地鐵車站基坑施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形研究

楊瑞寶

摘要：以榆樹莊站地鐵車站為研究對象，采用3D實(shí)體單元模擬，建立其有限元模型，分析其基坑施工過程中，樁體的位移及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，得出以下結(jié)論：當(dāng)開挖深度較小時(shí)，樁體主要受到基坑土體的主動(dòng)土壓力作用。隨著開挖過程的進(jìn)行，采用支撐、冠梁等措施對基坑的水平位移進(jìn)行控制，使其水平位移-樁深曲線呈先增大后減小的趨勢。隨著開挖過程的進(jìn)行，基坑樁體的最大水平位移逐漸增大，且其最大位移對應(yīng)的樁深逐漸增大，說明開挖過程會(huì)影響基坑樁體的水平位移。模擬值與實(shí)測值間的差距較小，二者間的水平位移最大差值不超過1mm，證實(shí)采用有限元模擬對地鐵車站的基坑變形及受力情況進(jìn)行分析準(zhǔn)確性較高。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；基坑施工；變形規(guī)律；位移

0? ?引言

地鐵車站基坑施工過程中，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力情況對其施工安全性至關(guān)重要。近年來，許多專家學(xué)者針對地鐵車站基坑施工過程支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形特性開展相關(guān)研究。

趙金先等人[1]以某地鐵車站為研究對象，基于德爾菲法，對其基坑施工過程的安全性進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，在地鐵車站基坑施工過程中，土方開挖及降水排水等施工過程對其安全性的影響較大。劉季富[2]以成都地鐵為研究對象，建立其數(shù)值模擬模型，對其車站基坑施工過程中的受力及變形情況進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，截水帷幕幕墻可有效降低基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。晁春波等人[3]以某地鐵基坑為研究對象，建立其有限元模型，分析其開挖施工過程的位移及結(jié)構(gòu)受力，并根據(jù)研究結(jié)果，對其基坑支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。研究結(jié)果表明，采用混凝土支撐可降低基坑土體沉降，提高施工過程的安全性。慕煥東等人[4]以洛陽某地鐵車站為研究對象，開展模型試驗(yàn)，對其支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形規(guī)律進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的最大樁深位移為2.54cm。王凌等人[5]以南昌地鐵車站為研究對象，基于小應(yīng)變剛度硬化模型，對其基坑開挖過程的結(jié)構(gòu)變形及沉降規(guī)律進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，該模型與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的差距較小，可用于實(shí)際工程的變形預(yù)測。

本研究以榆樹莊站地鐵車站為研究對象，采用3D實(shí)體單元模擬，建立其有限元模型，分析其基坑施工過程中，樁體的位移及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

1? ?工程概況

榆樹莊站地鐵車站中心里程為右K22+139.700，車站總長為257.5m，兩側(cè)站臺(tái)寬度分別為5.05m、4.29m。車站總建筑面積為24173m²，車站頂板覆土3.07m。

本站主體結(jié)構(gòu)為地下單層多跨鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)（局部含設(shè)備夾層及板下過軌通道）。車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段深度約14.411～15.546m，過軌通道部分基坑深度約為19.9m。鉆孔灌注樁主要采用1000@1500，其余樁間距根據(jù)基坑型式進(jìn)行微調(diào)，錨索采用一樁一錨。局部基坑斜角段根據(jù)錨索鉆孔空間，樁間距為1600mm。

2? ?有限元模型建立

該地鐵車站采用3D實(shí)體單元模擬，其土層地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

為分析施工過程中，基坑樁體的位移及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，采用有限元軟件對其施工過程進(jìn)行模擬。地鐵車站基坑的施工過程如下：開挖深度為3m時(shí)，架設(shè)混凝土支撐及冠梁；開挖深度為7m時(shí)，架設(shè)鋼支撐及腰梁；開挖深度為11m時(shí)，架設(shè)鋼支撐及腰梁；開挖深度為15m時(shí)，架設(shè)鋼支撐及腰梁；開挖深度為18m時(shí)，進(jìn)行底板澆筑。

3? ?結(jié)果分析

為分析基坑樁體的位移及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，分別在不同開挖過程下，分析基坑樁體的水平位移。

3.1? ?長邊方向的樁體水平位移-樁深曲線

其長邊方向的樁體水平位移-樁深曲線如圖1所示。由圖1可知，除開挖過程1外，隨著樁深的增大，基坑長邊樁體的水平位移呈先增大后減小的趨勢，開挖過程1的水平位移-樁深曲線變化趨勢較為平緩，呈現(xiàn)出向坑內(nèi)前傾的變化趨勢。

分析認(rèn)為，由于開挖深度較小時(shí)，樁體主要受到基坑土體的主動(dòng)土壓力作用。隨著開挖過程的進(jìn)行，采用支撐、冠梁等措施對基坑的水平位移進(jìn)行控制，使其水平位移-樁深曲線變化趨勢發(fā)生改變。

當(dāng)樁深在13m作用時(shí)，開挖過程5的樁體水平位移均有最大值，其值為12.13mm。隨著開挖過程的進(jìn)行，基坑樁體的最大水平位移逐漸增大，且最大位移對應(yīng)的樁深逐漸增大，不同開挖過程的最大位移在0.62～0.78H間（H為開挖深度），說明開挖過程會(huì)影響基坑樁體的水平位移。

3.2? ?短邊方向的樁體水平位移-樁深曲線

分別分析不同開挖過程下，基坑樁體的水平位移，其短邊方向的樁體水平位移-樁深曲線如圖2所示。

由圖2可知，基坑樁體短邊方向的水平位移變化趨勢與長邊保持一致。其中，開挖過程5的水平位移最大，開挖過程1的水平位移最小。除開挖過程1外，樁體的水平位移隨樁深的增大呈先增大后減小的趨勢。

對比基坑長邊樁體的水平位移可得，在同一施工過程及樁深下，基坑短邊樁體水平位移較小。當(dāng)樁深為-14m時(shí)，開挖過程5的水平位移有最大值，其值為9.24mm，說明在地鐵車站基坑施工過程中，其樁體水平位移以其基坑長邊方向的樁體為主。當(dāng)樁深為-15～-10m時(shí)，各開挖過程間的水平位移較大，隨著樁深的增大，不同開挖過程的水平位移的差距逐漸減小。

3.3? ?長邊方向的樁體彎矩-樁深曲線

為分析施工過程中，基坑樁體的力學(xué)性能變化規(guī)律，分別分析不同開挖過程下，基坑樁體的彎矩變化，其長邊方向的樁體彎矩-樁深曲線如圖3所示。

由圖3可知，隨著樁深的增大，基坑長邊方向的樁體彎矩呈上下波動(dòng)趨勢。分析認(rèn)為，在開挖過程中，開挖過程2至5均采用鋼支撐及腰梁等進(jìn)行支護(hù)，使其基坑樁體受力發(fā)生改變，此時(shí)其彎矩-樁深曲線呈波動(dòng)趨勢。其中，開挖過程1的樁體彎矩變化趨勢較為平緩，其余開挖過程的樁體彎矩較為集中。

對比不同開挖過程的彎矩可得，隨著開挖過程的進(jìn)行，基坑樁體所受的彎矩逐漸增大，在同一樁深下，開挖過程5的樁體彎矩最大，開挖過程1的樁體位移最小。當(dāng)樁深為-15m時(shí)，開挖過程5的樁體彎矩有最大值，其值為1132kN·m。

3.4? ?短邊方向的樁體彎矩-樁深曲線

分別分析不同開挖過程下，基坑樁體的彎矩辯護(hù)，其短邊方向的樁體彎矩-樁深曲線如圖4所示。由圖4可知，基坑短邊方向彎矩與其長邊方向變化趨勢一致，其柱體彎矩隨樁深的增大呈波動(dòng)趨勢，且不同開挖過程的彎矩差距較大。其中，開挖過程5的彎矩最大。當(dāng)樁深為-14m時(shí)，其彎矩有最大值，其值為913kN·m。

對比基坑長邊方向的柱體彎矩可得，基坑短邊方向的柱體彎矩較小，說明在施工過程中，基坑柱體的受力以其長邊方向?yàn)橹鳌?/p>

綜合以上分析可得，基坑長邊與短邊方向的柱體受力方式及其變形規(guī)律具有一致性，但是其變形程度與受力大小具有一定的差異性，其變形及受力主要以長邊方向?yàn)橹鳌?/p>

3.5? ?水平位移-樁深模擬值與實(shí)測值對比

為分析本研究所采用的有限元模型模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，選取基坑長邊方向的樁體水平位移為研究對象，對比其模擬值與實(shí)測值間的差異性，其水平位移-樁深曲線對比如圖5所示。

由圖5可知，模擬值與實(shí)測值間的差距較小，二者間的水平位移最大差值不超過1mm，且實(shí)測值的水平位移大于模擬值，說明采用有限元模擬對地鐵車站的基坑變形及受力情況進(jìn)行分析的準(zhǔn)確性較高。

4? ?結(jié)束語

地鐵車站基坑施工過程中，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力情況對其施工安全性至關(guān)重要。本研究以榆樹莊站地鐵車站為研究對象，采用3D實(shí)體單元模擬，建立其有限元模型，分析其基坑施工過程中，樁體的位移及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，得出以下結(jié)論：

除開挖過程1外，隨著樁深的增大，基坑長邊樁體的水平位移呈先增大后減小的趨勢。開挖過程1的水平位移-樁深曲線變化趨勢較為平緩，呈現(xiàn)出向坑內(nèi)前傾的變化趨勢。

在同一施工過程及樁深下，基坑短邊樁體水平位移較小，當(dāng)樁深為-14m時(shí)，開挖過程5的水平位移有最大值，其值為9.24mm，說明在地鐵車站基坑施工過程中，其樁體水平位移以其基坑長邊方向的樁體為主。

在開挖過程中，開挖過程2至5均采用鋼支撐及腰梁等進(jìn)行支護(hù)，使其基坑樁體受力發(fā)生改變，此時(shí)其彎矩-樁深曲線呈波動(dòng)趨勢；其中，開挖過程1的樁體彎矩變化趨勢較為平緩，其余開挖過程的樁體彎矩較為集中。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙金先，孟瑋，孫斐.基于Gray-Shapley的地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，43（3）：33-40.

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[3] 晁春波，祝清陽.寒區(qū)土巖復(fù)合地層地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及優(yōu)化研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2022（7）：36-38.

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[5] 王凌，張聲宇，張躍明，蔣亞龍，等.南昌河流階地內(nèi)地鐵車站基坑變形研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，38（3）：31-40.