某地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

□□ 卜 飛

(山西省勘察設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030000)

引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)是不可或缺的一部分，地鐵在城市建設(shè)中起著舉足輕重的作用。地鐵可緩解城市的交通壓力，改變?nèi)藗兊某鲂蟹绞?；其次，還可改變城市的格局，改變聚集區(qū)的位置；第三，還是城市風(fēng)格的表現(xiàn)與城市展示的窗口。地鐵車站的基坑一般較大而且比較深，如何選用造價低并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要。

近年來，國內(nèi)很多專家針對地鐵深基坑工程進(jìn)行了研究，謝錫榮等[1]通過大量的數(shù)學(xué)分析，總結(jié)提出了兩種預(yù)測支護(hù)樁水平位移的方案；張艷書等[2]通過數(shù)值模擬以及大量現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析對比得出軟土地區(qū)土層的地表沉降與基坑土層厚度的關(guān)系。本文以某地鐵深基坑為研究背景，結(jié)合基坑周邊環(huán)境及土層情況，通過理正軟件和ADINA軟件對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 工程概況

地鐵站位于哈爾濱市南通大街與宣化街交口處，其有效站臺長度為120 m，中心里程為SK13+597.436，車站結(jié)構(gòu)全長157.8 m。站體結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙跨雙層框架結(jié)構(gòu)，車站主體標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度約為14.5 m，寬為19.4 m，盾構(gòu)端頭井處開挖深度約為18 m，寬為29.8 m。共設(shè)3個出入口及2個風(fēng)亭，基坑土層信息見表1。

表1 巖土信息

1.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)

該車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁與鋼支撐的支護(hù)體系，標(biāo)準(zhǔn)段主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁徑為Φ800 mm，標(biāo)準(zhǔn)段樁中心距為1 300 mm鉆孔灌注樁，樁長為20.2 m，樁底穿過粉質(zhì)黏土層，插入中砂層中，兩端頭井采用中心距為1 200 mm鉆孔灌注樁，樁長為22.7 m，所有樁底穿過粉質(zhì)黏土層，進(jìn)入中砂層中。樁間采用Φ6@200×200鋼筋掛網(wǎng)，并噴射200 mm厚C20混凝土封閉找平，樁頂設(shè)冠梁(800 mm×1 000 mm)，冠梁上部采用10 cm厚網(wǎng)噴C20混凝土護(hù)坡。

車站內(nèi)支撐采用Φ609 mm，t為12 mm(第一道)及14 mm(第二、三道)鋼管支撐，在局部基坑跨度較大處設(shè)置內(nèi)格構(gòu)柱，第一道支撐設(shè)于冠梁處，其余兩道支撐通過水平鋼圍檁支撐在鉆孔灌注樁上，水平間距為4 m，如支撐與主體結(jié)構(gòu)中柱沖突，可適當(dāng)調(diào)整支撐的水平位置?；娱_挖具體情況見表2，計算簡圖如圖1所示。

表2 工況簡表

圖1 工程計算簡圖

1.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

通過理正巖土軟件計算[3-4]，在工況7時，分別提取支護(hù)樁的水平位移、彎矩以及剪力的計算結(jié)果，繪制計算結(jié)果包絡(luò)圖，如圖2所示。

圖2 包絡(luò)圖(水土分算,矩形荷載)

由圖2可以看出，支護(hù)樁的水平位移呈現(xiàn)的是兩端小中間大，在距離樁頂8 m和13 m處出現(xiàn)了樁身水平位移的最大值4.9 mm。樁身的彎矩在-272.8～385.5 kN·m范圍內(nèi)，其中彎矩最大值發(fā)生在距離樁頂8 m和13 m處，顯然樁的水平位移最大處和彎矩最大處是樁的同一位置。樁身的剪力在-284.9～380.3 kN范圍內(nèi)，其中剪力最大值發(fā)生在鋼支撐處，在第三道鋼支撐處剪力最大，其值為380.3 kN。

1.3 基坑施工

車站采用明挖順作法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁、樁間網(wǎng)噴、預(yù)應(yīng)力鋼支撐。車站土方開挖主要采用“縱向分段，豎向分層，中部拉槽”的方法?；邮┕ぶёo(hù)充分考慮土的時空效應(yīng)，支撐隨挖隨撐，快挖快撐。結(jié)合誘導(dǎo)縫及設(shè)計要求，每段長度控制在15～20 m之間。車站分為8個流水作業(yè)段從東向西進(jìn)行土方開挖及結(jié)構(gòu)施工。

鋼支撐采用Φ609鋼管(壁厚12 mm、14 mm)，為保證其加工質(zhì)量，特在鋼管廠內(nèi)定做，分批加工并運到現(xiàn)場。鋼圍檁采用分批進(jìn)鋼板、工型鋼和角鋼在施工現(xiàn)場進(jìn)行加工。鋼支撐在現(xiàn)場組裝成型，根據(jù)土方進(jìn)度采用龍門吊進(jìn)行安裝。

車站土方開挖根據(jù)結(jié)構(gòu)施工劃分的區(qū)段，從基坑盾構(gòu)端頭井開始，從東向西倒退開挖，各段開挖由內(nèi)馬道出土。馬道寬度為7～8 m，坡度為20°，坡道兩側(cè)放坡1∶0.75，保證坡面穩(wěn)定。馬道收土?xí)r采用兩臺挖掘機(jī)接力倒土，并盡量加大馬道土方的收土，最后剩余土方采用長臂挖掘機(jī)配合龍門吊出土并裝車外運。

2 數(shù)值模擬

根據(jù)工程情況以及計算結(jié)果繪制出支護(hù)結(jié)構(gòu)施工圖如圖3所示。由于地鐵工程基坑較深并且影響較大，所以采用有限元軟件ADINA對基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，其模擬過程與計算過程相同，共分7個過程，3 D模型如圖4所示。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工圖

圖4 基坑3D模型圖

模型中土層采用3D-solid單元，支護(hù)樁和鋼支撐采用beam單元，工況采用生死單元設(shè)置[5]。

2.1 樁身位移分析

在模型中提取后處理結(jié)果，根據(jù)7個工況內(nèi)樁身的水平位移和樁身的位置繪制樁的水平位移曲線圖，如圖5所示。

圖5 支護(hù)樁水平位移曲線圖

由圖5可以看出，樁身水平位移在7個工況的時間內(nèi)樁身的水平位移是在逐漸增大的。在工況1中樁身水平位移最大值為1.34 mm，發(fā)生在距離樁頂5 m處；在工況2中樁身水平位移最大值為1.98 mm，發(fā)生在距離樁頂6 m處；在工況3中樁身水平位移最大值為3.1 mm，發(fā)生在距離樁頂7 m處；在工況4中樁身水平位移最大值為3.98 mm，發(fā)生在距離樁頂8 m處；在工況5中樁身水平位移最大值為5.21 mm，發(fā)生在距離樁頂8.2 m處；在工況6中樁身水平位移最大值為6.32 mm，發(fā)生在距離樁頂9.5 m處；在工況7中樁身水平位移最大值為7.41 mm，發(fā)生在距離樁頂10 m處。

2.2 地表沉降分析

在模型中提取后處理結(jié)果，分別根據(jù)4次開挖的數(shù)據(jù)，提取地表的沉降值，根據(jù)地表沉降的數(shù)值與距離基坑的遠(yuǎn)近距離繪制相應(yīng)的數(shù)值曲線如圖6所示。

圖6 地表沉降曲線圖

由圖6不難看出，地表沉降在逐漸增大，距離基坑由近及遠(yuǎn)地表沉降曲線呈現(xiàn)凹型[6-8]。在第1次開挖的時候地表最大沉降出現(xiàn)在距離基坑16.2 m處，其值為-15.67 mm，在基坑附近出現(xiàn)了基坑隆起；在第2次開挖的時候地表最大沉降出現(xiàn)在距離基坑17.4 m處其值為-19.84 mm，在基坑附近出現(xiàn)了基坑隆起；在第3次開挖的時候地表最大沉降出現(xiàn)在距離基坑17.6 m處其值為-23.98 mm，在基坑附近出現(xiàn)了基坑隆起。在第4次開挖的時候地表最大沉降出現(xiàn)在距離基坑17.9 m處其值為-30.35 mm，在基坑附近出現(xiàn)了基坑隆起。

2.3 樁彎矩分析

在模型中提取后處理結(jié)果，分別根據(jù)4次開挖的數(shù)據(jù)，提取樁身彎矩，繪制相應(yīng)的數(shù)值曲線如圖7所示。

從圖7樁彎矩分析中可以看出，當(dāng)工程開挖時各工況的彎矩值情況見表3。

表3 工程開挖時各工況的彎矩值情況

圖7 支護(hù)樁彎矩曲線圖

3 結(jié)語

本文以某地鐵深基坑為研究背景，結(jié)合基坑周邊環(huán)境及土層情況，通過理正軟件和ADINA軟件對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，計算結(jié)果總結(jié)如下：

(1)樁身的水平位移最大值與樁身彎矩最大的位置相同，其中最大值發(fā)生在距離樁頂1/2處。

(2)樁身最大剪力出現(xiàn)在三道支撐處。

(3)地表沉降最大值發(fā)生在距離基坑17 m處，在基坑周邊出現(xiàn)了隆起，距離基坑由近及遠(yuǎn)地表沉降曲線呈現(xiàn)凹型。