地鐵車站深基坑圍護結構變形規律分析

曹海靜，陳禮偉，袁順德，吳劍，詹顯軍，裴濤濤，師亞龍

(1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081;2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都611731)

地鐵車站深基坑圍護結構變形規律分析

曹海靜1，2，陳禮偉2，袁順德2，吳劍2，詹顯軍2，裴濤濤2，師亞龍2

(1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京100081;2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都611731)

以成都地鐵龍泉車站深基坑工程為背景，根據現場監測數據分析圍護樁體位移隨基坑開挖深度的變形規律及鋼支撐預加力對圍護結構變形的影響。采用FLAC有限差分法模擬計算分析鋼支撐架設時間、水平間距及預加力對圍護結構變形的影響。研究結果表明，第一層鋼支撐的及時施作對控制樁體位移很重要，第二層鋼支撐預加力在200～500 kN時預加力的增加可較好地控制樁體位移;鋼支撐的水平間距建議設為3 m。

地鐵車站 圍護結構 變形

1 工程概況及地層條件

1.1 工程概況

成都地鐵2號線東延線龍泉站，位于擬建的龍工北路和規劃十字路口偏北，呈東西走向。本車站場地范圍為耕地和棄土場，沿線里程分布有1個棄土堆，場地地面高程約511.6～519.39 m。本站為地下兩層10.5 m島式站臺車站，車站總長度450.00 m，車站標準段外包寬度19.2 m，盾構井段外包寬度25.3 m。車站兩側區間均采用盾構法施工，東西兩側預留盾構始發條件。

車站采用明挖順作法施工，基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁(盾構孔范圍采用人工挖孔玻璃纖維筋樁)，車站主體部分圍護樁插入深度5 m(盾構井段5.5 m)。圍護結構形式采用φ1200@1800鉆孔灌注樁+鋼管內支撐，盾構井段端部盾構通過范圍采用φ1500@ 1800人工挖孔樁+鋼管內支撐。基坑標準段內沿豎向設置三層鋼支撐，第一層支撐采用φ609 mm壁厚14 mm鋼管支撐，水平間距約6 m，距離地表1.6 m;第二、三層支撐采用φ609 mm壁厚16 mm鋼管支撐，水平間距約3 m，第一、二層鋼支撐垂直距離5.1 m，第二、三層鋼支撐垂直距離5.5 m。

1.2 工程地質條件

車站地處成都平原區與龍泉山低山丘陵區過渡帶的成都東部臺地區，地貌單元屬于川西平原岷江水系Ⅲ級階地，地形起伏相對較大。根據地勘資料，地表多為人工填筑的素填土及黏土，其下依次為冰水沉積黏土、粉質黏土、黏土、砂、卵石土、砂巖及泥巖。

2 施工監測規律

由于車站比較長，限于篇幅，只截取基坑一側盾構井段及部分標準段平面，監測點布置如圖1所示。

圖1 基坑測點布置示意

2.1 樁體位移與開挖深度之間的關系

隨著基坑的開挖和鋼支撐的及時施作，CX-22樁體最大水平位移發生的部位也隨著下移，開挖第一層時，在樁頂－1 m處，樁體位移達到最大值－1.64 mm;開挖第二層時樁體最大位移達到5.5 mm，開挖至基坑底部時樁體最大位移達到7.8 mm，見圖2。

圖2 CX-22樁體位移

基坑開挖至底部時，施作兩道鋼支撐，CX-25樁體水平位移最大值10.5 mm，水平位移最大值的發生位置在第二層和第三層支撐之間。施作第三層支撐以后，樁體水平位移不再發展，水平位移最大值的位置下降至第三層支撐以下部位，說明第三道支撐的及時施作可以控制樁體水平位移的發展。在同樣的開挖深度下，鋼支撐架設以后，樁體最大水平位移發生的部位也隨之下降，見圖3。

圖3 CX-25和CX-24樁體位移

基坑開挖至底部，CX-24的樁體位移最大值達到14.5 mm，比CX-25的樁體位移最大值多出3.81 mm。但是架設第三層鋼支撐后，CX-25的樁體位移得到控制，CX-24的樁體位移未得到控制。原因是CX-24測點位于基坑南側旁邊，便道大型施工吊車經常停留該測點附近作業及重載車輛來往較多等。

2.2 鋼支撐預加力與樁體最大位移關系

基坑標準段在基坑開挖完成時，架設三層支撐。第一層鋼支撐的軸力均超過1 000 kN，第三層的軸力在150～400 kN，第二層鋼支撐的軸力在200～1 000 kN，變化范圍比較大。通過對CX-22和CX-25的樁體水平位移曲線對比可以知道，基坑開挖完成時，樁體位移的最大值與第二層鋼支撐的預加力有關系，第二層鋼支撐的預加力和樁體最大水平位移的關系曲線如圖4所示。第二層鋼支撐的預加力在200～500 kN時，樁體位移最大值隨第二層鋼支撐預加力的增大而減小。然而，鋼支撐的預加力超過500 kN以后，樁體位移的最大值呈現波動性。顯然，預加力的增加已經沒有實際意義了。

圖4 第二層鋼支撐預加力與樁體最大位移的關系

3 深基坑開挖過程FLAC模擬

3.1 計算模型及工況簡化

FLAC計算時，土體采用摩爾—庫倫本構模型。選取長60 m寬100 m的區域建立FLAC計算模型，重點研究圍護樁變形和內力以及鋼支撐軸力的計算結果。左右兩側和下側邊界采用法向約束。采用梁結構單元模擬鋼支撐的作用，應用樁結構單元模擬圍護樁的作用。計算模擬的基坑深16 m，圍護樁插入深度是5 m，基坑寬19 m。

FLAC數值模擬盡可能地接近施工實際情況，計算模擬基坑開挖支護過程，共有4種工況。工況1:開挖第一層，架設第一道鋼支撐;工況2:開挖第二層，架設第二層鋼支撐;工況3:開挖第三層，架設第三層鋼支撐;工況4:開挖第四層。

圖5 樁體位移計算結果

3.2 樁體位移隨基坑開挖深度的變化規律

如圖5所示，隨著基坑開挖深度的增加，樁體水平位移是增加的，最大達到9.8 mm。樁體最大位移的位置也是隨著開挖深度的增加而下降，基坑開挖完成時，樁體最大位移的位置是在第二層鋼支撐和第三層鋼支撐之間。三層鋼支撐的軸力從上到下分別是226.6，424.41，340.8 kN。數值模擬計算的結果與實測樁體位移相比，規律一致，數值相近。

3.3 樁體位移與鋼支撐架設時間的關系

鋼支撐架設時間對樁體位移的影響比較大。工況1中不架設第一層鋼支撐，在工況2，3，4中分別架設一層鋼支撐，最終基坑開挖至底部，計算的結果作為工況5。在工況3中架設兩層鋼支撐，工況4中架設第三層鋼支撐，基坑開挖至底部，計算的結果作為工況6。而3.2節中鋼支撐及時施作條件下，基坑開挖至底部的計算結果仍作為工況4。如圖6所示，對比工況4，5，6的樁體位移。

工況5中的樁體位移最大達到21 mm，最大位移的位置是在樁頂，工況6中的最大位移達到38 mm，樁頂的位移最大。工況5和工況6中由于鋼支撐施作滯后，圍護結構變形沒有得到控制，可見施工過程中鋼支撐及時施作是很重要的。

圖6 鋼支撐架設時間不同對樁體位移的影響

3.4 樁體位移與鋼支撐水平間距的關系

計算三層鋼支撐在水平間距一樣的條件下，鋼支撐間距分別是3，4，5，6 m的情況下，基坑開挖至底部時樁體位移及鋼支撐軸力如表1所示。鋼支撐水平間距的增加，樁體位移增加，樁體最大位移的位置下降，鋼支撐的軸力增加。結合其他車站的經驗，考慮到施工的安全，建議鋼支撐間距設為3 m。

表1 不同鋼支撐水平間距的樁體位移和鋼支撐軸力

4 結論及建議

本文以成都地鐵龍泉站深基坑為背景，采用現場監測及FLAC模擬的方法對地鐵車站深基坑圍護結構變形規律進行了研究。主要結論如下:

1)樁體最大水平位移位置隨著基坑的開挖和鋼支撐的及時施作下移，在同樣的開挖深度下，鋼支撐架設以后，樁體最大水平位移發生的部位也隨之下降。

2)基坑開挖嚴格按要求分層、分段開挖(一次開挖深度控制在5 m以內，超過5 m須架設支撐)，遵循“慢挖快撐”的原則，合理安排工序，嚴禁超挖，確保安全。

3)增加鋼支撐預應力可以控制樁體位移，尤其是第二層鋼支撐的預應力，在200～500 kN范圍內預應力的增加可以較好地控制樁體位移，超過500 kN以后，沒有實際意義了。

4)施工過程中盡量避免施工車輛在同一個位置經常停留和來往，若場地條件不允許，不能避免，要增加這個位置附近的鋼支撐預應力。對預應力損失較大的支撐適時補加預應力，保證支撐處于正常工作狀態。

5)建議三層鋼支撐水平間距全部設為3 m，避免第一層鋼支撐的軸力過大，保證施工安全。

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(責任審編趙其文)

U231+.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.20

1003-1995(2015)06-0075-03

2014-09-05;

2015-03-06

曹海靜(1990—)，女，河南鄧州人，碩士研究生。