半鋪蓋法地鐵車站深基坑支護(hù)工程安全性分析

袁 超，蘇三慶，吳祿源，陳培耀，俞晨龍

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

半鋪蓋法地鐵車站深基坑支護(hù)工程安全性分析

袁 超，蘇三慶，吳祿源，陳培耀，俞晨龍

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

西安地鐵四號(hào)線五路口車站采用半鋪蓋順筑法施工，基坑中部的臨時(shí)立柱樁造成了鋼管支撐安拆難度大，地下水位偏高及局部限高下施工等不確定性因素給基坑支護(hù)工程施工安全帶來隱患。闡述了該支護(hù)工程特點(diǎn)及方案設(shè)計(jì)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得到圍護(hù)樁樁頂水平位移、支撐軸力、臨時(shí)立柱樁沉降及地表累計(jì)沉降。同時(shí)運(yùn)用有限元軟件模擬基坑開挖，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明，基坑支護(hù)方案合理可行，結(jié)構(gòu)可靠安全，達(dá)到了預(yù)期效果。

半鋪蓋法 深基坑 支護(hù)結(jié)構(gòu) 數(shù)值模擬 安全性

1 工程概況

五路口車站是西安市快速軌道交通一、四號(hào)線的T型交叉換乘站，位于東西五路與解放路十字路口南側(cè)，呈南北走向布置，南接大差市站，北接火車站，為地下三層島式車站。車站主體為地下3層3跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地震設(shè)防烈度8度，防核武器等級(jí)6級(jí)，結(jié)構(gòu)耐久年限100年。車站總長(zhǎng)161.56 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.9 m，平均深22.9 m，頂板覆土約為3 m，總建筑面積約為15 033.9 m2。施工場(chǎng)地地勢(shì)較為平坦，屬于黃土梁洼地貌。地下水位埋深－9.8～－11.0 m，地下潛水位高程為391.27～392.79 m，附近新黃土含水率較高，使土體承載力降低，穩(wěn)定性變差，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。土層組成及參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 土層組成及參數(shù)指標(biāo)

2 支護(hù)工程特點(diǎn)及方案設(shè)計(jì)

2.1 支護(hù)工程特點(diǎn)

1)半鋪蓋順筑法修建地鐵車站時(shí)，支護(hù)工程除內(nèi)支撐外，基坑中部存在混凝土臨時(shí)立柱樁、柱間鋼連梁等構(gòu)件。鋪蓋體系下鋼管支撐安拆難度大，水平支撐間距小對(duì)起吊升降點(diǎn)有影響。

2)深基坑地下水位高，距周邊建筑近，基坑兩側(cè)和鋪蓋上方動(dòng)載大，擾動(dòng)多。地下管線分布密集，車站約有1/5的范圍會(huì)受到五路口環(huán)形天橋的影響，對(duì)局部限高下鉆孔灌注樁的施工造成很大障礙。

2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基坑開挖深度較大，為保證基坑施工及周邊建筑安全，采用了排樁+內(nèi)支撐的支護(hù)形式。排樁采取鉆孔灌注樁加樁間水平旋噴樁止水帷幕的形式。鉆孔灌注樁為φ1 200@1 500 mm，插入基坑底部9 m;水平旋噴樁為φ800@1 500 mm，插入基坑底部4 m;基坑中間臨時(shí)立柱樁采用φ1 500@6 000 mm鉆孔灌注樁，插入基坑底部23 m。樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。基坑南端盾構(gòu)擴(kuò)大段采用4φ1 200 mm格構(gòu)柱作為混凝土斜撐的支撐;另外鉆孔灌注樁樁頂設(shè)置有1 600 mm× 1 000 mm的冠梁，臨時(shí)立柱樁柱頂設(shè)置有1 500 mm× 1 000 mm混凝土連系梁。內(nèi)支撐設(shè)置4道。第1道為600×800 mm混凝土支撐，第2～4道為 φ609× 14 mm和φ609×16 mm的鋼支撐。

3 基坑支護(hù)監(jiān)測(cè)與結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)目的及方案

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)支護(hù)體系穩(wěn)定性加以評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步預(yù)測(cè)開挖施工將導(dǎo)致的變形及穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)展［1-2］。預(yù)測(cè)判斷施工對(duì)周圍環(huán)境的影響程度，確定后續(xù)工序安排，使施工處于最佳受控狀態(tài)［3］。綜合五路口車站的現(xiàn)場(chǎng)情況和信息化施工設(shè)計(jì)要求，確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目允許值和警戒值，見表2。基坑測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目允許值和警戒值

圖1 基坑測(cè)點(diǎn)布置

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 圍護(hù)樁樁頂水平位移

樁頂水平位移隨開挖深度變化曲線見圖2。由圖可知，在基坑未開挖時(shí)，圍護(hù)樁承受上部鋪蓋系統(tǒng)和路面車輛傳遞下來的荷載，有一定的水平位移。隨開挖深度加大，樁體所受側(cè)向土壓力增大，加之地下水作用致使位移增速較快［4］。當(dāng)基坑開挖到6～10 m時(shí)由于設(shè)置了第2道鋼管支撐及地下水降水的持續(xù)，位移增速逐漸減緩，但累計(jì)值仍在增加。隨著車站主體結(jié)構(gòu)建設(shè)和第3，4道鋼管支撐架設(shè)，水平位移速率減小，最終趨于穩(wěn)定。樁頂水平位移最大值為6.2 mm，遠(yuǎn)小于警戒值。

圖2 樁頂累計(jì)水平位移隨開挖深度變化曲線(樁體向基坑內(nèi)側(cè)偏移為負(fù)值，相反為正值)

3.2.2 中間臨時(shí)立柱樁沉降

圖3 中間臨時(shí)立柱樁沉降時(shí)程曲線

半鋪蓋法修建車站的特點(diǎn)是存在中間臨時(shí)立柱樁。由圖3可以看出，基坑開挖初期深度較淺，立柱樁沉降量不大;開挖至設(shè)計(jì)深度一半時(shí)，由于橫向支撐未能及時(shí)架設(shè)，累計(jì)沉降速率加快。整個(gè)過程呈現(xiàn)出樁體沉降—隆起—沉降—穩(wěn)定的趨勢(shì)［5-6］。底板澆筑是立柱樁沉降最終趨于穩(wěn)定的重要原因。為防止對(duì)立柱樁產(chǎn)生附加側(cè)壓力，基坑內(nèi)兩側(cè)土體嚴(yán)禁出現(xiàn)2 m以上的高差。整個(gè)監(jiān)測(cè)過程立柱樁沉降值在允許變化范圍內(nèi)。車站西半幅基坑頂部路面設(shè)計(jì)有臨時(shí)鋪蓋，基坑開挖過程中，立柱樁產(chǎn)生擾動(dòng)影響鋪蓋路面的使用安全，因此必須密切監(jiān)測(cè)其差異沉降。

3.2.3 支撐軸力

鋼支撐施工遵循“隨挖隨撐隨拆”原則［7］，取第2道直撐測(cè)點(diǎn)ZL4，ZL7，斜撐測(cè)點(diǎn)ZL12實(shí)測(cè)變化曲線進(jìn)行分析。由圖4可知，隨著基坑開挖規(guī)模和深度增加，支撐軸力隨之增大，開始時(shí)軸力增速緩慢，呈直線增長(zhǎng);當(dāng)開挖加大時(shí)，有來回波動(dòng)現(xiàn)象，說明施工的先后順序?qū)ζ湓斐捎绊?。?0周開始，測(cè)點(diǎn)ZL7鋼管支撐軸力變化浮動(dòng)較大，這是由于其位于基坑中部，承受基坑兩側(cè)土壓力作用。當(dāng)主體開始施工，底板混凝土澆筑完成時(shí)，軸力變化趨于平緩。直撐、斜撐軸力累計(jì)變化量遠(yuǎn)小于報(bào)警值，支護(hù)工程設(shè)計(jì)偏于保守，在施工中可對(duì)基坑局部支撐橫向間距及預(yù)加軸力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使中部支撐承擔(dān)大部分土壓力，進(jìn)一步有效控制基坑變形。

圖4 支撐軸力時(shí)程曲線

3.2.4 地表沉降

地表沉降監(jiān)測(cè)是周邊環(huán)境安全監(jiān)測(cè)最重要的指標(biāo)［8］，取代表性沉降點(diǎn) D1，D4，D6，D12進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。正值表示地表隆起，負(fù)值表示地表沉降。由圖5可知:在基坑開挖初期，基坑四周土體沉降緩慢，由沉降變?yōu)槁∑穑且驗(yàn)榇穗A段開挖深度較淺，內(nèi)支撐在架設(shè)的同時(shí)施加了預(yù)應(yīng)力，樁體產(chǎn)生了向外的位移;隨著開挖深度的不斷增加樁體向基坑內(nèi)部發(fā)生位移，逐漸呈沉降趨勢(shì);隨著第3、第4道鋼管支撐逐段逐層，依次架設(shè)及拆除，周邊土體整個(gè)呈現(xiàn)出沉降—隆起—沉降—相對(duì)隆起—沉降—穩(wěn)定趨勢(shì)。整個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)期間，沉降值均在允許范圍內(nèi)，最大為－4.9 mm，未超過警戒值。

圖5 地表累計(jì)沉降時(shí)程曲線

4 有限元模擬分析

4.1 模型的建立

數(shù)值模擬采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析，考慮基坑的對(duì)稱性，取基坑區(qū)域一半建立模型，考慮到半鋪蓋體系下傳遞的上部荷載和周邊環(huán)境的影響，基坑的側(cè)向邊界范圍取基坑開挖深度的3倍［9］，以減少邊界對(duì)基坑開挖的影響。土體采用3D-solid8節(jié)點(diǎn)單元，冠梁、第1道鋼筋混凝土支撐、樁采用Beam單元，第2～第4道鋼管支撐采用Pipe單元。鋼筋混凝土支撐、鋼管支撐、樁體運(yùn)用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行理論計(jì)算，而土體本構(gòu)模型服從 Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則。計(jì)算模型見圖6。土層物理指標(biāo)參見表1。

圖6 ANSYS有限元計(jì)算模型

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 樁頂水平位移

由圖7可知，樁頂水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值有一定出入，這與周邊環(huán)境不確定性因素及局部施工土體超挖等有很大關(guān)系［10］。但從整體變化趨勢(shì)來看，二者形態(tài)接近，均未超過警戒值，位移滿足基坑穩(wěn)定性和安全性要求。隨著基坑的逐步開挖，各測(cè)點(diǎn)位移不斷增大。當(dāng)開挖深度達(dá)到22 m左右時(shí)，模擬值最大位移約為6.8 mm，比實(shí)測(cè)值(5.9 mm)大。這是由于有限元模擬的局限性，無法充分考慮變形、沉降問題。而實(shí)測(cè)樁體出現(xiàn)最大位移是由于土壓力作用和基坑外荷載影響?？紤]應(yīng)力狀態(tài)改變引起土體變形，應(yīng)加快基礎(chǔ)底板混凝土澆筑時(shí)間，盡可能避免因土壓力作用和地下水影響導(dǎo)致樁頂產(chǎn)生更大位移。

圖7 樁頂累計(jì)水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4.2.2 內(nèi)支撐軸力

內(nèi)支撐軸力數(shù)據(jù)為鋼管支撐從架設(shè)到拆除全過程的監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖8可見，兩曲線軌跡基本相似，均出現(xiàn)了軸力增大—減小—增大—減小—穩(wěn)定的過程，這與施工的先后順序、預(yù)加軸力大小等有關(guān)。開挖深度增大，支撐軸力也在變大，模擬軸力值整體呈增大趨勢(shì)，與實(shí)際情況比較符合。模擬值之所以在第7、第8周明顯減小，是因?yàn)橛邢拊治霾荒軐?duì)施工中遇到的問題及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，致使該階段模擬值比實(shí)測(cè)值減小得快。處于對(duì)后續(xù)工作安全性的考慮，作業(yè)人員可適當(dāng)減少基坑周邊堆載物的堆放，進(jìn)一步減小支撐軸力負(fù)荷。

圖8 支撐軸力模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4.2.3 臨時(shí)立柱樁沉降

取累計(jì)沉降值最大的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與模擬值對(duì)比。由圖9可知，基坑在未開挖時(shí)，車輛及鋪蓋體系傳遞下來的荷載使得樁體有一定的沉降。基坑開挖使得立柱樁產(chǎn)生擾動(dòng)并發(fā)生位移變形。樁體沉降實(shí)測(cè)值比模擬值略微小是由于樁側(cè)土摩阻力的作用，但模擬整體形態(tài)基本符合施工現(xiàn)場(chǎng)情況，有一定參考價(jià)值。臨時(shí)立柱樁的施工有效保證了地鐵深基坑施工開挖時(shí)支護(hù)體系的安全和穩(wěn)定。

圖9 臨時(shí)立柱樁累計(jì)沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4.2.4 地表沉降

由圖10可知，基坑施工開始階段，開挖深度較淺，基坑周邊位移呈現(xiàn)出隆起—沉降趨勢(shì)，這是由于鋼管支撐預(yù)應(yīng)力的加載及土壓力作用;基坑開挖中期，周邊土體產(chǎn)生了相對(duì)滑移，沉降值總體變?yōu)樨?fù)值，第9周開始到第10周，周邊荷載和預(yù)加軸力值增加，累計(jì)沉降值突然變大，樁體開始向下移動(dòng)。沉降量不斷增大，此時(shí)模擬值與實(shí)測(cè)值出現(xiàn)了較大的差異，模擬值沉降速度較為緩慢，這是因?yàn)閷?shí)測(cè)值存在誤差，要考慮人為和自然因素，但總體形態(tài)基本一致。最終實(shí)測(cè)最大累計(jì)沉降量－8.2 mm，模擬最大累計(jì)沉降量 －8.9 mm，兩者相差不大，均未超過警戒值(18 mm)。模擬結(jié)果分析在一定程度上能反映基坑變形的規(guī)律。

圖10 地表沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)論

1)半鋪蓋順筑法是適于交通復(fù)雜、道路狹窄且不宜使用明挖或全蓋挖地段的一種新型地鐵施工方法。其基坑支護(hù)工程采取排樁+內(nèi)支撐形式，通過采取關(guān)鍵施工技術(shù)和有效監(jiān)控，解決了基坑變形、地表沉降等問題。在保證車站主體順利施工的基礎(chǔ)上，使得半鋪蓋體系上交通運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

2)西安地鐵4號(hào)線五路口車站支護(hù)工程通過分析監(jiān)測(cè)結(jié)果得出圍護(hù)樁樁頂水平位移累計(jì)值為6.2 mm，立柱沉降累計(jì)值為5.8 mm，地表沉降累計(jì)值為4.9 mm，均未超過其警戒值，說明基坑支護(hù)安全可靠，設(shè)計(jì)偏于保守。有限元模擬值與實(shí)測(cè)值雖有差異，但曲線趨勢(shì)較為一致，能為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

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Safety analysis of support in metro station deep foundation pit with semi-cover method

YUAN Chao，SU Sanqing，WU Luyuan，CHEN Peiyao，YU Chenlong
(Institute of Architecture and Civil Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an Shaanxi 710054，China)

W ulukou station of Xi'an M etro Line 4 adopted the semi-cover construction method，temporary post pile in the middle of foundation pit caused the installation and removal difficulty of steel pipe supporting，high groundwater level and local limiting construction，which means such uncertainties could bring hidden trouble to the safety of foundation pit supporting engineering construction．T his paper described the characteristics and scheme design of the supporting project，obtained the horizontal displacement of retaining pile top，supporting axial force，temporary post pile settlement and surface cumulative settlement through on-site monitoring data analysis．Finite element software was used to simulate foundation pit excavation and the simulation results and the experimental results showed that the foundation pit supporting scheme is reasonable and feasible，structure of which is reliable and safe，and the expected results are achieved．

Semi-cover method;Deep foundation pit;Supporting structure;Numerical simulation;Safety

TU473

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．14

(責(zé)任審編 葛全紅)

2015-01-10;

:2015-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478383)

袁超(1989— )，男，陜西銅川人，碩士研究生。

1003-1995(2015)08-0047-05