地鐵換乘站深基坑圍護(hù)樁數(shù)值分析與優(yōu)化

李　兵，那　琦，江和平

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 遼寧沈陽(yáng)110168)

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地鐵換乘站深基坑圍護(hù)樁數(shù)值分析與優(yōu)化

李兵，那琦，江和平

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 遼寧沈陽(yáng)110168)

摘要：為研究深基坑工程中圍護(hù)樁在不同水平間距和直徑下的位移變形，以沈陽(yáng)地鐵9號(hào)線和10號(hào)線換乘車(chē)站深基坑工程為例，利用理正深基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，增大樁間距與減小樁直徑均會(huì)增大圍護(hù)樁的位移變形。綜合考慮安全與成本，采用增大樁間距的方法對(duì)圍護(hù)樁進(jìn)行優(yōu)化。將樁間距由1.4 m增加到1.6 m，樁體最大位移由8.51 mm增加到8.89 mm，增大其結(jié)果與原方案相比不會(huì)造成位移變形過(guò)大，同時(shí)圍護(hù)樁總數(shù)量減少了14根，節(jié)約了施工成本。

關(guān)鍵詞：地鐵；深基坑；圍護(hù)樁；優(yōu)化

0引言

近幾年以來(lái)，隨著地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，城市內(nèi)的深基坑工程也在與日俱增，其中地鐵深基坑圍護(hù)工程是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工程。眾所周知，地鐵的車(chē)站多位于城市人口密集區(qū)，周?chē)h(huán)境比較復(fù)雜。深基坑的施工具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性，一旦發(fā)生問(wèn)題，將會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成不可估量的災(zāi)害[1]。因此，如何在深基坑工程中做到安全高效地施工，成為一個(gè)急需解決的難題。隨著計(jì)算機(jī)軟件的不斷開(kāi)發(fā)與完善，利用軟件模擬可以方便、準(zhǔn)確地對(duì)基坑在各個(gè)階段的受力情況進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而深基坑整體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[2]。本文結(jié)合沈陽(yáng)地鐵九號(hào)線和十號(hào)線換乘車(chē)站深基坑工程，使用計(jì)算機(jī)軟件建立三維模型進(jìn)行圍護(hù)樁的優(yōu)化分析，并將計(jì)算結(jié)果反過(guò)來(lái)指導(dǎo)施工，這一方法具有重要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值[3]。

1工程概況

1.1地質(zhì)條件概況

本換乘車(chē)站位于沈陽(yáng)市，場(chǎng)地地面高程介于47.5～49.15 m。地面相對(duì)高差為1.65 m。施工場(chǎng)地范圍內(nèi)及其周邊主要由以下各類(lèi)土組成。數(shù)值分析計(jì)算的土層參數(shù)參見(jiàn)表1。

表1　地層數(shù)值模擬參數(shù)一覽表

1.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

車(chē)站為丁字換乘站，九號(hào)線車(chē)站跨長(zhǎng)青南街設(shè)置，為了減少主體結(jié)構(gòu)施工期間對(duì)交通的影響，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)決定明挖順作法(局部蓋挖)施工。本文以車(chē)站中10號(hào)線的基坑圍護(hù)工程為例進(jìn)行研究。

該研究部分主體基坑開(kāi)挖深度約23.75 m，灌注樁直徑Φ1 000 mm,中心間距1 400 mm, 鋼支撐采用Φ630 mm鋼管撐，標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)四道倒一道，端頭井設(shè)五道倒一道。主體結(jié)構(gòu)樁除作為基坑支護(hù)承擔(dān)側(cè)向荷載，在車(chē)站使用階段也與側(cè)墻同時(shí)承擔(dān)側(cè)向荷載。圍護(hù)樁不做止水帷幕，樁間土采用掛網(wǎng)噴混凝土保護(hù)。

隨著基坑的開(kāi)挖，排樁的樁間土采用掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)，鋼筋網(wǎng)為Φ8@150×150，噴射混凝土厚度為80 mm，鋼筋網(wǎng)必須與樁可靠連接。根據(jù)工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求可知，基坑周?chē)孛孀畲蟪两盗繛?.15%H(H為基坑深度)為35.625 mm；鉆孔灌注樁樁頂及樁身的最大水平位移為0.15%H，且小于30 mm。

2基坑圍護(hù)樁變形分析

基于本文的研究目的來(lái)考慮，主要研究分析圍護(hù)樁的測(cè)斜變形規(guī)律，運(yùn)用“理正深基坑6.01”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件來(lái)模擬本車(chē)站深基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)樁的受力變形規(guī)律?！袄碚罨?.01”軟件具有多種計(jì)算模式和土壓力模型，可靈活調(diào)整施工工況，模擬施工全過(guò)程，并可預(yù)測(cè)地表沉降，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)施工[4]?；尤S整體有限元計(jì)算，考慮了基坑結(jié)構(gòu)的整體空間效應(yīng)，采用三維有限元計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行支護(hù)構(gòu)件、內(nèi)支撐、立柱、斜撐、錨桿及土巖體的三維空間整體協(xié)同計(jì)算，使材料的抗力性能得到充分，從而使計(jì)算結(jié)果更加經(jīng)濟(jì)、合理[5]。基坑三維及平面模型如圖1和圖2所示。

圖1基坑三維模型圖

Fig.1Foundation pit three-dimensional model diagram

圖2基坑模型平面圖

Fig.2Pit model of planar graphs

現(xiàn)主要考察基坑中間圍護(hù)樁的樁號(hào)為34,35 85,86的位移形變規(guī)律，圍護(hù)樁的位移變形不僅可以對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，還可以對(duì)圍護(hù)樁在開(kāi)挖過(guò)程中所受到的側(cè)向壓力和彎矩值進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，從而可以反過(guò)來(lái)指導(dǎo)深基坑的施工過(guò)程[6]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)以樁號(hào)為34號(hào)的圍護(hù)樁為例，其各個(gè)開(kāi)挖階段的位移變形曲線如圖3所示：

圖3　34號(hào)圍護(hù)樁不同開(kāi)挖階段樁體位移圖

其余需要考察的樁號(hào)為34,35,85,86的圍護(hù)樁位移變形及其彎矩?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　圍護(hù)樁位移彎矩最大值

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)論:當(dāng)樁頂冠梁及其內(nèi)支撐施工完畢，并開(kāi)挖到-8.4 m時(shí)，由于圍護(hù)樁大部分仍然嵌固于土體之中，所以圍護(hù)樁的最大變形在樁頂。開(kāi)挖至-14.2 m并安裝完內(nèi)支撐時(shí)，圍護(hù)樁的位移變形基本上沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)大的變化。開(kāi)挖至-19.2 m并安裝完內(nèi)支撐后，由于基坑內(nèi)土體的大量卸載，圍護(hù)樁另一側(cè)土壓力相對(duì)逐漸增大，使得圍護(hù)樁向坑內(nèi)變形[7]。但是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，此時(shí)的變形值仍在安全范圍之內(nèi)，因此可以認(rèn)為此時(shí)基坑是安全的。對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析還可以知道，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力值偏小，說(shuō)明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)偏于保守，因此要對(duì)圍護(hù)樁設(shè)計(jì)做出優(yōu)化處理[8]。

3深基坑圍護(hù)樁優(yōu)化

通過(guò)對(duì)圍護(hù)樁的模擬研究，可以進(jìn)一步了解掌握深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和工作規(guī)律，也可以在保證安全的情況下降低施工造價(jià)。經(jīng)過(guò)上述實(shí)際工程的深基坑數(shù)值模擬可知，在樁徑為1 m，樁間距為1.4 m情況下的圍護(hù)樁最大位移為8.51 mm?，F(xiàn)將樁徑1 m保持不變，使樁間距按每0.1 m的數(shù)值進(jìn)行增大[9]，其圍護(hù)樁位移變化值與圍護(hù)樁數(shù)量變化見(jiàn)表3。

表3　圍護(hù)樁間距與數(shù)量關(guān)系表

現(xiàn)將樁間距1.4 m保持不變，按每0.5 m樁徑減少樁徑，其圍護(hù)樁位移變化值見(jiàn)表4。

表4　不同樁徑下樁體位移變化表

4計(jì)算結(jié)果及分析

圖4　樁體位移增大量的變化值Fig.4　Increase value of pile displacement

表3和表4分別給出了深基坑圍護(hù)樁樁間距和樁徑不同情況下的樁身的最大位移，從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果看，樁間距增大和樁徑的減小均會(huì)使樁身位移量增大，但同時(shí)圍護(hù)樁數(shù)量和樁身截面積也會(huì)相應(yīng)減少，進(jìn)而縮短施工時(shí)間并節(jié)約成本[10]。但對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析可以看出，單一地?cái)U(kuò)大樁間距和減小樁徑，雖然可以節(jié)約材料，但并不滿足施工安全要求。通過(guò)改變樁間距計(jì)算所得數(shù)據(jù)可以看出，隨著樁間距的增加，樁身位移量的增大并非按比例增長(zhǎng)[11]，其位移量增大量的變化量見(jiàn)圖4。

通過(guò)圖4可以看出，當(dāng)樁間距達(dá)到1.7 m時(shí)，樁身位移量突然增大，這時(shí)會(huì)對(duì)施工過(guò)程及安全造成影響，因?yàn)殡S著基坑長(zhǎng)度的增加，順著基坑長(zhǎng)度方向上圍護(hù)樁的位移量也相應(yīng)有所增大，造成樁身位移量不滿足深基坑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。將圍護(hù)樁間距從1.4 m增加到1.6 m，位移量增大量為0.38 mm，圍護(hù)樁數(shù)量減少14根，此時(shí)，位移變化量在施工允許范圍內(nèi)，同時(shí)又做到了節(jié)約時(shí)間和成本[12]。

對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，樁徑的減小對(duì)樁身位移量的影響較大。隨著樁徑的減小，樁身最大位移量迅速增大，對(duì)施工及安全將會(huì)造成極大影響，因此不適合通過(guò)對(duì)樁徑的減小來(lái)優(yōu)化圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)[13]。

5結(jié)語(yǔ)

本文以沈陽(yáng)地鐵9號(hào)線與10號(hào)線地鐵換乘車(chē)站深基坑工程為背景，通過(guò)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的研究分析，對(duì)圍護(hù)樁的樁間距進(jìn)行了優(yōu)化，并使用理正程序建立了三維數(shù)值模型對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。得到如下結(jié)論：

①傳統(tǒng)的深基坑支護(hù)工程中，圍護(hù)樁+錨索+內(nèi)支撐的支護(hù)方式雖然可以保證安全，但是存在支護(hù)參數(shù)偏大，浪費(fèi)原材料的現(xiàn)象。

②以圍護(hù)樁為例，將圍護(hù)樁間距由1 400 mm優(yōu)化為1 600 mm，三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，同樣可以保證基坑施工過(guò)程中的安全性。

③本次深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以為類(lèi)似深基坑工程提供參考，以便創(chuàng)造更多價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王垚,馮超.地鐵車(chē)站深基坑圍護(hù)樁優(yōu)化及數(shù)值分析[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013,9(2):54-58.

[2]譚永超、唐雅茹, 彭加強(qiáng)，等.基于數(shù)值分析的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 城市軌道交通研究,2009,12(8):21-24.

[3]袁志陽(yáng).深基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬與錨固優(yōu)化研究[J]. 施工技術(shù),2011,40(19):54-57.

[4]王場(chǎng)，肖昭然，蔣敏敏.地鐵車(chē)站深基坑支撐系統(tǒng)優(yōu)化研究[J]. 土工基礎(chǔ),2011,12(25):31-34.

[5]龔旭東.基于受力計(jì)算的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法[J]. 鐵道建筑, 2014,1(5): 82-85.

[6]仁建喜，馮曉光，劉慧，等.地鐵車(chē)站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律監(jiān)測(cè)研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào),2009,126(3):89-92.

[7]楊寶珠，仲曉梅.基于FLAC-3D的深基坑開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值分析[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報(bào),2008,25(3):15-18.

[8]謝志英，白洪潮.某基坑支護(hù)的選型優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 四川建材, 2011, 37(4): 238-242.

[9]楊丙，習(xí)志銳，潘少華.深基坑支護(hù)方案優(yōu)化及其應(yīng)力應(yīng)變分析[J]. 水電能源科學(xué), 2013, 31(12): 143-146.

[10]杭天明，張宜佳.基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[J]. 山西建筑, 2011, 37(5): 58-59.

[11]劉杰，姚海林，任建喜.地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué)， 2010, 31(2)： 456-461.

[12]荊嘉.深基坑檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 25(1): 191-192.

[13]林源，胡長(zhǎng)明，李永輝，等.某黃土深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形數(shù)值分析與優(yōu)化[J]. 施工技術(shù)，2010,39(5):18-21.

(責(zé)任編輯唐漢民梁碧芬)

Numerical analysis and optimization on supporting piles in deep foundation fit of metro station

LI Bing， NA Qi，JIANG He-ping

(School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

Abstract:In order to study the deformation of piles in deep foundation pit withdifferent horizontal spacing and diameter, taking the deep foundation pit of a transfer station of Shenyang Metro Line 9 and Line 10 as an example andusing the Lizheng deep foundation design software, the deformation of the retaining structure of the deep foundation pit wereanalyzed. The results show that increasing the pile spacing and reducing the pile diameter can both increase the deformation of the retaining piles. Considering safety and cost, increasing the spacing of piles is the optimized option. If the pile spacing is increased from 1.4 m to 1.6 m, the maximumdisplacement of the pile will beincreased from 8.51 mm to 8.89 mm, which will not result in too large deformation compared with the original plan, the numberof retaining piles will decrease by 14, and construction cost will be saved.

Key words：metro; deep foundation pit; retaining pile; optimization

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 473

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-7445(2016)01-0128-06

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0128

通訊作者：李兵(1974—)，男，遼寧省沈陽(yáng)市人，沈陽(yáng)建筑大學(xué)教授，博士;E-mail:bingleesy@163.com。

基金項(xiàng)目：住建部科技資助項(xiàng)目(2014-K2-019)

收稿日期：2015-10-03；

修訂日期：2015-12-02

引文格式：李兵，那琦，江和平.地鐵換乘站深基坑圍護(hù)樁數(shù)值分析與優(yōu)化[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(1)：128-133.