上軟下硬地層地鐵車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王兆亮 孫圣

摘 要：深基坑工程是一項(xiàng)具有綜合性、復(fù)雜性和不確定性等特點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)性極大的工程。設(shè)計(jì)失誤是造成基坑事故的主要原因，基坑工程一旦發(fā)生事故，將危害人民生命安全，嚴(yán)重?fù)p害國家經(jīng)濟(jì)，對社會產(chǎn)生不良影響。本文依托沿海地區(qū)某上軟下硬地鐵車站深基坑工程實(shí)例，綜合考慮周邊環(huán)境對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值方法模擬基坑開挖與支護(hù)，數(shù)值分析結(jié)果表明，上軟下硬地層地鐵車站深基坑采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)方案安全可行。

關(guān)鍵詞：深基坑;支護(hù)結(jié)構(gòu);數(shù)值模擬

中圖分類號：TU473? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）02-0146-03

為緩解城市交通壓力，保障民生基本需求，出現(xiàn)了大量的軌道交通項(xiàng)目，使得地鐵車站深基坑工程日趨增多[1]。研究表明，設(shè)計(jì)失誤是造成基坑事故的主要原因[2]，車站深基坑工程一旦發(fā)生事故，將危害人民生命安全，嚴(yán)重?fù)p害國家經(jīng)濟(jì)，對社會產(chǎn)生不良影響[3]。本文依托沿海地區(qū)某地鐵車站深基坑工程實(shí)例，綜合考慮周邊環(huán)境以對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值方法模擬基坑開挖與支護(hù)，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。

1 工程概況

該基坑位于城市道路交叉口，周邊建筑物密集，交通流量較大，且地下管線較多，基坑安全等級為1級[4]?；娱L210m，深17.5m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為19.9m?；铀鶎俚孛矠楹闆_擊平原地貌，場區(qū)地形平坦，從上而下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、粗礫砂、粗砂、風(fēng)化安山巖，屬于典型的上軟下硬地層。地勘報(bào)告顯示，地下水為第四系孔隙水和基巖裂隙水。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

綜合考慮基坑尺寸、周邊環(huán)境、水文地質(zhì)條件，基坑采用圍護(hù)樁加內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式[4]。圍護(hù)樁為鉆孔灌注樁，樁直徑為1m，樁間距為1.4m，嵌固深度為7.5m，圍護(hù)樁抗彎承載力設(shè)計(jì)值為3843kN·m，抗壓承載力設(shè)計(jì)值為23550kN[5]。基坑采用坑內(nèi)降水方式，坑內(nèi)地下水位降低到坑底下1 m位置。圍護(hù)樁外側(cè)采用水泥土攪拌樁墻（SMW）止水，水泥土攪拌墻直徑0.85m，間距0.6m，并插一跳一布設(shè)H型鋼。

基坑沿豎向設(shè)置三層內(nèi)支撐：第一道采用0.8×0.8m的混凝土內(nèi)支撐，水平間距為12m，最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值為946kN;第二、三道內(nèi)支撐采用雙拼鋼管支撐，鋼管直徑為0.609m，厚0.016m，水平間距為4m，最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值分別為1108kN和1701kN。腰梁采用56a雙拼工字鋼。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果分析

基于數(shù)值方法建立基坑開挖三維模型，將基坑內(nèi)力和變形與規(guī)范[6]進(jìn)行比較，以分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果。

3.1 基坑數(shù)值模型建立

為降低邊界效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，基坑邊界到邊界的距離約3～4倍H（H為基坑開挖深度），模型尺寸取X×Y×Z為150m×12m×80m[5-6]。模型側(cè)面限制其水平方向位移，底面為固定邊界條件，上邊面為自由邊界，計(jì)算模型見圖1。

土體、SMW墻、圍護(hù)樁、冠梁均采用實(shí)體單元（Zone 單元）模擬，內(nèi)支撐采用梁單元（Beam 單元）模擬。模型中地下連續(xù)墻和土體之間的相互作用采用地下連續(xù)墻側(cè)面和底面的接觸面（Interface）實(shí)現(xiàn)，內(nèi)支撐和圍護(hù)樁直接的相互作用則采用連接（Link）實(shí)現(xiàn)。通過襯砌單元（Shell 單元）模擬基坑內(nèi)側(cè)網(wǎng)噴混凝土層。

基坑開挖是土體卸荷的過程，Mohr-Coulomb模型所需參數(shù)少，且計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測結(jié)果比較接近，因此，采用土體采用摩爾庫倫進(jìn)行模擬，彈性模型實(shí)現(xiàn)TRD墻、圍護(hù)樁、冠梁及內(nèi)支撐的模擬，具體參數(shù)見表1。

根據(jù)實(shí)際施工過程，基坑開挖模擬共分為9個分析步：①初始地應(yīng)力平衡;②施作地下連續(xù)墻和冠梁;③開挖至-1.8 m;④施作第一道內(nèi)支撐;⑤土體開挖至-8.2 m;⑥架設(shè)第二道鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力;⑦土體開挖至-13.2 m;⑧施作第三道鋼支撐;⑨土體開挖至-17.5 m。

3.2? 基坑安全性分析

圖2為基坑開挖完成后地層豎向位移云圖，由圖2看出，基坑開挖完成后模型豎向最大位移出現(xiàn)在基坑壁后7.5m位置，最大沉降為7.97mm，均表現(xiàn)為沉降，且沉降值遠(yuǎn)小于規(guī)范[6]要求。

圖3為基坑的深層水平位移，其中圖3（a）為不同施工步下圍護(hù)樁的深層水平位移，圖3（b）為基坑開挖結(jié)束后圍護(hù)樁、樁間土和SMW墻深層水平位移。由圖看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形呈“復(fù)合式”變形模式[8]，隨著坑內(nèi)土體的開挖，圍護(hù)樁的深層水平位移不斷增大，基坑開挖結(jié)束后，圍護(hù)樁的水平位移達(dá)到最大，最大值僅為8.4mm，位于地表以下9.2m位置，遠(yuǎn)小于0.15H，且小于30mm[7]。樁間土和SMW墻變形模式與圍護(hù)樁相同，且相同深度位置，SMW墻和樁間土體的水平位移雖略大于圍護(hù)樁水平位移，但最大水平位移均小于10mm，滿足規(guī)范要求[7]。

圖4為圍護(hù)樁的彎矩和軸力圖，彎矩以圍護(hù)樁內(nèi)側(cè)受拉為負(fù)，軸力以圍護(hù)樁受壓為負(fù)。由圖4看出，圍護(hù)樁最大負(fù)彎矩為1.7MN·m，位于地下-8.7m位置，最大正彎矩為2.6MN·m，均小于抗彎承載力設(shè)計(jì)值;圍護(hù)樁最大軸力為943kN，圍護(hù)樁豎向均表現(xiàn)為受壓，小于抗壓承載力設(shè)計(jì)值23550kN。

圖5為基坑開挖完成后內(nèi)支撐軸力云圖，以內(nèi)支撐受壓力為負(fù)。由圖看出，第一道內(nèi)支撐軸力806kN，小于混凝土支撐軸力標(biāo)準(zhǔn)值946kN;第二道內(nèi)支撐軸力為550kN，小于軸力標(biāo)準(zhǔn)值1108kN;第三道內(nèi)支撐軸力為218.8kN，小于軸力標(biāo)準(zhǔn)值1108kN。

綜上所述，基坑圍護(hù)樁變形和地表沉降均小于規(guī)范值[6]，圍護(hù)樁和內(nèi)支撐內(nèi)力均滿足設(shè)計(jì)要求，因此，基坑設(shè)計(jì)方案安全可行。

4 結(jié)論

基于數(shù)值方法，建立了地鐵車站深基坑三維模型模擬基坑全過程施工，數(shù)值結(jié)果表明，上軟下硬地層地鐵車站深基坑采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)方案安全可行，可為類似地層深基坑設(shè)計(jì)提供借鑒。

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