地鐵深基坑等效地連墻受力變形機(jī)理數(shù)值模擬研究

田毛進(jìn)，常延峰，龍良宇，張騰奔，焦亞龍

（中鐵廣州工程局集團(tuán)深圳工程有限公司 廣州 511457）

0 緒論

隨著城市化建設(shè)的推進(jìn)，地下空間開發(fā)規(guī)模不斷發(fā)展壯大，地鐵車站是解決城市交通問題的重要方式。在城市中進(jìn)行地鐵車站的施工，對(duì)基坑位移及周邊建筑的沉降等條件的要求較為嚴(yán)格。同時(shí)，在繁華地段，在高壓線路等低凈空條件下，難以進(jìn)行地鐵深基坑地連墻的施工，影響施工進(jìn)度。廣州市某地鐵車站，在低凈空條件下，采用多段圓形鋼筋籠進(jìn)行分節(jié)吊裝施工，取代傳統(tǒng)地連墻鋼筋籠，形成等效地連墻。目前，仍未見有學(xué)者進(jìn)行等效地連墻的研究，而在傳統(tǒng)地連墻受力機(jī)理分析方面已較為成熟。孫長軍等人［1］依托北京地鐵14 號(hào)線某車站進(jìn)行地連墻受力變形研究，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，揭示了地連墻的受力變形規(guī)律；楊永文［2］采用有限元方法進(jìn)行軟土地區(qū)排樁墻與T型地連墻的數(shù)值分析，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性；秦會(huì)來等人［3］采用ABAQUS 建立超深地連墻數(shù)值模型，模擬分析不同施工階段下墻體的變形及對(duì)周邊土體的影響；李煒明等人［4］基于監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行異形基坑地連墻的受力研究，并總結(jié)其變形分布規(guī)律；胡堅(jiān)尉［5］采用有限元法方法建立預(yù)制預(yù)應(yīng)力地連墻數(shù)值模型，對(duì)比分析普通地連墻、先張法與后張法三種模型的受力變形規(guī)律，得出后張法能夠有效控制控制變形的結(jié)論，為該方法的推廣提供理論支撐；孟小偉［6］結(jié)合北京某地鐵工程的基坑實(shí)測數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了地連墻墻頂變形分布規(guī)律；黃衛(wèi)根等人［7］結(jié)合深圳地鐵某車站的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，對(duì)地連墻彎矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行反分析與安全評(píng)估；趙宇等人［8］采用MIDAS 建立狹長深基坑數(shù)值模型，模擬分析軟弱地層條件下深基坑的變形規(guī)律；唐福源等人［9］采用FLAC3D進(jìn)行深基坑支護(hù)參數(shù)的研究分析；李永華等人［10］采用能量法進(jìn)行深基坑內(nèi)支撐構(gòu)件的穩(wěn)定分析。

本文基于上述研究，采用MIDAS進(jìn)行等效地連墻受力變形數(shù)值研究，分析對(duì)比不同施工工況下傳統(tǒng)地連墻與等效地連墻的受力機(jī)理及變形規(guī)律，驗(yàn)證等效地連墻的有效性，為等效地連墻的工程應(yīng)用提供理論支撐。

1 等效地連墻原理及受力機(jī)理研究

1.1 等效地連墻原理

在低凈空條件下，地鐵車站深基坑地連墻成槽采用沖擊鉆打孔，2臺(tái)沖擊鉆機(jī)交替打孔，最后采取方捶修孔，孔與孔之間相連接形成一個(gè)槽段。根據(jù)工程造價(jià)、地層地質(zhì)條件及機(jī)械適用性等方面考慮，沖擊鉆機(jī)成孔完全滿足要求。

地連墻的鋼筋籠采用多段圓柱形鋼筋籠，形成等效地連墻（見圖1），在低凈空的特殊情況下，采用普通吊機(jī)進(jìn)行分節(jié)吊裝施工。吊裝施工過程中，分布式光纖傳感器采用邊吊裝邊布置的方法進(jìn)行，用于監(jiān)測等效地連墻的應(yīng)變變形情況。

圖1 等效地連墻原理Fig.1 Schematic of Equivalent Ground Connecting Wall

1.2 單幅等效地連墻受力機(jī)理研究

采用MIDAS 分別建立傳統(tǒng)地連墻模型和等效地連墻模型，如圖2 所示，在底部施加固端約束，模型頂端Y軸方向水平線上施加合力為-1 000 kN的荷載，進(jìn)行模型變形研究，初步分析等效地連墻及鋼筋籠的變形規(guī)律。

圖2 單幅地連墻模型Fig.2 Single Wall Model

地連墻與鋼筋籠位移云圖如圖3、圖4 所示，可知方形籠最大位移為-0.923 m，圓形籠最大位移為-0.323 07 m，在相同的受力條件下，圓形鋼筋籠相同位置的鋼筋變形小于方形鋼筋籠，這是由于圓形鋼筋籠的配筋強(qiáng)度較方形鋼筋強(qiáng)，保證等效地連墻的安全性。單幅地連墻的變形規(guī)律基本一致，其中，采用圓形鋼筋籠配筋的地連墻強(qiáng)度高于傳統(tǒng)地連墻。因此，在低凈空條件下，等效地連墻的配筋方式能夠滿足強(qiáng)度要求。

圖3 鋼筋籠位移云圖Fig.3 Cloud Diagram of Reinforcement Cage Displacement

圖4 地連墻位移云圖Fig.4 Displacement Nephogram of Diaphragm Wall

2 深基坑等效地連墻受力變形機(jī)理數(shù)值分析研究

2.1 深基坑數(shù)值模型建立

2.1.1 定義材料屬性

根據(jù)深井站工程項(xiàng)目土層參數(shù)定義有限元模型的材料屬性，土層參數(shù)如表1與表2所示。

表1 土層材料的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical Property Parameters of Soil Layer Materials

表2 土層材料的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Mechanical Property Parameters of Soil Layer Materials

2.1.2 建立幾何模型

結(jié)合實(shí)際工程，選取車站西端長59.5 m，寬23.3 m，基坑深20.3 m進(jìn)行二分之一模型的建立，所以確定該基坑模型尺寸為長120 m，寬75 m，高85 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，地連墻采用3D 實(shí)體單元，內(nèi)支撐、冠梁、腰梁采用1D 梁單元，地連墻中鋼筋采用1D 植入式桁架單元。

2.1.3 定義施工階段

在定義施工階段時(shí)，根據(jù)需求不同，采用滲流分析、滲流-邊坡耦合分析、固結(jié)分析、完全應(yīng)力-滲流耦合分析等幾種分析方式。

⑴初始應(yīng)力場分析：階段類型選為應(yīng)力，施加所有原狀土和圍護(hù)結(jié)構(gòu)，激活自重和邊界約束，同時(shí)對(duì)位移清零；

⑵工況1：（應(yīng)力）開挖到冠梁安裝點(diǎn)以下0.5 m處，安裝冠梁和第一道撐；

⑶工況2：（應(yīng)力）開挖到第一道腰梁安裝點(diǎn)以下0.5 m處，安裝腰梁和第二道撐；

⑷工況3：（應(yīng)力）開挖到第二道腰梁安裝點(diǎn)以下0.5 m處，安裝腰梁和第三道撐；

⑸工況4：（應(yīng)力）開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高，施工完成。

2.2 不同施工工況下兩種模型的基坑變形分析

工況1、工況4 基坑位移云圖分別如圖5、圖6 所示，在開挖過程中，模型整體土體位移基本變化一致。根據(jù)工況1～工況4 過程中y、z方向位移云圖，在施工進(jìn)行過程中，隨著開挖深度的逐漸加深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外土體的位移逐漸加大，向基坑偏移趨勢愈加明顯；同時(shí)從y方向位移云圖可知地連墻水平位移最大絕對(duì)值隨著開挖深度增加而下移，位于該開挖階段的底部，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量呈現(xiàn)兩端小中間大的分布規(guī)律，外側(cè)土體的水平位移最大絕對(duì)值逐漸遠(yuǎn)離圍護(hù)結(jié)構(gòu)。從z方向位移云圖可看出隨著開挖深度增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外圍的土體沉降量逐漸增加，且向水平方向和豎直方向的輻射范圍逐漸增大。經(jīng)過位移云圖分析，兩種模型在開挖過程中，水平和豎向位移變化趨勢基本保持一致，土體在自重的影響下對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響逐漸加大，位移逐漸增加，同時(shí)內(nèi)支撐支護(hù)使得上部土體和地連墻的水平位移限制，最大位移隨之下移。由此可看出，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了等效地連墻的可靠性。

圖5 深基坑工況1水平位移云圖Fig.5 Nephogram of Horizontal Displacement of Deep Foundation Pit under Working Condition 1

圖6 深基坑工況4水平位移云圖Fig.6 Nephogram of Horizontal Displacement of Deep Foundation Pit under Working Condition 4

在基坑開挖施工過程中，在土體自重作用下，基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生水平位移，隨著基坑開挖深度的增大，水平位移逐漸變化。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖如圖7所示，可知基坑開挖深度逐漸加深，地連墻兩側(cè)的土壓力差值也逐漸增大，墻體的水平位移也逐漸加大，最大水平位移逐漸加大而且位置不斷下移，兩模型位移變化趨勢保持一致，模擬結(jié)果合理。比較兩模型相同工況下水平位移云圖，可知相同工況、相同位置上，圓形鋼筋籠模型地連墻的水平位移小于方形鋼筋籠模型。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖Fig.7 Cloud Diagram of Horizontal Displacement of Enclosure Structure

工況1、工況4 的鋼筋籠軸力云圖如圖8 所示，進(jìn)

行對(duì)比分析，可以看出模擬開挖過程中，隨著開挖深度的增加鋼筋受力逐漸增大，且最大值和最小值位置均位于最新開挖階段的內(nèi)支撐支護(hù)水平線處，這是由于土體自重影響隨著基坑開挖逐漸增大，坑底支護(hù)的受力也逐漸增大。兩模型變化趨勢保持一致，因此兩模型建立合理，可進(jìn)行對(duì)比分析。從相對(duì)應(yīng)工況下鋼筋的受力云圖對(duì)比中可以看出，在同一工況下，圓形鋼筋籠同一位置的軸力最大值小于方形鋼筋籠，而且隨著開挖深度的增加，兩者差距就越明顯。同時(shí)，方向鋼筋籠兩側(cè)對(duì)稱布置鋼筋完全相反，而且差值較大，不利于地連墻的安全性考慮；而圓形鋼筋籠模型在水平上呈現(xiàn)圓形，只有靠近兩側(cè)的鋼筋受力差值較大，其余鋼筋依次排布靠近中軸線，整體受力在水平面上成階梯式分布，受力減小，受力較為合理，利于地連墻的安全。

3 結(jié)論

本文采用MIDAS GTS 有限元軟件進(jìn)行地鐵深基坑等效地連墻受力變形機(jī)理研究，分析不同工況下傳統(tǒng)地連墻與等效地連墻的受力變形規(guī)律；通過基坑變形云圖、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖以及鋼筋籠軸力對(duì)比，驗(yàn)證了等效地連墻的有效性；在相同條件下，等效地連墻的設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)地連墻，能夠?yàn)榛犹峁└玫膰o(hù)效果，為等效地連墻的工程應(yīng)用提供理論支撐。