地鐵換乘站深基坑內(nèi)支撐體系的優(yōu)化設(shè)計與分析

侯新宇，薛必芳，火映霞，袁嬌嬌

(江蘇開放大學(xué)建筑工程學(xué)院，南京　210036)

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地鐵換乘站深基坑內(nèi)支撐體系的優(yōu)化設(shè)計與分析

侯新宇，薛必芳，火映霞，袁嬌嬌

(江蘇開放大學(xué)建筑工程學(xué)院，南京210036)

采用土體卸載條件下的Hardening-Soil有限元模型，研究蘇州某地鐵換乘站深基坑3種支撐方案對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和基坑變形的影響。結(jié)果表明：與初始方案比較，方案A(去掉第4道支撐)的墻身最大側(cè)移增大了35.28%，最大正負剪力分別增加41.87%和71.11%，最大正負彎矩分別增加145.32%和45.39%，最后一道支撐軸力達到1018kN，比初始方案增加了近1倍，對基坑土體變形影響增長近10%；方案B(第3、4道支撐合并)的墻身最大側(cè)移增大了10.49%，最大正負剪力則增加6.89%和33.97%，最大正負彎矩增加34.46%和10.97%，合并后的第3、4道支撐軸力降低了15%，對基坑土體變形影響較小。方案B既能保證基坑安全和環(huán)境影響的要求，又能降低造價。

地鐵換乘站；深基坑；支撐；優(yōu)化設(shè)計；HS模型

1　概述

隨著城市人口急劇增長和地下空間大量開發(fā)，城市地下軌道交通工程迅速崛起，地鐵換乘車站大量涌現(xiàn)。由于換乘站具備獨特的交叉換乘功能，受到多重因素影響：地處交通樞紐區(qū)域、結(jié)構(gòu)形式錯綜復(fù)雜、地下結(jié)構(gòu)埋藏深度大、地面地下環(huán)境復(fù)雜多變等，導(dǎo)致其深基坑工程支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工難度均遠遠超過常規(guī)基坑工程，對周邊市政道路、地下管線、鄰近建筑物等的保護要求更高，考慮城市交通流臨時疏導(dǎo)、基坑土體暴露時間、材料及土體運輸?shù)纫蛩兀瑢Q乘站基坑的實施工期要求更高，這些都導(dǎo)致基坑實施風(fēng)險增大[1]。

現(xiàn)有基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計理論方法基本能夠滿足支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、基坑變形等方面要求[2，3]，可以實現(xiàn)“強度控制”和“變形控制”標準，但卻無法綜合考慮施工工期、工程造價等方面因素。因此，采用更為科學(xué)有效的計算分析方法對原方案進行系統(tǒng)研究，進而優(yōu)化改進原設(shè)計方案以滿足實施過程中多方面需求顯得尤為重要。國內(nèi)外對多支撐基坑支護結(jié)構(gòu)受力變形特征進行多方面研究[4-6]，支撐位置對基坑土體整體穩(wěn)定性研究[3]，支撐剛度及施加預(yù)應(yīng)力軸力對基坑變形和內(nèi)力的影響分析[7，8]，多支撐基坑變形的數(shù)值模擬及正交試驗研究等[9]。

部分學(xué)者針對實際項目進行支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究，龔旭東[10]對支護結(jié)構(gòu)受力進行簡化分析，對成都地鐵深基坑進而優(yōu)化支撐位置；朱彥鵬等[11]根據(jù)支撐位置不同及對基坑變形影響，對蘭州地鐵深基坑支護設(shè)計方案進行優(yōu)化；王薇等[12]采用動態(tài)設(shè)計理念，結(jié)合水位監(jiān)測信息和施工監(jiān)控狀況，對湖北深基坑內(nèi)支撐進行優(yōu)化設(shè)計；楊校輝等[13]考慮安全和造價等因素，對西寧火車站深基坑支護結(jié)構(gòu)方案進行優(yōu)化設(shè)計；王場等[14]主要研究了內(nèi)支撐參數(shù)變化對深基坑變形的影響，對鄭州地鐵深基坑支撐系統(tǒng)進行優(yōu)化。由于蘇州市區(qū)地處太湖沉積相場地，地鐵車站受典型的粉質(zhì)黏土夾粉砂地層控制，且承壓水發(fā)達，為了確?；影踩?，常規(guī)基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計往往偏于安全，對蘇州地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)進行更為科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計并未見到，對蘇州某地鐵換乘站初始設(shè)計方案進行設(shè)計優(yōu)化，通過有限元數(shù)值模擬以及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，最終比較得出不同方案的優(yōu)缺點，這對類似工程的設(shè)計和實施具有重要指導(dǎo)和借鑒意義。

2　工程概況

2.1工程地質(zhì)條件(表1)

蘇州地鐵開挖深度約達地面下20 m，基坑深度范圍內(nèi)主要穿過④層、⑤層土，其中④層土主要由粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂等構(gòu)成，具有中等壓縮性、強度偏低、透水良好且為微承壓水層等顯著特點，該層土性質(zhì)復(fù)雜，厚度變化大(局部超過10 m)，其工程特性對基坑支護結(jié)構(gòu)變形影響最大。⑤層土為灰色粉質(zhì)黏土，強度較低。

另外，場地整體地處太湖流域，水系發(fā)達，屬于軟土區(qū)域，且部分土層含沙量較大，地下水情況復(fù)雜，對地鐵工程實施影響較大。地鐵1號線所在場地地下水埋藏特征明顯，主要由淺層潛水、微承壓水、承壓水構(gòu)成。因此易造成支護結(jié)構(gòu)變形過大、滲水、涌砂、地面沉降等工程風(fēng)險。

表1　土層計算參數(shù)

2.2地鐵車站基坑特點

該換乘站所在場地東西高、中間低，且中間有橫跨干將河的立交橋1座，是附近地下水和地下管線匯集的主要區(qū)域，也是干將路和人民路的交通要塞，緊鄰車站就有重要保護文物建筑。換乘站為軌道交通1號和4號線的換乘樞紐，共設(shè)置10個出入口(6個為1號線使用，其余4個為4號線預(yù)留)，另外設(shè)置2處換乘通道和6組風(fēng)亭。1號線車站東西走向，其外圍長度291.3 m、標準段寬度22.7 m；4號線車站南北走向，其外圍長度310.4 m (本次施工155.55 m)、標準段寬度31.8 m，工程規(guī)模大、周邊環(huán)境錯綜復(fù)雜。

換乘站為全地下二層結(jié)構(gòu)，形式復(fù)雜。車站基坑平均開挖深度達18 m，基坑安全等級為一級，主體采用地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)體系，采用明挖法施工。因此，對環(huán)境保護、地面沉降、圍護結(jié)構(gòu)水平位移要求都非常嚴格。

2.3支撐體系多方案的提出

換乘站基坑實施劃分5個區(qū)，研究對象為最重要的D區(qū)，D區(qū)北側(cè)緊鄰文物建筑、南側(cè)為重要臨時道路，考慮汛期對干將河水位影響、臨時交通管制等因素，該部分基坑實施的最主要矛盾是工期緊迫。如何在確保環(huán)境安全的前提下，如期或者提前完工是關(guān)鍵。換乘站基坑支護平面如圖1所示。

D區(qū)基坑開挖深度19 m，地下連續(xù)墻厚度0.8 m。基坑內(nèi)支撐體系的初始方案為：共設(shè)置4道內(nèi)支撐，首道為鋼筋混凝土支撐，截面1.00 m×0.70 m，其余3道采用φ609 mm(t=16 mm)的鋼管支撐，基坑土體分級開挖，開挖深度到達下一支撐位置超挖1 m，坑外超載距地連墻1 m，取20 kPa，見圖2(a)。鑒于A區(qū)、B區(qū)較為成功的施工控制經(jīng)驗，經(jīng)專家組研討，在確?；影踩铜h(huán)境要求前提下，擬優(yōu)化調(diào)整支撐體系以縮短工期，并提出兩種優(yōu)化方案，方案A做法直接去掉第4道支撐(圖2(b))，其優(yōu)點是少施工一道支撐，同時便于坑底土方開挖及底板等地下結(jié)構(gòu)施工，能有效縮短工期；方案B則把第3、第4道支撐合并(圖2(c))，并把支撐位置在原第三道支撐位置處下移1.50 m，也能縮短工期。但優(yōu)化方案需要經(jīng)過嚴格計算分析，確定支撐調(diào)整對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和基坑變形的影響，以確?；影踩?/p>

圖1　換乘站基坑支護平面

圖2　換乘站基坑支護方案示意

3　有限元數(shù)值模擬(圖3)

基坑開挖中土體的卸載模量與加載模量不同，傳統(tǒng)的彈塑性模型無法滿足實際工程需要。Hardening-Soil(HS)模型采用軸向加荷剛度E50、軸向卸荷剛度Eur、等相固結(jié)剛度Eoed對基坑不同工況下的土性進行描述，考慮了土體的剪脹和中性加載，克服了Duncan-Chang模型的缺點，在Mohr-Coulomb屈服面基礎(chǔ)上引入了一個屈服帽蓋，能夠比Duncan-Chang模型更為真實地模擬基坑土體開挖卸載導(dǎo)致的變形特征。當對土體施加偏應(yīng)力σ1-σ3時，土體表現(xiàn)出剛度下降，產(chǎn)生塑性應(yīng)變。在主應(yīng)力空間中HS模型的屈服面是隨著塑性應(yīng)變而擴張的，可以同時考慮壓縮和剪切硬化，這是常規(guī)的彈塑性模型所無法比擬的。

圖3　方案A有限元計算模型

本計算模型采用三軸固結(jié)不排水剪(CU)的有效應(yīng)力指標，土性參數(shù)、地連墻參數(shù)、支撐參數(shù)見表1～表3。

表2　地連墻物理力學(xué)參數(shù)

表3　支撐物理力學(xué)參數(shù)

4　基坑支撐多方案比較

對3種基坑支護方案建立有限元數(shù)值模型，對最終計算結(jié)果中的支護結(jié)構(gòu)位移、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、支撐體系內(nèi)力、基坑土體變形等進行計算比較分析。

4.1支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移分析

3種不同支撐方式產(chǎn)生的支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移均呈現(xiàn)中間大、兩端小的特點，且兩端的墻頂、墻腳位移值幾乎無變化，如圖4所示。初始方案的支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值30.53 mm，最大位移發(fā)生在墻體20.46 m深度處，而方案A(去掉第4道支撐)的最大側(cè)移值41.30 mm，發(fā)生在墻體17.95 m深度處；方案B(第3、4道支撐合并)的最大側(cè)移值31.69 mm，發(fā)生在墻體18.31 m深度處。

圖4　支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移

由此可見，方案A最大側(cè)移值比初始方案增大了35.28%，最大側(cè)移位置比初始方案向上移動近2.50 m；方案B最大側(cè)移值比初始方案增大了10.49%，最大側(cè)移位置向上移動近2.15 m。且方案A和方案B的最大側(cè)移均發(fā)生在基坑開挖深度內(nèi)，初始方案最大側(cè)移發(fā)生在基坑開挖深度以下，這說明方案A去掉第4道支撐和方案B的第3、4道支撐合并都較大改變了基坑土壓力場分布，支撐結(jié)構(gòu)中的第3、4道支撐對抵抗主動土壓力起到重要作用。

4.2支護結(jié)構(gòu)墻身內(nèi)力分析

支護結(jié)構(gòu)墻身剪力是由于主動區(qū)土水壓力和支撐軸力共同作用的結(jié)果。由圖5可見，初始方案墻身最大正剪力233.81 kN/m，作用在墻身21.56 m位置，即為基坑開挖面下1.56 m處，而最大負剪力-401.13 kN/m，作用在墻身14.88 m位置；方案A墻身最大正剪力331.70 kN/m，作用在墻身10.5 m位置，墻身最大負剪力-686.37 kN/m，作用在墻身10.5 m位置；方案B墻身最大正剪力249.93 kN/m，作用在墻身21.56 m處，墻身最大負剪力-537.39 kN/m，作用在墻身13.5 m處。

圖5　支護結(jié)構(gòu)剪力分布曲線

與初始方案相比較，方案A墻身最大正剪力增大了41.87%，最大負剪力增大了71.11%；方案B墻身最大正剪力則增大了6.89%，最大負剪力增大了33.97%。

3種方案墻身最大負剪力均出現(xiàn)在最下道支撐位置附近。初始方案和方案B的最大正剪力位置均位于基坑底面以下，而方案A最大正剪力位置同樣處于其最大負剪力位置，這是由于所在位置支撐為最后一道支撐，距離坑底8 m深，使該道支撐承擔更大的側(cè)向壓力作用。

由圖6可見，初始方案墻身最大正彎矩335.67 kN·m/m，作用在墻身6.5 m位置，即第2道支撐位置處，而最大負彎矩-909.65 kN·m/m，作用在墻身18.31 m位置；方案A墻身最大正彎矩823.45 kN·m/m，作用在墻身10.5 m位置，墻身最大負彎矩-1 322.55 kN·m/m，作用在墻身17.28 m位置；方案B墻身最大正彎矩451.32 kN·m/m，作用在墻身6.5 m處，墻身最大負彎矩-1 009.39 kN·m/m，作用在墻身17.97 m處。

圖6　支護結(jié)構(gòu)彎矩分布曲線

與初始方案相比較，方案A墻身最大正彎矩增大了145.32%，最大負彎矩增大了45.39%；方案B墻身最大正彎矩增大了34.46%，最大負彎矩增大了10.97%。

3種方案墻身最大負彎矩均出現(xiàn)在基坑底面以上1 m范圍內(nèi)。初始方案和方案B的最大正彎矩均位于第2道支撐位置，而方案A最大正彎矩位置則出現(xiàn)在第3道支撐位置，該處是最大正負剪力位置，這是由于最后一道支撐所承擔剪力過大，造成彎矩發(fā)生較大突變。

4.3 支撐體系內(nèi)力分析

根據(jù)不同工況條件下的軸力數(shù)據(jù)結(jié)果，如圖7～圖9所示。3種方案的首道支撐最大軸力均未超過180 kN，最大軸力工況為第二次開挖結(jié)束，當后續(xù)支撐設(shè)置完畢并發(fā)揮作用時，首道支撐軸力逐漸減小，直到最后工況均保持較小軸力。

初始方案的第2道支撐在第3道支撐發(fā)揮作用前出現(xiàn)最大軸力466.8 kN，隨著后續(xù)支撐發(fā)揮作用和土方開挖工況的進行，第2道支撐軸力稍有降低，最后工況軸力422.3 kN；第3道、第4道支撐具備相似的規(guī)律，最后軸力穩(wěn)定在572.3、521.4 kN。

圖7　初始方案支撐軸力變化

方案A的第2道支撐在第3道支撐發(fā)揮作用前出現(xiàn)最大軸力466.8 kN，隨著第3道支撐發(fā)揮作用，第2道支撐軸力逐漸降低到最后的405 kN；第3道最后軸力穩(wěn)定在1 018 kN，比初始方案最后一道支撐軸力增加了近1倍。

圖8　方案A的支撐軸力變化

由于方案B第3、4道支撐合并，位置下移1.5 m，且同時作用，使得第2道支撐最大軸力達到646.2 kN，但隨著第3、4道支撐同時發(fā)揮作用，第2道支撐軸力逐漸降低到最后的546.3 kN；第3、4道合并支撐軸力為949.1 kN，相當于每道支撐承擔474.55 kN，合并后的第3、4道支撐軸力均小于初始方案，降低了近15%。

圖9　方案B的支撐軸力變化

4.4基坑坑背土體豎向位移分析(圖10)

圖10　基坑坑背土體豎向位移變化

基坑坑背在地面荷載作用下，隨著基坑土體卸載開挖土層移動，產(chǎn)生豎向沉降。3種方案的坑背土體沉降均在基坑開挖深度范圍內(nèi)達到最大，之后逐漸減小。初始方案的坑后土體最大沉降47.43 mm，方案A達到52 mm，比初始方案增加了9.63%，方案B達到48.31 mm，比初始方案增加了1.84%。

由此可見，方案A對坑背土體沉降影響較大，而方案B對坑背土體沉降影響甚微。

4.5基坑坑底土體豎向位移分析

由圖11可見，基坑坑底土體在距支護結(jié)構(gòu)2 m范圍內(nèi)出現(xiàn)較大隆起，初始方案最大隆起達117.14 mm，方案A為119.25 mm，增幅僅為1.81%，方案B為116.06 mm，比初始方案減少0.92%。分析該范圍內(nèi)的隆起主要是坑底土體回彈、土層豎向移動，以及支護結(jié)構(gòu)側(cè)向擠壓共同作用的結(jié)果。隨著坑底土體與支護結(jié)構(gòu)之間相互作用的降低，坑底隆起值逐漸降低，在距支護結(jié)構(gòu)10 m左右最小，之后開始逐漸增大并趨于穩(wěn)定，這主要受坑底土體回彈、土層豎向移動影響，但均未超過120 mm。3種方案對基坑坑底土體隆起影響差異較小。

圖11　基坑坑底土體豎向變化

綜上分析，比較3種支撐布置方式對基坑的影響：方案A的支護結(jié)構(gòu)側(cè)移遠大于初始方案和方案B的情況，方案A的支護結(jié)構(gòu)墻身最大正負剪力、最大正負彎矩、最后一道支撐軸力等均遠超過初始方案和方案B的情況，方案A的坑背土體沉降、坑底土體隆起也具備相似的規(guī)律，但不夠顯著。其根本原因是去掉了原第4道支撐，使現(xiàn)有最后一道支撐距基坑底面距離增大到8 m(原距離只有4 m)，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)墻體、支撐軸力重新分布，發(fā)生較大改變，同樣影響基坑變形特征。

雖然方案B在支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、基坑變形等方面均比初始方案有所增大，但其增幅有限，且二者具備相似的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和基坑變形特征。方案B的第3、4道支撐合并，作用在第3道位置下1.5 m處，與初始方案比雖然增大了支撐豎向間距，但兩道支撐合并卻增加了支撐剛度，最下道支撐距坑底6.5 m，這也可以顯著彌補方案A中的第3道支撐軸力過大的問題。

5　結(jié)　語

針對換乘站基坑的初始設(shè)計方案，方案A(去掉第4道支撐)減少第4道支撐施工，使最后一道支撐距坑底空間增大，便于坑底土方及底板等地下結(jié)構(gòu)施工，能有效縮短工期，但方案A也正是由于缺少第4道支撐的存在，使得支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)墻身內(nèi)力、最后一道支撐軸力、基坑變形等均顯著增大，這大大增加了基坑實施風(fēng)險。方案B(第3、4道支撐合并)把支撐位置在原第3道支撐位置處下移1.50 m，增大了支撐豎向間距，雖然支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和基坑變形均有增加，但幅度有限，也可以縮短工期。因此，在初始方案基礎(chǔ)上進行優(yōu)化的方案B要優(yōu)于方案A。

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Optimization Design and Analysis of Support System in Deep Foundation Pit of Metro Interchange Station

HOU Xin-yu， XUE Bi-fang， HUO Ying-xia， YUAN Jiao-jiao

(Department of Civil Engineering， Jiangsu Kaifang Open， Nanjing 210036, China)

The Hardening-Soil finite element model subject to unloaded soil mass is employed to study the influence of three kinds of supporting schemes on the internal force and deformation of the supporting structure in the deep foundation pit of a subway transfer station in Suzhou. The results show that the maximum lateral displacement of the wall increases by 35.28% compared with the original scheme; the maximum positive and negative shear forces increase by 41.87% and 91.1% respectively; the maximum positive and negative bending moments increase by 145.32% and 45.39%; the last strut axial force increases nearly twice to 1018kN; the influence on the foundation soil deformation grows by nearly 10%; the maximal lateral deformation in scheme B (the combination of third and fourth supports) increases by 10.49% compared with the original scheme; the maximal positive and negative shearing forces increase by 6.89% and 33.97% respectively; the maximal positive and negative moments increase by 34.46% and 10.97% respectively; the combined strut axial forces of the third and fourth are reduced by 15% and the influence on the deformation of pit soil mass is very small. It is concluded that scheme B can not only guarantee the pit safety and environment impact but also save the engineering cost．

Metro transfer station; Deep foundation pit; Support; Optimization design; HS(Hardening-Soil) model

2015-11-20

國家自然科學(xué)基金項目(41572273)；江蘇省高校自然科學(xué)研究計劃項目(14KJB560004)；江蘇省“六大人才高峰”第十一批資助(2014JZ010)；江蘇省高?！扒嗨{工程”優(yōu)秀青年骨干教師項目(20141001)。

侯新宇(1975—)，男，副教授，注冊土木工程師(巖土)，博士，主要從事地下交通工程的理論研究和技術(shù)應(yīng)用，E-mail:Houxy_geo@163.com。

1004-2954(2016)08-0089-06

U231+.4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.019