，36 m，將D1x(-7.3,1,37.15)，D2x(-7.3,1,31.15)，D3x(-7.3,1,25.15)，D4x(-7.3,1,19.15)，D5x(-7.3,1,13.15),D6x(-7.3,1,7.15),D7x(-7.3,1,1.15)作為水平位移監(jiān)測點，各監(jiān)測點在開挖過程中的水平位移見圖8。隨著逐步開挖，基坑各點位移數(shù)值呈階梯式上升；基坑內(nèi)部各點水平位移隨著深度的下降，先增大后減??；最大水平位移發(fā)生在埋深24 m附近。各監(jiān)測點水平位移均滿足基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 原設(shè)計水平方向位移云圖Fig.7 Displacement Nephogram of Horizontal Direction in Original Design

圖8 原設(shè)計水平監(jiān)測點位移Fig.8 Horizontal Displacements of Monitoring Points in Original Design

由計算結(jié)果可知，設(shè)計的基坑支護(hù)尺寸滿足安全條件且略有保守，可以適當(dāng)對設(shè)計尺寸進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的。因此，以地下連續(xù)墻厚度為變量進(jìn)行建模計算，得到各工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與最大沉降量，如表4所示。可見，1 200 mm墻厚模擬結(jié)果水平位移為17.65 mm，施工實測數(shù)據(jù)為13.31 mm，考慮勘察參數(shù)的保守和測量誤差的存在，模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)比較一致。

由表4可知，隨著地下連續(xù)墻厚度的減小，基坑最大水平位移與最大沉降量均不斷增加，但計算范圍內(nèi)的最大沉降量均小于50 mm， 在規(guī)范允許范圍內(nèi)，所以優(yōu)化設(shè)計參數(shù)由水平位移控制。地下連續(xù)墻厚度從1 200 mm減小至800 mm過程中基坑最大水平位移均小于30 mm。當(dāng)連續(xù)墻厚度小于800 mm時，基坑最大水平位移超過30 mm，不滿足基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)。此外，在地下連續(xù)墻厚度不小于800 mm時，除滿足基坑變形條件外，地連墻及內(nèi)部各構(gòu)件均滿足強(qiáng)度和變形要求。

表4 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果Table 4 Optimization Design Results

3.3 優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，基坑支護(hù)連續(xù)墻的厚度可由1 200 mm優(yōu)化至800 mm。優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力云圖見圖9。最大剪應(yīng)力位于圍護(hù)結(jié)構(gòu)長段的底部，讀取最大剪應(yīng)力，進(jìn)行地下連續(xù)墻截面配筋設(shè)計，見圖10。

圖9 優(yōu)化設(shè)計圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力云圖Fig.9 Nephogram of Maximum Shearing Stress of Enclosure Structure in Optimization Design

圖10 優(yōu)化設(shè)計連續(xù)墻配筋Fig.10 Reinforcement of Continuous Wall in Optimization Design

通過計算得單位截面內(nèi)混凝土縱向受力筋面積可減少22.36%。優(yōu)化設(shè)計縱向受力筋選擇直徑為32 mm的三級鋼筋，間距為200 mm。由于改變內(nèi)部橫向支撐對基坑水平位移影響較小，所以橫向支撐尺寸依然沿用原結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

4 優(yōu)化結(jié)果評價

4.1 安全性評價

為驗證優(yōu)化結(jié)果，再次采用FLAC 3D進(jìn)行建模計算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與第3.3節(jié)的優(yōu)化結(jié)果一致，即連續(xù)墻厚度改為800 mm，支撐結(jié)構(gòu)不改變。7個水平監(jiān)測點位置同第3.2節(jié)，8個沉降監(jiān)測點為圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部距長側(cè)中點0，1，2，3，4，5，6，7，8 m的位置[D1z(-8.1,0,37.15)，D2z(-9.1,0,37.15)，D3z(-10.1,0,37.15)，D4z(-11.1,0,37.15)，D5z(-12.1,0,37.15)，D6z(-13.1,0,37.15)，D7z(-14.1,0,37.15)，D8z(-15.1,0,37.15)]。開挖過程中，對各測點進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見圖11，12。與原設(shè)計結(jié)果類似，最大水平位移發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)埋深的中下部，最大沉降發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部長側(cè)的中點。在開挖支護(hù)的整個過程中，結(jié)構(gòu)最大水平位移與最大沉降量均滿足規(guī)范安全要求。

圖11 優(yōu)化設(shè)計水平監(jiān)測點位移Fig.11 Horizontal Displacement of Monitoring Points in Optimization Design

圖12 優(yōu)化設(shè)計沉降監(jiān)測點沉降Fig.12 Settlements of Monitoring Points in Optimization Design

4.2 經(jīng)濟(jì)性評價

根據(jù)優(yōu)化方案，進(jìn)一步計算地連墻混凝土、鋼筋制作及安放、挖土成槽、泥漿運(yùn)輸、土方外運(yùn)的工程量，見表5，并根據(jù)工程量與單價對各工程項目的費(fèi)用進(jìn)行計算，見圖13。

圖13 優(yōu)化前后各工程項目費(fèi)用對比Fig.13 Comparison of Project Cost in Original Design and Optimization Design

表5 優(yōu)化前后部分工程項目工程量對比Table 5 Comparison of Partial Project Quantities in Original Design and Optimization Design

由于優(yōu)化方案連續(xù)墻墻厚減小33.33%，縱向受力鋼筋面積減少22.36%，從而導(dǎo)致與之相關(guān)的工程費(fèi)用均大幅減少。羅列工程項目中，費(fèi)用減幅最小的項目是鋼筋制作及安放，為24.13%；費(fèi)用減幅最大的工程項目是挖土成槽，為34.53%。經(jīng)查閱施工資料，依照傳統(tǒng)設(shè)計方案該風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)總施工費(fèi)用為2 200萬元，若采用優(yōu)化設(shè)計方案，總費(fèi)用合計可減少272.24萬元，為現(xiàn)有總施工費(fèi)用的12.37%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié) 語

(1)傳統(tǒng)方法在設(shè)計深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時未充分考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性以及圍巖結(jié)構(gòu)的共同作用，計算結(jié)果偏于保守，會造成一定的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

(2)數(shù)值分析結(jié)果表明，與原設(shè)計支撐相比，優(yōu)化后的方案可使基坑地連墻厚度由1 200 mm減小至800 mm，縱向受力鋼筋面積減少22.36%。優(yōu)化后的設(shè)計方案完全滿足安全要求。

(3)采用優(yōu)化設(shè)計方案可使多項工程費(fèi)用大幅減少，總施工費(fèi)用可降低12.37%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。