砂卵石地層地鐵車站基坑咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

張曉濤 賈方毅

車站基坑變形將受車站所處地層、開挖規(guī)模與圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式等因素的影響，控制施工中的位移變形和減小對(duì)鄰近建筑物的影響是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。以洛陽軌道交通1號(hào)線塔灣站深基坑工程為依托，利用有限元軟件GTS對(duì)基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)洛陽砂卵石地層車站基坑咬合樁直徑和樁間距2個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：咬合樁直徑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移影響最大，基坑及地表位移次之。圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑及地表最大位移與咬合樁直徑大小負(fù)相關(guān)；相對(duì)于咬合樁直徑，樁間距的變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑及地表最大位移變形的影響幅度相對(duì)較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑及地表最大位移與咬合樁樁間距大小負(fù)相關(guān)。

砂卵石地層； 車站基坑； 數(shù)值模擬； 咬合樁； 位移變形

TU94+2 A

［定稿日期］2021-12-26

［作者簡介］張曉濤（1990—），男，本科，工程師，從事市政工程施工技術(shù)管理工作。

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口數(shù)量的增長，地鐵建設(shè)的需求日益增大。大量的地鐵建設(shè)使得更多的深基坑工程出現(xiàn)在城市建筑密集地區(qū)，而由于基坑開挖導(dǎo)致的地面塌陷和鄰近建筑出現(xiàn)不均勻沉降甚至破壞的情況時(shí)有發(fā)生。通過大量事故分析，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大是導(dǎo)致地表和鄰近建筑物發(fā)生沉降的主要原因之一［1］。因此，針對(duì)車站基坑施工中結(jié)構(gòu)變形過大以及減小開挖對(duì)鄰近建筑物的影響，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。

在施工前或者施工過程中，對(duì)基坑變形做出預(yù)測(cè)并根據(jù)結(jié)果指導(dǎo)支護(hù)施工方案，可合理控制基坑變形。俞欽欽等［2-4］通過現(xiàn)場(chǎng)基坑施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，得到不同基坑施工中地表和周圍建筑物的沉降規(guī)律，并給出了相應(yīng)的沉降預(yù)測(cè)方法，可對(duì)類似工程提供一定參考；在基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)上，陳明［5］對(duì)昆明地區(qū)的典型基坑進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和錨桿預(yù)應(yīng)力可以有效控制地表沉降，減小基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的影響。孫學(xué)謹(jǐn)?shù)龋?］依托蘇州市深基坑研究了基坑支護(hù)體系對(duì)基坑變形的影響，結(jié)果表明采用地連墻+5道內(nèi)支撐是最合理的圍護(hù)方案；柏挺等［7］以莞惠城際軌道工程深基坑為例，研究地下水位、鋼支撐的預(yù)應(yīng)力等因素對(duì)基坑變形的影響，給出了方案優(yōu)化排序；徐楊青［8］對(duì)深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，給出了主要優(yōu)化途徑；張昌桔［9］進(jìn)行有限元分析并與基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明了坑內(nèi)加樁組合樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性；李兵等［10］依托沈陽地鐵深基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁埋深對(duì)建筑物變形影響較大，加大圍護(hù)樁埋深可減小鄰近建筑物變形。

由于鉆孔咬合樁具有防水效果好、造價(jià)低等特點(diǎn)，開始被應(yīng)用于我國地下工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)中［11］。在不同地區(qū)地層，不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)基坑開挖中的位移變形有明顯影響，其中咬合樁直徑和樁間距均是基本參數(shù)之一。由此，以洛陽軌道交通1號(hào)線塔灣站深基坑工程為依托，研究在洛陽砂卵石地層條件下，施工常見的咬合樁直徑和樁間距對(duì)基坑開挖的影響。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)車站基坑開挖過程進(jìn)行模擬，分別對(duì)基坑開挖過程中圍護(hù)樁墻的水平位移、基坑隆起及鄰近地表位移進(jìn)行對(duì)比分析，為今后類似工程提供一定參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

文章以洛陽軌道交通1號(hào)線塔灣站深基坑工程為背景。塔灣站為地下2層島式車站，全長203.6 m，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段總寬度20.7 m；基坑開挖深度為19.4 m。基坑與建筑物位置關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)鉆探揭露，塔灣站內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：雜填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、卵石土，黃土質(zhì)粉土，基坑底部所在地層為密實(shí)卵石。各土層物理參數(shù)見表1。

塔灣站平均水位基本在基坑底部以上，開挖之前需降水至基坑底部開挖面以下?？紤]降水前水頭為地下9.6 m，經(jīng)降水設(shè)計(jì)后，采用40口管井降水至地下24 m，滿足降水要求。

1.2 基坑支護(hù)方案

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁和素混凝土止水樁咬合止水，盾構(gòu)井處樁長度26 m，標(biāo)準(zhǔn)段樁長度24.5 m。鉆孔灌

注樁樁徑為1 m，間距1.5 m，樁間素混凝土樁樁長同鉆孔灌注樁。其中鉆孔灌注樁為C35鋼筋混凝土樁，素混凝土樁為C20素混凝土樁。

基坑開挖遵循“分段分層、由上而下、先撐后挖”的原則。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)段，基坑豎向開挖分4層進(jìn)行，開挖至每層設(shè)計(jì)標(biāo)高，分別設(shè)置1道鋼筋混凝土支撐、3道鋼支撐；對(duì)于盾構(gòu)井段，基坑豎向開挖分5層進(jìn)行，分別設(shè)置1道鋼筋混凝土支撐、3道鋼支撐。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)基坑與周圍建筑物關(guān)系，建立三維數(shù)值模型如圖2所示，模型尺寸為：135 m（沿隧道橫向）×314 m（沿隧道縱向）×55.5 m（沿土層深度方向）。

模型建立時(shí)底面采用x、y、z 3方向均約束，與x軸垂直的兩面均采用x方向約束，與y軸垂直兩面均采用y方向約束，模型頂面無約束為自由面；模型中荷載均考慮各土層和構(gòu)筑物的自重荷載；建筑物側(cè)墻、圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，土體采用修正摩爾庫侖模型。同時(shí)模型假定條件為：①土體和結(jié)構(gòu)材料均是均質(zhì)、連續(xù)及各項(xiàng)同性的；②地表面和各土層呈勻質(zhì)水平層狀分布，各土層厚度相同；③初始地應(yīng)力只考慮土體的自重應(yīng)力；④基坑開挖施工期間，既有結(jié)構(gòu)考慮非地震組合工況；⑤假定基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則；⑥將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的咬合樁利用等效抗彎剛度等效成地下連續(xù)墻［12］；⑦考慮降水流固耦合作用。

EAIA+EBIB=ECLh312（1）

EC=EAAA+EBABAA+AB（2）

式中：EA為咬合樁A樁彈性模量；EB為咬合樁B樁配筋后彈性模量；EC為等效樁墻彈性模量；IA、IB分別為咬合樁A樁、B樁樁截面慣性矩；AA、AB分別為咬合樁A樁、B樁樁截面面積；h為等效樁墻厚度（圖3）。

計(jì)算模型中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與建筑外墻及底板采用板單元，混凝土支撐、鋼支撐、立柱與降水井采用梁單元，止水帷幕采用界面單元。圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2。

本次模擬只改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其余參數(shù)不變，在已有模型基礎(chǔ)上，提取6種工況下的標(biāo)準(zhǔn)段基坑變形對(duì)咬合樁參數(shù)進(jìn)行分析，工況參數(shù)見表3。基坑整體開挖模型見圖4。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了對(duì)洛陽砂卵石地層基坑咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，本文以工程實(shí)際為基礎(chǔ)，在不同直徑和樁間距下對(duì)基坑開挖過程中圍護(hù)樁墻、基坑及鄰近地表位移進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 咬合樁直徑對(duì)基坑開挖影響規(guī)律

以標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖模型為研究對(duì)象，提取工況1～工況3長邊中點(diǎn)各個(gè)工況水平位移結(jié)果，各工況墻體水平位移對(duì)比曲線如圖5所示。

由圍護(hù)樁墻水平位移變形曲線可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移在頂部和墻趾處水平位移值較小，水平位移呈“弓”形分布，三工況水平位移最大值均出現(xiàn)在開挖深度13.7 m左右位置。隨著咬合樁直徑的減小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移呈增大趨勢(shì)，工況1為2.65 mm，工況2為3.57 mm，工況3為4.02 mm。工況3較工況1增大1.37 mm，增幅為51.7%。由圖可知，地下連續(xù)墻體的水平位移隨著咬合樁直徑增加而減小，咬合樁直徑對(duì)于限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移具有顯著作用。

提取工況1～工況3標(biāo)準(zhǔn)段模型基坑位移模擬結(jié)果，不同工況下基坑整體及地層豎向位移云圖如圖6所示。

由圖6可知，基坑的豎向位移主要體現(xiàn)在基坑兩側(cè)沉降及坑底隆起。隨著咬合樁直徑的減小，基坑底部隆起最大值逐漸增大，工況1為2.13 mm，工況2為2.44 mm，工況3為2.61 mm。工況3相比工況1增加了0.48 mm，增幅為22.54%。

選取標(biāo)準(zhǔn)段模型中部垂直于基坑長邊的一個(gè)斷面，提取不同工況的周邊地表沉降數(shù)據(jù)，繪制地表沉降變形曲線如圖7所示。

由圖7可知，隨著咬合樁直徑減小，鄰近地表沉降最大值逐漸增大，工況1地表沉降最大值為2.3 mm，工況2地表沉降最大值2.6 mm，工況3地表沉降最大值2.72 mm。工況3相對(duì)工況1增大了0.42 mm，增幅為18.26%。三工況地表沉降最大值均在距基坑邊緣9 m左右。

3.2 咬合樁間距對(duì)基坑開挖影響規(guī)律研究

以標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖模型為研究對(duì)象，提取長邊中點(diǎn)各個(gè)工況水平位移結(jié)果，各工況墻體水平位移對(duì)比曲線如圖8所示。

由圖8可知，圍護(hù)樁墻整體水平位移規(guī)律與上文分析一致。隨著咬合樁樁間距的增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移呈增大趨勢(shì)，工況4為2.65 mm，工況5為3.07 mm，工況6為3.50 mm。工況6相對(duì)于工況4增大了0.45 mm，增幅為16.7%。地下連續(xù)墻體的水平位移隨著咬合樁樁間距增加而增大，這表明咬合樁樁間距對(duì)于限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移具有明顯作用。

提取工況4～工況6標(biāo)準(zhǔn)段模型基坑位移模擬結(jié)果，不同工況下基坑整體及地層豎向位移云圖如圖9所示。

由圖9可知，隨著咬合樁間距的增大，基坑底部隆起最大值逐漸增大，工況4為2.13 mm，工況5為2.2 mm，工況6為2.3 mm。工況6相對(duì)于工況4增大了0.17 mm，增幅為7.98%。

選取標(biāo)準(zhǔn)段模型中部垂直于基坑長邊的一個(gè)斷面，提取不同工況的地表沉降數(shù)據(jù)，繪制地表沉降變形曲線如圖10所示。

由圖10可知，隨著咬合樁樁間距增大，鄰近地表沉降最大值逐漸增大，工況4地表沉降最大值為2.3 mm，工況5地表沉降最大值2.4 mm，工況6地表沉降最大值2.5 mm。工況6相對(duì)工況4增大了0.2 mm，增幅為8.70%。三工況地表沉降最大值均在距基坑邊緣9 m左右。

4 結(jié)論

依托洛陽市軌道交通1號(hào)線塔灣站基坑工程，采用數(shù)值模擬的研究方法，在不同咬合樁參數(shù)下，對(duì)砂卵石地層基坑開挖過程中圍護(hù)樁墻的水平位移，基坑隆起及鄰近地表位移進(jìn)行對(duì)比分析，得出幾點(diǎn)主要結(jié)論：

（1）文中在對(duì)咬合樁的直徑及間距進(jìn)行分析時(shí)，利用等效抗彎剛度原理以連續(xù)墻進(jìn)行等效表征，計(jì)算結(jié)果表明該種處理方式能夠滿足計(jì)算分析的精度需求。

（2）咬合樁直徑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移影響最大，基坑隆起及鄰近地表沉降次之，隨咬合樁直徑減小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑及地表最大位移變形由2.65 mm、2.13 mm、2.30 mm增大至4.02 mm、2.61 mm、2.72 mm，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移增幅最多為51.70%，基坑與鄰近地表最大位移增幅分別為22.54%、18.26%。

（3）相對(duì)于咬合樁直徑，樁間距的變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑及地表最大位移變形的影響幅度相對(duì)較小，隨咬合樁樁間距增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑及地表最大位移變形由2.65 mm、2.13 mm、2.30 mm增大至3.50 mm、2.30 mm、2.50 mm，增幅分別為32.08%、7.98%、8.70%。

參考文獻(xiàn)

［1］ 魏道江. 鄰近既有建筑的地鐵深基坑支護(hù)方案優(yōu)化與變形風(fēng)險(xiǎn)控制［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2016.

［2］ 俞欽欽，王立峰，陳巧紅，等.地鐵車站深基坑周邊建筑物沉降規(guī)律研究［J］.科技通報(bào)，2020，36（1）：105-108+118.

［3］ 孫毅，張頂立，房倩，等.北京地區(qū)坑中坑工程地表沉降預(yù)測(cè)方法研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（S1）：3491-3498.

［4］ 謝樂. 地鐵車站深基坑開挖對(duì)周邊建筑物的影響研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2019.

［5］ 陳明. 城市深基坑對(duì)周邊環(huán)境影響的研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2011.

［6］ 孫學(xué)謹(jǐn)，張旭，程燕，等.內(nèi)支撐設(shè)計(jì)對(duì)地鐵車站基坑變形特性影響研究［J］.工程技術(shù)研究，2018（16）：167-169.

［7］ 柏挺，王凱椿.城際軌道深基坑支護(hù)優(yōu)化及實(shí)測(cè)分析［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40（5）：714-719.

［8］ 徐揚(yáng)青.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.巖土力學(xué)，1997（2）：57-61.

［9］ 張昌桔. 軟土增層開挖基坑組合樁撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)性狀研究及工程應(yīng)用［D］.杭州：浙江大學(xué)，2020.

［10］ 李兵，孫小飛，于忠誠，等.地鐵深基坑施工與鄰近建筑的關(guān)聯(lián)效應(yīng)研究［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，36（1）：86-93.

［11］ 王安龍.鉆孔咬合樁——地鐵工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)新型式［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2003（1）：53-59.

［12］ 陳斌，施斌，林梅.南京地鐵軟土地層咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005（3）：354-357.