地鐵車站明挖深基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

郭 嘉

（廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510700）

1 工程概況

廣州地鐵7 號線大沙東站支護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼管支護，支護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，模型φ1000mm@1500mm，埋深為基坑底部以下6m。三根立柱豎向安裝在基坑內(nèi)。采用直徑609mm 的直型鋼支架，鋼壁厚度16mm。第一直支架的水平間距為6m，第二、第三直支架的水平間距為3m。直支撐段和對角支撐段均采用鋼檁條。

場地地層以人工第四紀填方為主，場地從上到下分為8 層，為平原填方、類黃土、硅質(zhì)粘土、中砂、礫石、硅質(zhì)粘土、中砂。上更新世沖積粉質(zhì)粘土和砂土中無明顯的隔水現(xiàn)象。研究區(qū)地下水位-15.58～18.40m，第四系孔隙水。含水層主要為全新世沖積層和礫石沖積土層。研究無承壓地下水的深度。

2 有限元模型及計算工況

2.1 基本假設

在建模過程中，根據(jù)以下假設處理土層的支撐結(jié)構(gòu)和特性：

（1）假設基坑開挖區(qū)域土體為均質(zhì)各向同性彈塑性體，且土體的應力應變對應庫侖摩爾模型，鉆孔灌注樁、鋼直撐和鋼圍檁均達到理想彈性。樁孔樁對應于600mm 厚的理想地下彈性墻。

（2）均消除了土的位移場并保持了應力場，不必考慮混凝土樁的結(jié)構(gòu)對土體應力和性質(zhì)的影響。

（3）沒有考慮基坑開挖動態(tài)施工過程對土體力學性質(zhì)的影響。

（4）基坑開挖前的降水效果滿足設計要求，與土壤中水分的滲入無關。

2.2 有限元模型

在本文中，地鐵車站基坑的有限元模型為20m 寬、18.2m 深、東西向膨脹兩端長14.6m、標準斷面225m?；拥男Ч秶鸀殚_挖深度的3～4 倍，模型的水平尺寸為180m×180m，垂直尺寸設置為60m。所選工作面滿足基坑手冊的要求[1]。結(jié)合場地地質(zhì)垂直剖面，固定土層從上到下的厚度分別為1m、1.2m、7m、4.8m、1.2m、5m、10.2m、29.6m。采用一維梁單元模擬鋼支撐。總材料為C35 混凝土，坑墊材料為C20 混凝土。鋼模為Q235B，板件模擬鉆孔灌注樁等效壁厚，該模型由145532 個部分和453828 個元素組成。尺寸變形單元主要是六面體單元，見圖1。

圖1 有限元模型

2.3 模擬計算工況

根據(jù)“分區(qū)，分類，定性和定量”的原則對施工過程進行模擬，仿真計算分析了基坑施工過程對土壤應力和變形的影響[2]。

第一階段（CS1 條件）：初始地應力分析，檢查位移補償?shù)钠椒綖榱悖M土體固結(jié)過程。

第二階段（CS2 條件）：支樁施工。

第三階段（CS3 條件）：開挖至地表以下2.1m，第一條鋼支撐線在地表以下1.4m 處施工。

第4 階段（CS4 條件）：開挖至地表以下9.2m，并在地表以下8.4m 處建造第二根鋼支撐線。

第5 階段（CS5 條件）：在地下14.0m 開挖，第三條鋼支撐線在地下13.2m。直支座預應力為400kN，對角支座預應力為450kN。

第六階段（CS6 條件）：開挖至地平面以下18.2m 處，18.0m 處C20 混凝土層厚200mm。

3 計算結(jié)果分析

3.1 基坑水平位移

圖2 為不同操作條件下基坑的水平運動與基坑的深度之間的關系曲線圖。18.2m 深度的基坑最大水平位移為10.9mm，基坑東西向-16.7m 有最大水平位移為9.3mm?？觾?nèi)土壤層深度為10～21.3m，圓形礫石層厚度，內(nèi)聚力等于0，抗剪力與相鄰土體差值大，施加力時產(chǎn)生側(cè)向位移較大，這是造成這種現(xiàn)象的原因。圖3 為工況CS6 基坑水平位移云圖。

圖2 不同工況下基坑水平位移與基坑深度關系曲線

圖3 工況CS6 基坑水平位移云圖（單位：mm）

3.2 基坑豎向位移

（1）圖4 為基坑開挖過程中豎向位移曲線。由圖4 可知，在CS6 工況為47mm 時，基坑底部的豎向位移最大，最小豎向位移為-6.9mm（下沉），同時出現(xiàn)基底邊緣位移，為-10.2～11.8mm（下沉）。為避免礦井底部強局部變形造成的破壞?；A坑底部的垂直位移變化較大，而基礎坑的垂直位移變化不大。為了避免礦山底部的強局部變形引起的損傷，有必要在礦山底部采取技術(shù)對策。

圖4 不同工況下基坑豎向位移曲線

（2）圖5 為CS6 運行條件下基坑周圍地面垂直位移的云圖。圖上可以看到，一旦開挖溝槽已經(jīng)結(jié)束，豎直位移坑（沉降）隨著距離的增加而減小，基坑邊和改變地表沉降率為30m 的坑邊外地表沉降速率接近于0。更具體地講，當坑壁的距離是0～30m，地表沉降坑周圍顯示一個線性變化，從而減少8.2mm，達到了19.4-7.8mm。當坑墻是80m 的距離，基礎坑周圍表面的沉降值對應于30mm 的警告值。

圖5 工況CS6 時基坑周邊地表豎向位移云圖（單位：mm）

3.3 圍護樁水平位移

圖6 顯示了在CS6 條件下圍護樁水平運動的云圖，該圖顯示了圍護樁的最大水平位移為10.9mm，并且發(fā)生在深度18.2m 處，低于警告值24mm;當達到CS5 和CS6 條件時，圍護樁移動為0，并且坑周圍的土壤質(zhì)量實際上已穩(wěn)定。這表明，鋼支撐進一步防止土體和樁進入基坑，保證基坑的穩(wěn)定，并實現(xiàn)了土體、支護結(jié)構(gòu)和內(nèi)直支護之間的力平衡。

圖6 工況CS6 圍護樁水平位移云圖（單位：mm）

3.4 支撐軸力

3.4.1 直撐和斜撐軸力

圖7 給出了不同工況下直撐軸力變化曲線，由圖7 可知：

圖7 不同工況下直撐軸力變化曲線

（1）在開挖CS3 的狀態(tài)下豎立第一直撐；當基坑挖到CS4 時第二直撐豎起，第一條直撐的軸向力減小。從CS4 到CS6，第一直撐的軸向力的變化曲線基本保持水平。

（2）在第三直撐建成后，第二直撐的變化規(guī)律與第一直撐的變化規(guī)律相似。盡管軸向力略有變化，但總體上趨于穩(wěn)定。

（3）基坑土層為球形，內(nèi)聚力為0，抗剪強度小，水平變形大。第三直撐的軸向力從400kN 增加到1885.3kN，增加了1485.3kN，其他兩個直撐的軸向力變化不大，這表明在狀態(tài)CS6 中，第三個右隔片在限制基坑的大水平位移方面起著重要作用。在不同的工作條件下，對角墊片的軸向力變化與右墊片的軸向力變化相似，在此不再多做敘述。

3.4.2 支撐軸力計算值與設計值比較

表1 為基坑開挖工況CS6 時各道支撐計算最大值與設計值的統(tǒng)計表。

表1 支撐軸力計算值與設計值對比表

由表1 可知：

（1）對于3 個直撐，第二階段計算的軸力大于設計軸的力，第三層計算的值大于設計軸的力。從上面可以明顯看出，在挖坑的過程中第二和第三支撐消除了保持結(jié)構(gòu)的任何過度運動，并充分發(fā)揮了其作為直撐的作用。

（2）必須報告第三個直接支撐軸計算值的27.3%的軸力和超限，并應采取適當?shù)募夹g(shù)措施，以通過增加直接支撐的密度來避免在基礎井施工期間發(fā)生安全和質(zhì)量事故。

（3）斜夾鉗軸的計算值與功率計算值之間的比較表明，斜軸上的力沒有超過計算值。

4 結(jié)論與建議

（1）計算和分析表明，由于在地鐵站中建造基坑而導致的表面垂直溢出在-11.8～-10.2mm 之間，并且涂層電池車頂?shù)淖畲笏轿灰茷?0.9mm，這與地鐵站中深基坑的建造而引起的地面溢出和保持結(jié)構(gòu)變形的要求是一致的。

（2）在CS5 至CS6 條件下，第三右支撐的軸力增加了1485.3kN，因此，應對第三條直撐重點優(yōu)化，增加密度，增加設計阻力，避免增加直撐。在基坑的建設過程中更為安全，防止變形和安全事故[3-4]。

（3）當在支撐裝置末端挖至下層土時，直接支撐的軸力顯著增加，在施工期間必須加強對直接支撐軸的力的控制，以確保支撐的安全性[5]。

（4）在基坑開挖階段，除第三個直撐外，支撐軸上的力明顯小于計算值，并且優(yōu)化的余地很大。在設計階段，優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的布局和密度，縮小支撐結(jié)構(gòu)的尺寸，降低建設費用。

5 結(jié)束語

在對地鐵站進行深入研究和對結(jié)構(gòu)進行有限元分析的基礎上，加深了對明挖深基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的認識。結(jié)果表明，由于深基坑而引起的表面垂直變形為-11.8～-10.2mm，混凝土樁頂部的最大橫向變形為-10.9mm，符合西安地區(qū)的地表和井架變形特征；在基坑開挖階段，除第三直撐外，內(nèi)支架軸線上的力明顯小于計算值，并且有很大的優(yōu)化余地。內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)是安全且可通過的，可以用作類似建造的參考。