超大異形深基坑支撐體系研究

劉銳，徐奎，儲(chǔ)朱敏 （中鐵四局集團(tuán)城市軌道交通工程分公司，安徽合肥230022）

0 前言

李欣等[1]采用Midas/GTS進(jìn)行了深基坑支護(hù)體系研究，結(jié)果表明對(duì)于深基坑采用雙環(huán)形內(nèi)支撐體系優(yōu)于單環(huán)形，14m深度采用兩道支撐可行，但對(duì)于支撐道數(shù)的設(shè)計(jì)，需要詳盡分析。田沛恒[2]通過有限元計(jì)算深基坑動(dòng)態(tài)施工過程，結(jié)果表明內(nèi)支撐體系存在空間效應(yīng)，在支撐平面布置時(shí)需要加強(qiáng)陽(yáng)角。陳昆等[3]通過ABAQUS對(duì)比了不同內(nèi)支撐體系對(duì)深基坑的變形影響，環(huán)梁內(nèi)支撐的支護(hù)效果優(yōu)于直梁。白曉宇等[4]通過有限元模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，探討得到對(duì)于青島地區(qū)基坑，圍護(hù)樁、鋼支撐與錨索結(jié)構(gòu)組成的支護(hù)體系能有效控制基坑變形，有很好的實(shí)用性。王巖[5]依托佳木斯市某深基坑，利用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬指出增大排樁樁長(zhǎng)能一定程度減小排樁變形和周圍土體沉降，但存在有效長(zhǎng)度，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮經(jīng)濟(jì)性。沈奕鋒[6]針對(duì)南京鼓樓區(qū)河西公共服務(wù)中心深基坑進(jìn)行支撐體系研究，結(jié)果表明鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)體系可以有效控制基坑變形，維持基坑穩(wěn)定。劉美麟[7]以天津地鐵6號(hào)線25個(gè)車站進(jìn)行了大量研究，指出改善內(nèi)支撐道數(shù)是控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與墻后地表最大沉降最有效的措施。繼之皓[8]通過數(shù)值計(jì)算分析了地震作用下環(huán)形支撐的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)構(gòu)表明采用環(huán)形內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)能對(duì)土體自由振動(dòng)產(chǎn)生一定的約束作用。劉建磊[9]模擬分析了排樁+內(nèi)支撐支護(hù)體系在基坑施工過程中的變形和內(nèi)力規(guī)律，指出內(nèi)支撐的截面對(duì)支撐內(nèi)力變化影響較弱，因此可以在保證工程安全的情況下，適當(dāng)調(diào)整第二層及第三層內(nèi)支撐的截面尺寸。李嵩[10]研究了深基坑組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用多個(gè)軟件進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，結(jié)果表明樁+撐+錨組合支護(hù)結(jié)果可以很好地應(yīng)用于成都膨脹土地區(qū)。

已有的研究表明，組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)比較適用于深大基坑，但是對(duì)于超大異形深基坑的支撐體系的研究還不足，因此本文依托船政文化城站進(jìn)行超大異形基坑支撐體系研究。

1 工程概況

船政文化城站位于馬尾區(qū)區(qū)內(nèi)港口路與君竹路交叉口，沿港口路東西向布置，車站總長(zhǎng)為202.2m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.3m，有效站臺(tái)長(zhǎng)度為118m，寬11m。地下三層島式車站，車站負(fù)一層為市政地道，兩端接市政地道；負(fù)二、三層為地鐵車站，負(fù)三層兩端接盾構(gòu)區(qū)間。車站小里程端為雙線盾構(gòu)始發(fā)，大里程端為雙線盾構(gòu)接收。如圖1～圖2所示，車站基坑主要采用明挖法施工車站基坑長(zhǎng)202.2m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.3m，基坑擴(kuò)大段寬24.2m，弧形基坑半徑40.8m，三層車站部分開挖深度為24.8m，弧形站廳部分開挖深度為18.5m。

圖1 船政中心站基坑平面示意圖

圖2 船政中心站基坑剖面示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

本文暫不考慮多基坑開挖的相互影響，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將大型基坑拆解為三個(gè)單獨(dú)基坑進(jìn)行支撐體系研究。采用GTS/NX進(jìn)行計(jì)算，土體本構(gòu)使用修正摩爾庫(kù)倫模型，考慮到結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸及邊界效應(yīng)的影響，模型尺寸分別為240m×寬 230m×高 75m、240m×寬230m×高75m和190m×寬180m×高75m，具體如圖3～圖5所示。設(shè)置工況一，其支撐結(jié)構(gòu)如圖6～圖8所示，小里程基坑采用樁+錨+內(nèi)撐組合結(jié)構(gòu)，計(jì)算中將樁等效為地連墻，圓形基坑采用地連墻+雙圓環(huán)內(nèi)撐組合結(jié)構(gòu)，大里程基坑采用地連墻+內(nèi)撐組合結(jié)構(gòu)，設(shè)置有地連墻作為支護(hù)的工況二為對(duì)照組。

圖3 小里程基坑模型

圖4 圓形基坑模型

圖5 大里程基坑模型

圖6 小里程基坑支撐體系模型

圖7 圓形基坑支撐體系模型

圖8 大里程基坑支撐體系模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

各層土體及結(jié)構(gòu)體參數(shù)取值見表1、表2。

土體參數(shù)表 表1

3 基坑變形分析

將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總并繪制位移曲線。小里程基坑、圓形基坑和大里程基坑各施工步下最大地表沉降、坑底隆起曲線如圖9～圖20所示。由圖9和圖11可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于小里程基坑，基坑開挖后，周邊地表沉降特征曲線趨勢(shì)呈現(xiàn)為先增大后減小的拋物線，這主要是因?yàn)殡S著基坑開挖深度增大，圍護(hù)樁后土壓力不斷地增大，樁外土體由于變形協(xié)調(diào)，從而使得周邊地表沉降表現(xiàn)出了拋物線形狀。盡管兩種工況的位移規(guī)律相近，但是產(chǎn)生的數(shù)值不同，工況一下的坑外地表最大沉降為1.51cm，工況二最大沉降為2.56，設(shè)置減小豎向位移41%，說明內(nèi)撐結(jié)構(gòu)、錨索錨桿等措施對(duì)于控制地表沉降有相當(dāng)?shù)姆e極作用。

圖9 小里程基坑坑外地表各施工步下豎向變形曲線

圖10 小里程基坑坑底各施工步下豎向變形曲線

圖11 對(duì)照組小里程基坑坑外地表各施工步下豎向變形曲線

圖12 對(duì)照組小里程基坑坑底各施工步下豎向變形曲線

圖13 圓形基坑坑外地表各施工步下豎向變形曲線

圖14 圓形基坑坑底各施工步下豎向變形曲線

圖15 對(duì)照組圓形基坑坑外地表各施工步下豎向變形曲線

圖16 對(duì)照組圓形基坑坑底各施工步下豎向變形曲線

圖17 大里程基坑坑外地表各施工步下豎向變形曲線

圖18 大里程基坑坑底各施工步下豎向變形曲線

圖19 對(duì)照組大里程基坑坑外地表各施工步下豎向變形曲線

圖20 對(duì)照組大里程基坑坑底各施工步下豎向變形曲線

由圖10和圖12可知，基坑開挖后，坑底土層均表現(xiàn)出了回彈變形。這主要是因?yàn)榛娱_挖導(dǎo)致卸載產(chǎn)生應(yīng)力釋放，并且隨著開挖深度增大，隆起值增大。盡管兩種工況的位移規(guī)律相近，但是產(chǎn)生的數(shù)值不同，有內(nèi)撐下的坑底隆起最大值為0.23cm，無內(nèi)撐工況最大隆起值為0.5cm，說明內(nèi)撐結(jié)構(gòu)、錨桿與錨索對(duì)于控制坑底隆起有一定作用。

由圖13和圖15可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于圓形基坑，基坑開挖后，周邊地表沉降特征曲線趨勢(shì)呈現(xiàn)為先增大后減小的拋物線，這主要是因?yàn)殡S著基坑開挖深度增大，圍護(hù)樁后土壓力不斷地增大，樁外土體由于變形協(xié)調(diào)，從而使得周邊地表沉降表現(xiàn)出了拋物線形狀。同樣地，盡管兩種工況的位移規(guī)律相近，但是產(chǎn)生的數(shù)值不同，工況一坑外地表最大沉降為0.4cm，工況二坑外地表最大沉降為1.32，內(nèi)撐結(jié)構(gòu)減小豎向位移70%，說明雙圓環(huán)內(nèi)撐結(jié)構(gòu)對(duì)于地表沉降有相當(dāng)?shù)募s束作用。

由圖14和圖16可知，基坑開挖后，坑底土層均表現(xiàn)出了回彈變形。這主要是因?yàn)榛娱_挖導(dǎo)致卸載產(chǎn)生應(yīng)力釋放，并且隨著開挖深度增大，隆起值增大。盡管兩種工況的位移規(guī)律相近，但是產(chǎn)生的數(shù)值不同，有內(nèi)撐下的坑底隆起最大值為0.5cm，無內(nèi)撐工況二最大隆起值為1.4cm，圓形基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)減小坑底隆起64%，說明內(nèi)撐結(jié)構(gòu)包括豎向立柱對(duì)于控制坑底隆起有很好的作用。

由圖17和圖19可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大里程基坑，同樣地，基坑開挖后，周邊地表沉降特征曲線趨勢(shì)呈現(xiàn)為先增大后減小的拋物線，這主要是因?yàn)殡S著基坑開挖深度增大，圍護(hù)樁后土壓力不斷地增大，樁外土體由于變形協(xié)調(diào)，從而使得周邊地表沉降表現(xiàn)出了拋物線形狀。盡管兩種工況的位移規(guī)律相近，但是產(chǎn)生的數(shù)值不同，工況一坑外地表最大沉降為1.51cm，工況二坑外地表最大沉降為4.27，內(nèi)撐結(jié)構(gòu)減小豎向位移65%，說明多道內(nèi)撐結(jié)構(gòu)對(duì)于控制基坑地表沉降有相當(dāng)?shù)淖饔谩?/p>

由圖18和圖20可知，基坑開挖后，同樣地，坑底土層均表現(xiàn)出了回彈變形。這主要是因?yàn)榛娱_挖導(dǎo)致卸載產(chǎn)生應(yīng)力釋放，并且隨著開挖深度增大，隆起值增大。盡管兩種工況的位移規(guī)律相近，但是產(chǎn)生的數(shù)值不同，有內(nèi)撐下工況一的坑底隆起最大值為1.1cm，無內(nèi)撐工況二最大隆起值為2.2cm，圓形基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)減小坑底隆起50%，說明內(nèi)撐結(jié)構(gòu)對(duì)于控制坑底隆起有較好的作用。

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

統(tǒng)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果并匯總為曲線圖，整理可得到各基坑各工況下支護(hù)樁（地連墻）水平變形曲線如圖21～圖26所示。三個(gè)基坑的支護(hù)樁（地連墻）都表現(xiàn)出了指向坑內(nèi)的水平變形，總體上隨著基坑開挖作業(yè)面的先增加再減小。三個(gè)基坑的支護(hù)樁（地連墻）最大變形發(fā)生在基坑開挖完成工況下，最大水平位移為分別為1.42cm、0.47cm和1.15cm。總體上相對(duì)變形（相對(duì)于基坑尺寸）較小。

圖21 小里程基坑邊墻各施工步下水平變形曲線

圖22 對(duì)照組小里程基坑各施工步下圍護(hù)樁變形曲線

圖23 圓形基坑各施工步下地連墻變形曲線

圖24 對(duì)照組圓形基坑各施工步下地連墻變形曲線

圖25 大里程基坑各施工步下地連墻變形曲線

圖26 對(duì)照組大里程基坑各施工步下地連墻變形曲線

由圖21和圖22可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于小里程基坑，工況一圍護(hù)樁的水平位移總體上隨著開挖深度增加再減小，位移出現(xiàn)減小不僅僅是因?yàn)槭艿絻?nèi)支撐與冠梁（腰梁）的約束，也跟深度有關(guān)，在基坑短邊深度10m處均出現(xiàn)最大水平位移，工況二的最大水平位移出現(xiàn)在基坑長(zhǎng)邊處的樁頂。工況一的最大水平位移為1.42cm，工況二的最大水平位移為3.2cm，內(nèi)撐結(jié)構(gòu)減小邊墻位移57%，說明對(duì)于控制邊墻位移，內(nèi)撐結(jié)構(gòu)、錨桿與錨索貢獻(xiàn)極大。

由圖23和圖24可知，對(duì)于圓形基坑，地連墻水平位移總體上隨著開挖深度增加再減小，位移出現(xiàn)減小不僅僅是因?yàn)槭艿絻?nèi)支撐與冠梁（腰梁）的約束，也跟深度有關(guān)，工況一在深度17m處均出現(xiàn)最大水平位移，工況二在深度13m處出現(xiàn)最大水平位移。工況一的最大水平位移為0.47cm，工況二的最大水平位移為1.3cm，內(nèi)撐結(jié)構(gòu)減小邊墻位移64%，說明對(duì)于控制邊墻位移，內(nèi)撐結(jié)構(gòu)是非常必要的，且本支護(hù)體系中雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)是作用明顯的。

由圖25和圖26可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大里程基坑，邊墻位移總體上隨著開挖深度增加再減小，位移出現(xiàn)減小不僅僅是因?yàn)槭艿絻?nèi)支撐與冠梁（腰梁）的約束，也跟開挖深度有關(guān)。工況一的最大水平位移為1.15cm，出現(xiàn)在短邊深度20m處，工況二的最大水平位移為4.76cm，出現(xiàn)在短邊深度13m處，內(nèi)撐結(jié)構(gòu)減小邊墻位移76%，說明對(duì)于控制邊墻位移，內(nèi)撐結(jié)構(gòu)是極有效的。

5 結(jié)論

本文采用大型有限元軟件MIDASGTS/NX，將船政中心基坑分為三個(gè)基坑進(jìn)行施工模擬計(jì)算，將深大基坑所使用的主流支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合分析，完成了基坑開挖施工動(dòng)態(tài)過程模擬，對(duì)比分析了基坑有無設(shè)計(jì)混合支護(hù)結(jié)構(gòu)組成的支撐體系的數(shù)值計(jì)算值，主要結(jié)論如下:

①小里程、圓形基坑和大里程基坑開挖后，周邊地表沉降特征曲線趨勢(shì)呈現(xiàn)為先增大后減小的拋物線，且隨著施工步驟增加而持續(xù)增大，這主要是因?yàn)殡S著基坑開挖深度增大，圍護(hù)樁后土壓力不斷地增大，樁外土體由于變形協(xié)調(diào)，從而使得周邊地表沉降表現(xiàn)出了拋物線形狀；

②小里程、圓形基坑和大里程基坑開挖后，坑底土層均表現(xiàn)出了回彈變形。這主要是因?yàn)榛娱_挖導(dǎo)致卸載產(chǎn)生應(yīng)力釋放，并且隨著開挖深度增大，隆起值增大，基坑坑底隆起隨著施工持續(xù)增大，表現(xiàn)出了動(dòng)態(tài)變化過程及時(shí)空效應(yīng)，因此在實(shí)際基坑工程中，應(yīng)減小基坑的暴露時(shí)間，及時(shí)支護(hù)，當(dāng)基坑開挖見底之后，應(yīng)盡快施工地板結(jié)構(gòu)，并在此期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，確保基坑安全；

③小里程、圓形基坑和大里程基坑開挖后，邊墻位移總體上隨著開挖深度增加再減小，總體上在基坑深度1/2處出現(xiàn)最大水平位移，位移的變化不僅受到內(nèi)支撐與冠梁（腰梁）影響，也跟開挖深度有關(guān)，基坑所采用的樁錨組合結(jié)構(gòu)、雙圓環(huán)支撐體系與內(nèi)撐結(jié)構(gòu)均能有效減少支護(hù)樁（地連墻）位移，并對(duì)其受力起到控制作用；

④小里程基坑采用的圍護(hù)樁+冠梁（腰梁）+內(nèi)撐+錨索+錨桿組合支撐結(jié)構(gòu)，圓形基坑采用的地連墻+雙環(huán)撐支護(hù)體系，大里程支撐采用的地連墻+內(nèi)撐結(jié)構(gòu)均有效控制了基坑開挖的坑外地表沉降和坑底隆起與邊墻位移，證明現(xiàn)場(chǎng)所使用的支護(hù)結(jié)構(gòu)是非常必要且作用明顯的。