地鐵換乘站偏壓基坑設(shè)計淺談

[摘要]結(jié)合武漢地鐵3號線某換乘車站基坑，采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法分析坑中坑偏壓基坑的變形機理，圍護結(jié)構(gòu)的變形特點，提出改善坑中坑受力措施及支撐體系設(shè)計方法。結(jié)果表明：不對稱坑中坑在開挖過程中，支護體系的變形與常規(guī)對稱基坑不同，受內(nèi)坑開挖影響，基坑左右側(cè)圍護樁的變形不對稱，總體而言樁體上部水平位移向外坑側(cè)偏移；內(nèi)、外坑之間未開挖土體應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，在設(shè)計及施工過程中應(yīng)重視該區(qū)域，通過調(diào)整施工工序，先施做外掛底板再進行內(nèi)坑開挖能有效改善基坑變形；在偏壓作用下，基坑支撐設(shè)計應(yīng)對支撐體系進行整體平面計算，分析支撐的受力及變形，應(yīng)對支撐水平向鋼筋進行加強。

[關(guān)鍵詞]地鐵換乘站；偏壓基坑；變形；數(shù)值分析

1、引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國城市化進程越來越快，但隨之而來的交通擁堵問題已經(jīng)成為了許多城市在發(fā)展過程中面臨的難題。城市軌道交通具有快速、大運量、方便、準時、舒適、節(jié)能等特點，在解決交通擁堵問題上有著其它交通工具不可代替的作用，隨著地鐵線路的日益增多，線網(wǎng)之間的換乘站也日益增多，結(jié)構(gòu)設(shè)計變得越來越復(fù)雜。換乘節(jié)點基坑一般存在形狀不規(guī)則、深淺坑等特點，給基坑支護設(shè)計帶來新的難題。

目前，已有學者對坑中坑的受力及變形特點做了研究。申明亮等分析了內(nèi)坑影響的基坑被動土壓力疊加算法并對基坑應(yīng)力場進行了參數(shù)化分析；田亞光結(jié)合工程實踐，提出了坑中坑基坑工程在設(shè)計和施工中應(yīng)注意的問題；唐文鵬結(jié)合實例給出了偏壓基坑設(shè)計的基本思路和具體的計算過程，并通過分析計算結(jié)果提出偏壓基坑需要注意的事項。盡管坑中坑已逐漸引起工程設(shè)計人員的重視，并開展了相關(guān)研究，取得了有益的成果，但當前的主要研究內(nèi)容集中在基于對稱基坑的開挖，而基于整體考慮的非對稱坑中坑的開挖對于支護結(jié)構(gòu)的變形特性分析較少，特別是針對偏壓基坑的受力及變形特點尚未提出較好的設(shè)計計算方法及改善措施，現(xiàn)有研究成果難以運用于實際工程。

本文結(jié)合工程實例，對坑中坑偏壓基坑進行有限元數(shù)值模擬，分析偏壓基坑在開挖過程中的受力及變形特點，指出偏壓基坑設(shè)計中的重難點，為以后換乘車站偏壓基坑的設(shè)計提供參考。

2、坑中坑偏壓基坑變形機理分析

基坑工程的特殊性在于開挖卸荷，對于坑中坑，基坑開挖一般分為2個階段，第一階段挖除外坑（5區(qū)）的全部土體，第二階段挖除內(nèi)坑（6區(qū)）的土體。在基坑開挖過程中，不同部位的土體在卸荷時的應(yīng)力路徑是不一樣的，詳見附圖1所示。

1、4區(qū)（側(cè)向卸荷）：在基坑開挖前，這一區(qū)土體豎直方向的自重應(yīng)力是大主應(yīng)力a1，水平方向的靜止土壓力是小主應(yīng)力a3，隨著基坑的開挖，支護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)移，基坑壁的水平位移不斷增大，土體側(cè)應(yīng)力減小，豎向應(yīng)力變化幅度很小，可認為其保持不變。水平向應(yīng)力介于靜止土壓力和主動土壓力之間；

2區(qū)（軸向卸荷）：坑底土體由于上部土體被挖除，上覆土壓力減小，土體發(fā)生軸向卸荷。

3區(qū)（過渡區(qū)域）：該區(qū)域的土體既有側(cè)向卸荷也有軸向卸荷，屬于卸荷過渡區(qū)，在基坑開挖過程中，土體水平向和豎向應(yīng)力都改變，主應(yīng)力的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動。該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜。

3、工程概況

武漢市軌道交通3號線某換乘站位于東風大道與車城北路交匯處，為3、6號線換乘站，換乘方式為T形換乘，3號線為地下三層站，6號線為地下兩層站，換乘節(jié)點與外掛風亭合建。車站長約187m，標準段寬23.1m，換乘節(jié)點段基坑外包寬度約46.7m，主體結(jié)構(gòu)基坑深度約24.6m，換乘節(jié)點外掛段基坑深度約18.2m。換乘節(jié)點與主體結(jié)構(gòu)一同開挖，圍護結(jié)構(gòu)采用1200@1500鉆孔灌注樁+五道內(nèi)支撐體系，其中1-4道為鋼筋砼支撐，第5道為鋼支撐。換乘節(jié)點圍護結(jié)構(gòu)典型橫斷面如圖2所示。

根據(jù)地勘報告，本站場區(qū)地層從上到下主要為1-2素填土、10-3粉質(zhì)粘土、侶黏土、15a-1強風化泥質(zhì)粉砂巖、15a-2中風化泥質(zhì)粉砂巖、15a-a泥質(zhì)粗砂巖。

4、有限元計算模型

本次研究采用有限元計算軟件Plaxis 2D進行計算分析。3層段基坑標準段寬23.4m，深24.6m，外掛段基坑寬46.7m，深18.2m，計算模型長110m，高55m。基坑的位移邊界為：模型頂部為自由邊界；模型的左、右邊界采取法向約束；模型的下邊界為固定約束。地面超載取20kPa，作用寬度為10m。土體采用硬化土模型（HS）模擬，支護樁用板單元來模擬，支撐用點對點錨桿來模擬，計算參數(shù)按表1～表3取值。計算模型如圖3所示。

5、計算結(jié)果

基坑開挖過程就是土體卸荷的過程，對于普通基坑，由于土體卸荷，支護樁向基坑內(nèi)側(cè)移動；對于坑中坑引起的偏壓基坑，由于受內(nèi)坑開挖的影響，支護樁的受力及變形與常規(guī)的基坑不同，現(xiàn)結(jié)合有限元計算結(jié)果對坑中坑支護樁的水平位移進行分析。支護樁的水平位移如圖4所示。

（1）對于左側(cè)支護樁，在基坑開挖過程中，樁體水平位移呈“鼓肚狀”，且隨著基坑開挖深度的增加，最大水平位移值不斷加大，最大位移的位置也不斷下移，且由于開挖3區(qū)土體既有側(cè)向卸荷，也有軸向卸荷，內(nèi)坑開挖過程中，樁體位移變化較大，最大位移值由17.6mm增大到25.3mm，最大位移的位置變化較小，稍有下移。

（2）對于右側(cè)支護樁，隨著基坑開挖深度的增加，樁體的水平位移不斷加大，但變化趨勢與左側(cè)樁差別較大。當基坑開挖較淺時（圖中施做第二道支撐工況），兩側(cè)支護樁嵌固深度均較長，左右兩側(cè)樁體的變形基本一致；隨著基坑開挖深度的加大，左右兩側(cè)樁體由于不對稱受力，左側(cè)樁體持續(xù)向坑內(nèi)變形，右側(cè)樁體受上部支撐傳力影響，樁身上部和下部發(fā)生反向傾斜，上部向坑外變形，下部向坑內(nèi)變形。

（3）對于中間支護樁，前期上部基坑開挖對樁體位移基本無影響，隨著內(nèi)坑的開挖，3區(qū)土體應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，首先上部基坑開挖導(dǎo)致軸向卸荷，其次內(nèi)側(cè)基坑開挖導(dǎo)致側(cè)向卸荷，同時受到左側(cè)及中間支護樁和其間內(nèi)支撐作用，中間支護樁上部向坑外發(fā)生較大變形，下部向基坑內(nèi)側(cè)變形。

鑒于內(nèi)坑開挖時，三個位置的支護樁變形較大，且有向右側(cè)偏移的趨勢，考慮在開挖到淺坑基底時，先將外掛段底板施做完成后，與第四道支撐形成傳力體系，進一步分析樁體的水平位移。外掛段底板采用點對點錨桿模擬。

開挖到深坑底時，兩個工況下的樁體水平位移如圖5所示。由計算結(jié)果可知，開挖到淺坑基底后，先施做淺坑底板，與第四道支撐形成傳力體系，同時，限制了3區(qū)土體后續(xù)的基底隆起，左側(cè)支護樁的水平位移在內(nèi)坑開挖過程中得到了有效控制，最大位移值由25.3mm減小至17.6mm；右側(cè)支護樁下部位移也得到了控制，“踢腳”趨勢明顯減小；中間支護樁因外側(cè)土體軸向卸荷得到了控制，樁頂位移減小，內(nèi)坑開挖對樁的影響減小。加強3區(qū)土體被動區(qū)抗力、控制3區(qū)土體隆起對控制基坑的整體變形效果較為明顯。

6、支撐設(shè)計

換乘節(jié)點基坑一般形狀不規(guī)則，規(guī)模相對較大，且存在坑中坑。由前文研究結(jié)果可知，深淺坑的存在，會對整個支撐體系的受力產(chǎn)生影響，內(nèi)外側(cè)不平衡的土壓力會產(chǎn)生偏壓，導(dǎo)致支撐兩端受力不均衡，僅根據(jù)理正斷面計算結(jié)果，采用單根對撐或斜撐計算方法來進行支撐設(shè)計是不妥當?shù)?，還應(yīng)根據(jù)偏壓受力，對支撐體系進行平面分析計算，不同位置應(yīng)根據(jù)計算施加不同的支撐力。

設(shè)計思路為采用理正深基坑支護計算軟件根據(jù)內(nèi)外側(cè)不同基坑斷面進行計算，得到不同斷面支撐的每延米支撐軸力，之后將該軸力作為均布荷載加到支撐平面體系的腰梁上，邊界條件為不相交于一點的3根鏈桿，支撐體系受力分析采用有限元計算軟件MIDAS GEN2014。

理正深基坑計算可參見文獻相關(guān)內(nèi)容，本文不再贅述，同時，受篇幅影響，本文僅以第三道支撐體系分析計算為例作為說明。計算模型如圖6所示。

由計算結(jié)果可知，支撐體系在偏壓作用下，受力并不均衡，支撐出現(xiàn)了較大的水平彎矩，支撐的最大水平彎矩994KN，在支撐設(shè)計時，除考慮豎向壓彎作用，尚應(yīng)考慮水平向彎矩，加強支撐水平向鋼筋；同時，角部位置應(yīng)力集中，彎矩及變形較大，在設(shè)計中應(yīng)加強角部支撐。支撐體系平面計算結(jié)果如圖7所示。

目前3號線已通車，基坑施工過程中位移控制效果較好，不同位置支護樁變形及受力與計算較吻合。

結(jié)論：

（1）坑中坑內(nèi)坑開挖過程，對整個基坑支護體系的受力及變形有影響，總體而言，深坑支護樁水平位移均向坑內(nèi)，淺坑支護樁及中間支護樁上部位移向坑外，下部位移向坑內(nèi)，呈現(xiàn)“踢腳”變形趨勢。

（2）內(nèi)坑與外坑之間未開挖土體在側(cè)向卸荷和軸向卸荷雙重作用下應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，加強該區(qū)域土體的抗力，限制該區(qū)域土體的隆起變形，對整個基坑的受力及變形較為有利，在內(nèi)坑開挖過程中可根據(jù)地層對該區(qū)土體進行加固改良，或先將外掛段底板澆筑完成與內(nèi)坑支撐形成傳力體系后再進行內(nèi)坑開挖是較為可行的措施。同時，應(yīng)加強對該區(qū)域的監(jiān)測，做到信息化施工。

（3）在偏壓基坑作用下，支撐設(shè)計不能簡單的按照普通的對撐或斜撐設(shè)計，尚應(yīng)結(jié)合整體平面計算，分析支撐體系在偏壓作用下的受力及變形，應(yīng)對支撐水平向鋼筋進行加強。