地鐵車站支撐拆除對圍護結(jié)構(gòu)的影響

劉仁華

(中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400065)

1 引言

在地鐵車站的修建過程中，支撐拆除前后圍護結(jié)構(gòu)的受力往往會產(chǎn)生較大的變化，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)的開裂甚至失效。本文以重慶軌道交通10 號線蘭花湖停車場基坑工程為依托，采用有限元軟件ANSYS 模擬了支撐拆除對圍護結(jié)構(gòu)的影響，可作為地鐵車站圍護結(jié)構(gòu)施工的理論參考。

2 工程概況

重慶軌道交通10 號線蘭花湖停車場基坑工程位于重慶工商大學(xué)蘭花湖校區(qū)東北側(cè)，基坑深13.4 m，寬15.6 m，主要分布的地層巖性為人工填土、砂質(zhì)泥巖和砂巖，其中人工填土成分復(fù)雜，穩(wěn)定性差?；硬捎勉@孔灌注樁+內(nèi)支撐支護方式進行支擋，并采用分層開挖的方式進行開挖。

3 數(shù)值模擬及分析

3.1 數(shù)值模型的建立

本次模擬采用ANSYS 軟件進行模擬，根據(jù)圣維南原理，基坑開挖的影響范圍為2～4 倍開挖深度的[1]，因此最終確定的模擬范圍為一個長123.2 m，寬70.4 m 的矩形區(qū)域，基坑開挖位置位于矩形的正中間，模型的網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

本次模擬為二維平面模擬，因此選用plane42 單元模擬土體，選用beam3 單元模擬鉆孔灌注樁，選用link1 單元模擬支撐?？紤]到樁和土體的變形模量差異較大，可能在接觸面產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，因此，引入接觸單元模擬樁和土體之間的接觸效應(yīng)，采用TARGE169 單元模擬樁，采用CONTAC171 單元模擬土體[2]。土體采用DP 模型以體現(xiàn)其彈塑性，樁及支撐則采用彈性模型[3]。模擬所取參數(shù)均根據(jù)現(xiàn)場實測資料和城市軌道交通基坑設(shè)計規(guī)范確定，物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 樁體水平位移分析

支撐拆除前樁體的水平位移模擬結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出，樁體的水平位移隨著樁體深度的增加呈現(xiàn)出L形分布，基坑上部由于支撐的存在，樁體水平位移基本為零，說明內(nèi)支撐可以很好地約束樁體的水平位移。從第二道支撐往下開始，樁體的水平位移開始逐漸增大，兩側(cè)樁體的位移并不對稱，左側(cè)樁體位移稍大，原因是基坑左側(cè)有一定向上的坡度，樁體受到的土壓力較右側(cè)樁體更大。樁體的水平位移在基坑底部達到最大值5.99 mm，這是由于基坑開挖土體地應(yīng)力釋放，坑底土體隆起，樁體受到側(cè)向土壓力而產(chǎn)生位移。

圖2 支撐拆除前位移

在地鐵車站施工過程中，常常將主體結(jié)構(gòu)側(cè)板和圍護樁一起作為圍護結(jié)構(gòu)，共同抵抗土體壓力。因此，支撐拆除后，必須考慮主體結(jié)構(gòu)側(cè)板的支承作用?？梢圆捎玫刃Х椒▉砜紤]圍護樁和主體結(jié)構(gòu)側(cè)板的共同支護作用，即通過等效彈性模量換算公式將主體結(jié)構(gòu)側(cè)板的彈性模量折算給圍護樁，其計算方法為Ee=AcEc/Ap+Ep(其中，Ee為等效彈性模量；Ac為主體結(jié)構(gòu)側(cè)板橫截面面積；Ec為主體結(jié)構(gòu)側(cè)板彈性模量；Ap為圍護樁橫截面面積；Ep為圍護樁彈性模量)[4]。

支撐拆除后樁體的水平位移模擬結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，支撐拆除后，樁體的水平位移有了明顯的增加，呈現(xiàn)出一種經(jīng)典的U 形分布，最大水平位移出現(xiàn)在樁體中部，達到了13.02 mm。在接近基坑底部的位置，樁體的水平位移有了明顯的減小，這是因為在基坑底部，樁體嵌入土體內(nèi)，樁體的水平位移受到了土體的約束。

圖3 支撐拆除后位移

由上述的研究可以得出，支撐拆除前后樁體的水平位移會發(fā)生明顯的變化，過大的位移會導(dǎo)致樁體開裂甚至失效。支撐拆除前后樁體的水平位移差值如圖4 所示，從圖中可以看出，支撐拆除前后樁體的水平位移差值也呈現(xiàn)出U 形分布，樁體中部的位移變化量最大，最大值達到了12.59 mm，是整個樁體最容易產(chǎn)生破壞的部位。由于支撐的存在，樁體上部和中部的位移差值明顯大于底部，在支撐拆除后的監(jiān)測過程中，應(yīng)著重監(jiān)測樁體的上中部。

圖4 拆撐前后樁體水平位移差值

3.2.2 樁體彎矩分析

支撐拆除前樁體的彎矩模擬結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出，支撐拆除前后樁體的彎矩發(fā)生了明顯的變化，拆除后樁體的彎矩明顯減小。支撐拆除前，樁體的彎矩呈現(xiàn)出W 形分布，樁體的彎矩在支撐處均達到局部最大值，在第二道支撐處達到整體最大值，最大值為1 185 kN/m，這是因為由于支撐的支承作用幾乎阻斷了樁體的水平位移，而支撐周圍的土體壓力仍然較大，導(dǎo)致支撐處的彎矩值發(fā)生了突變。由于支撐的支承作用，樁體的彎矩在上半部分發(fā)生了2 次變化，使得樁體的彎矩分布十分不均勻，因此，在實際的施工過程中應(yīng)保證樁體的剛度。

圖5 支撐拆除前彎矩

支撐拆除后樁體的彎矩模擬結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看出，支撐拆除后樁體的彎矩發(fā)生了明顯的減小，大體上呈現(xiàn)出U 形分布，這是因為支撐拆除后樁體可以發(fā)生自由變形，充分發(fā)揮樁體的整體承載能力。因此可以得出，支撐拆除對樁體的抗彎承載力是有利的，在施工階段應(yīng)著重考慮支撐拆除前樁體的抗彎承載力。

圖6 支撐拆除后彎矩

4 結(jié)論

本文以重慶軌道交通10 號線蘭花湖停車場基坑工程為依托，運用數(shù)值模擬的方法，分析了支撐拆除對圍護結(jié)構(gòu)的受力影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）支撐拆除后較支撐拆除前樁體的水平位移有了明顯的增加，支撐拆除前樁體的最大水平位移位于樁底，而支撐拆除后樁體的最大水平位移位于樁體中部。

2）支撐拆除前后樁體的水平位移最大差值位于樁體中部，并且樁體上部水平位移差值大于樁體下部水平位移差值。

3）支撐拆除后較支撐拆除前樁體的彎矩會發(fā)生明顯的減小，支撐的拆除對樁體的抗彎承載力是有利的。