某地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李文廣

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,300451,天津//高級工程師)

1 工程簡介

1.1 工程概況

某地鐵車站全長101 m，中間標(biāo)準(zhǔn)段長71 m、寬24.7 m，兩端端頭井長度均為15 m、寬度均為26.7 m。該車站地下共設(shè)兩層，其中地下一層為站臺和隧道，并設(shè)置配電室,地下二層設(shè)置換乘通道和地鐵支線區(qū)間隧道。車站地處繁華市區(qū)，周邊有高架橋、地面道路及居住小區(qū)。

1.2 基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

該地鐵車站采用明挖順做法施工。基坑設(shè)計深度為17 m，地表下方3 m采用放坡開挖，掛網(wǎng)噴漿支護;其余14 m采用鉆孔灌注樁和錨桿體系作為圍護結(jié)構(gòu);基坑內(nèi)部采用鋼支撐對撐。原設(shè)計鉆孔灌注樁間距為1.2 m，樁長為22.5 m，直徑為1.0 m，縱向主筋采用21根φ28 mm鋼筋，材質(zhì)為HRB335。基坑深度范圍共設(shè)3層鋼支撐，鋼支撐直徑為800 mm，壁厚為16 mm，鋼支撐水平間距為3.5 m，豎向間距分別為5 m、5 m、4 m。基坑圍護結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示，圍護結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖1 基坑圍護結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 基坑圍護結(jié)構(gòu)剖面圖

2 地鐵車站基坑變形現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方法

在鉆孔灌注樁施工過程中埋設(shè)測斜管，基坑施工時將測斜探頭置入測斜管，按照設(shè)計要求頻率對各點的數(shù)值進行采集。基礎(chǔ)監(jiān)測點布置如圖3所示。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計監(jiān)測點CX3處圍護樁在基坑施工過程中的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表1所示。實際監(jiān)測時每0.5 m取一個采樣點。由于篇幅所限，本文僅列出每5 m處的數(shù)據(jù)。由表1可知，在整個基坑施工過程中圍護樁的最大變形量為20.8 mm，且表中所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均小于設(shè)計允許變形量30 mm，由此可知基坑處于安全可控狀態(tài)，但仍存在一定的優(yōu)化空間。

圖3 基坑監(jiān)測點布置平面圖

3 FLAC三維數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用FLAC軟件建立地鐵車站三維計算模型(見圖4),三維模型為對稱模型，這樣在滿足設(shè)計精度要求的同時可以降低計算量以及提高計算速度。計算模型長度、寬度、高度分別取60 m、120 m、70 m。土層計算參數(shù)如表2所示。

表1 監(jiān)測點CX3處圍護樁變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖4 地鐵車站三維計算模型

表2 土層計算參數(shù)

3.2 模型邊界條件

地鐵車站基坑周邊的車輛荷載及施工荷載按照15 kPa均布荷載進行加載。模型的左側(cè)和右側(cè)邊界采用沿X方向的法線約束來限制邊界沿X方向的水平位移;下邊界采用Z方向的法向約束來限制邊界的垂直位移;前邊界和后邊界處，采用Y方向上的法線約束來限制邊界在Y方向上的水平位移。

3.3 本構(gòu)模型

在模擬分析過程中，建立合理的土體模型是模擬分析的關(guān)鍵。合理確定計算參數(shù)和本構(gòu)模型是獲得精確數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。計算中使用的主要模型為空模型和摩爾-庫侖準(zhǔn)則。

3.4 結(jié)構(gòu)單元類型

本文在分析圍護結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能時，利用錨索結(jié)構(gòu)單元來模擬錨索，利用三維梁結(jié)構(gòu)單元來模擬鋼支撐。

3.5 開挖模擬

三維計算模型構(gòu)建完成后，進行相應(yīng)的計算分析，求出在基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)的水平位移與豎直位移。計算步驟包括以下6步：①初始地應(yīng)力計算;②施工圍護結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁;③基坑開挖至3 m時開始架設(shè)支撐;④基坑開挖至8 m時架設(shè)第2道支撐;⑤基坑開挖至13 m時架設(shè)第3道支撐;⑥基坑開挖至基底，即開挖深度為17 m。

3.6 模擬結(jié)果

按原設(shè)計方案，基坑豎向位移如圖5所示。由圖5可知,基坑開挖至17 m時,基坑的最大豎向位移為18 mm。

原設(shè)計方案下的基坑水平位移如圖6所示。由圖6可知,在基坑整個挖掘過程中，基坑頂角的水平位移最大；而且隨著挖掘深度增大，基坑頂角的水平位移也逐漸增大。當(dāng)開挖深度達到17 m時，基坑頂角的水平位移為0.008 mm。

圖5 原設(shè)計方案下的基坑豎向位移

圖6 原設(shè)計方案下的基坑水平位移

4 地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)原設(shè)計方案，在確保安全的前提下，對基坑圍護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化處理。

4.1 優(yōu)化內(nèi)容與方法

利用彎矩反算的方法對基坑圍護樁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，其數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是圍護樁的側(cè)向傾斜數(shù)據(jù)。根據(jù)實際監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過建模對基坑圍護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化處理。

4.2 圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.2.1 圍護樁傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線擬合

CX3、CX4分別為基坑圍護結(jié)構(gòu)測斜數(shù)據(jù)監(jiān)測點。根據(jù)基坑施工過程中圍護結(jié)構(gòu)的實際變形數(shù)據(jù)，利用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行擬合，并通過誤差分析篩選出最優(yōu)方案。

4.2.1.1 圍護樁監(jiān)測點CX3的變形規(guī)律擬合

圍護樁監(jiān)測點CX3的實際水平位移曲線如圖7所示。該監(jiān)測點變形數(shù)據(jù)擬合方程的誤差分析如表3所示。通過對表3分析，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)6次擬合后，變形數(shù)據(jù)方程誤差最小。將圍護樁監(jiān)測點CX3擬合6次得到的曲線，如圖8所示。

圖7 監(jiān)測點CX3實際水平位移曲線

表3 監(jiān)測點CX3變形數(shù)據(jù)擬合方程誤差分析表

圖8 監(jiān)測點CX3水平位移擬合曲線

4.2.1.2 圍護樁監(jiān)測點CX4的變形規(guī)律擬合

圖9 監(jiān)測點CX4實際水平位移曲線

圍護樁監(jiān)測點CX4的實際水平位移曲線如圖9所示。該監(jiān)測點變形數(shù)據(jù)擬合方程的誤差分析如表4所示。通過對表4分析，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過9次擬合后，變形數(shù)據(jù)方程誤差最小。圖10顯示了將圍護樁監(jiān)測點CX4擬合9次而獲得的曲線。

表4 監(jiān)測點CX4變形數(shù)據(jù)擬合方程誤差分析表

圖10 監(jiān)測點CX4水平位移擬合曲線

4.2.2 圍護樁彎矩計算

圍護樁的變形曲率公式如下：

(1)

式中:

v(x)——圍護樁測斜曲線方程；

φ——變形曲率；

x——不同基坑深度時圍護樁的橫坐標(biāo)；

R——曲率半徑。

通過式(1)推導(dǎo)得到圍護樁上各個截面的彎矩M和變形曲率φ之間的關(guān)系：

M=EIφ

(2)

式中：

E——混凝土的彈性模量;

I——圍護樁樁身截面的慣性矩。

由式(1)和式(2)可以得出基坑不同深度時圍護樁截面上的彎矩。圖11和12分別為圍護樁CX3和CX4的彎矩擬合曲線。

4.2.3 圍護樁配筋計算

求取樁身彎矩方程M/EI的導(dǎo)數(shù)，計算該導(dǎo)數(shù)的最大值，然后據(jù)此進行圍護樁的配筋優(yōu)化。基坑圍護樁優(yōu)化后的內(nèi)力如表5所示，圍護樁優(yōu)化后配筋如表6所示，圍護樁優(yōu)化前后結(jié)果對比如表7所示。

圖11 圍護樁監(jiān)測點CX3彎矩擬合曲線

圖12 圍護樁監(jiān)測點CX4彎矩擬合曲線

表5 基坑圍護樁優(yōu)化內(nèi)力表

表6 基坑圍護樁優(yōu)化配筋表

表7 圍護樁優(yōu)化前后結(jié)果對比表

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

圍護樁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，其在基坑施工過程中的模擬結(jié)果如圖13～14所示。由圖13和圖14可知，基坑圍護樁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，當(dāng)基坑挖掘深度達到17 m時，其水平位移和豎向位移最大。其中圍護樁最大水平位移為9.4 mm，最大豎向位移為18 mm，而基坑設(shè)計的變形允許值為30 mm，因此圍護樁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，基坑穩(wěn)定性仍可滿足設(shè)計要求。

圖13 優(yōu)化方案下的基坑豎向位移

圖14 優(yōu)化方案下的基坑水平位移

5 結(jié)語

本文以某地鐵車站深基坑為研究對象。在描述地鐵車站深基坑支護結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，分析了實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，并建立了相應(yīng)的三維模型。通過FLAC模擬分析，實現(xiàn)了深基坑圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。方案優(yōu)化后，圍護樁間距由原設(shè)計的1 200 mm增加至1 500 mm,增加了300 mm;圍護樁配筋面積由原設(shè)計的13 000 mm2減少至12 315 mm2,減少了685 mm2；圍護樁直徑由原設(shè)計的1 000 mm減少至800 mm,減少了200 mm。由此可見,對基坑圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果較為顯著，可供類似項目參考。