數(shù)值分析不同圍護(hù)墻剛度對(duì)地鐵站深基坑影響

冀葉濤，沈慧，曹廣勇

（1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

1 引言

隨著一線城市的快速發(fā)展，合肥城市交通也變得越來(lái)越擁堵。合肥地鐵已經(jīng)建設(shè)及規(guī)劃了多條路線，地鐵建設(shè)也需要更多的科學(xué)研究。地鐵車站基坑開(kāi)挖是施工和研究的重要一環(huán)，開(kāi)挖時(shí)對(duì)合肥重要路面及周圍環(huán)境的影響是我們關(guān)注的要點(diǎn)，所以在基坑開(kāi)挖時(shí)對(duì)基坑周邊的變形位移監(jiān)測(cè)和研究，是對(duì)地鐵施工的一個(gè)最大的安全保障。

本文以合肥市桐城路站深基坑為背景，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與MIDAS GTS NX有限元軟件數(shù)值模擬分析結(jié)果做對(duì)比。研究在基坑開(kāi)挖過(guò)程中的整體變形趨勢(shì)和支護(hù)體系的受力情況，并對(duì)比分析了改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基坑變形的影響。通過(guò)本文的研究將對(duì)地鐵車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供十分重要的借鑒意義。

2 工程概況

2.1 基本信息

桐城路地鐵車站沿桐城南路南北向布置，位于龍圖路與龍川路之間。主體結(jié)構(gòu)為地下兩層兩跨結(jié)構(gòu)矩形框架結(jié)構(gòu)。桐城路站為單層鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，共設(shè)置有3個(gè)進(jìn)出口。車站基坑長(zhǎng)度為207m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為21m，標(biāo)準(zhǔn)段深度為17m。車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁采用Φ800mm@1300mm鉆孔灌注樁，基坑內(nèi)支護(hù)體系采用鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐，其中一道800mm×1000mm的鋼筋混凝土支撐，兩道Φ609×16mm鋼管支撐。支撐平面布置詳見(jiàn)圖1。

圖1 車站基坑支撐平面布置圖

2.2 施工方案

車站基坑開(kāi)挖方式采用邊開(kāi)挖邊支護(hù)、分層分段的開(kāi)挖方式，每層開(kāi)挖深度為7.28m、5m、3.77m。圍護(hù)樁施工完成后施加冠梁和混凝土支撐，然后進(jìn)行土體的開(kāi)挖。具體開(kāi)挖步驟如表1。

基坑施工開(kāi)挖步驟 表1

3 數(shù)值模擬

3.1 基本模擬假設(shè)

①基坑所在土體土層都是水平均勻分布的；

②材料為均質(zhì)的且各項(xiàng)同性的；

③不考慮基坑降水對(duì)開(kāi)挖的影響；

④忽略風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載在基坑施工過(guò)程中的影響。

為了方便計(jì)算，利用等效剛度原理把鉆孔灌注樁等效為地下連續(xù)墻進(jìn)行分析，等效方程為：

b—樁的間距；

h—等效地下連續(xù)墻厚度；

d—鉆孔灌注樁直徑。

將數(shù)據(jù)帶入上式中，計(jì)算可得等效后的地連墻厚度為600mm。

3.2 三維模型的建立

根據(jù)桐城路車站基坑現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)，三維數(shù)值模型的長(zhǎng)寬尺寸一般取車站深基坑開(kāi)挖深度的3～5倍。故本次Midas GTS NX有限元三維模型尺寸為280m×100m×70m。土體的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，地下連續(xù)墻采用2D板單元，混凝土支撐采用1 D彈性梁?jiǎn)卧?，鋼支撐采?D桁架單元模擬；為了模擬路面及周圍建筑物的實(shí)際荷載情況，在基坑四周地表設(shè)置超載20kPa。車站基坑整體模型及地連墻結(jié)構(gòu)模型分別如圖2、圖3所示。各土層及其他材料參數(shù)如表2。

圖2 基坑整體模型

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型

4 模擬結(jié)果分析

本文提取分析現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行擬合分析，得出的結(jié)果為數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本相似，從而驗(yàn)證了三維建模的準(zhǔn)確性。在這個(gè)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基坑變形的影響。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

車站基坑土體開(kāi)挖過(guò)程中造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土壓力差，進(jìn)而造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生水平側(cè)移。提取各個(gè)工況的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做對(duì)比分析，如下圖4、圖5。

土層及其他材料參數(shù) 表2

圖4 圍護(hù)樁水平位移模擬結(jié)果

圖5 圍護(hù)樁水平位移模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比

結(jié)果表明：

①車站基坑開(kāi)挖引起地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移呈現(xiàn)“拋物線形”。隨著土體向下開(kāi)挖變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先增大后減小。最大水平位移發(fā)生在第五次開(kāi)挖，數(shù)值為23.3mm，最大變形中心位于地下12m左右的地方。

②通過(guò)實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果對(duì)比圖可以看出，水平側(cè)移的變化趨勢(shì)基本上吻合。誤差在允許范圍之內(nèi)，產(chǎn)生誤差的原因可能是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，操作不當(dāng)、數(shù)值模擬時(shí)參數(shù)設(shè)置等因素。說(shuō)明本次數(shù)值模擬具備一定的可靠性。

4.2 地表沉降分析

通過(guò)在基坑施工過(guò)程中除了地下連續(xù)墻的水平側(cè)移需要監(jiān)測(cè)外，基坑周圍的地表沉降也是車站基坑開(kāi)挖過(guò)程中需要把控的重點(diǎn)。提取開(kāi)挖工況下的基坑周邊地表沉降數(shù)據(jù)，如圖6。

圖6 南端頭井周邊地表沉降曲線

結(jié)果表明：

①在車站基坑的開(kāi)挖模擬過(guò)程中，地表沉降曲線表現(xiàn)為“勺子形”，變化趨勢(shì)為先增大后減小的形式。

②車站基坑開(kāi)挖過(guò)程中最大的沉降值為7.6mm距基坑邊4～10m。對(duì)周圍地表的影響一般在20m左右，而后隨著距離的增大對(duì)地表沉降值基本上沒(méi)有影響。

4.3 地連墻剛度對(duì)基坑變形影響

現(xiàn)研究地下連續(xù)墻剛度的改變對(duì)水平側(cè)移的影響，在原來(lái)地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分別取0.5EI、2EI進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析。分別提取三種情況下開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移和地表沉降變化曲線，如圖7、圖8。

結(jié)果表明：

①地下連續(xù)墻的剛度越低水平側(cè)移越大，最大水平側(cè)移的剛度為0.5EI情況下，側(cè)移值為20.7mm，比原剛度情況下增加了1.2mm。最小水平側(cè)移的剛度為2EI情況下，側(cè)移值為18.3mm，比原剛度情況下減少了1.2mm。

②基坑周圍地表沉降的最大值在0.5EI時(shí)，最大值為7.4mm，距離坑邊4.5m處，比原剛度情況下增加了1.1mm。地表沉降最小值在2EI時(shí)，沉降值為5.9mm，比剛度情況下減少了0.4mm。

③可以看出適當(dāng)?shù)脑黾拥叵逻B續(xù)墻的剛度會(huì)降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移和地表沉降值。整體工作井剛度的提升對(duì)安全施工是有效的。

圖7 不同地連墻剛度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖8 不同地連墻剛度下地表沉降曲線

5 結(jié)論

①圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移變化曲線表現(xiàn)為“拋物線形”，隨著土體開(kāi)挖深度的增加變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先增大后減小。開(kāi)挖完成后最大值處位于開(kāi)挖深度的0.6倍左右。

②基坑周邊地表的沉降呈現(xiàn)出“勺子形”，最大沉降位置位于距基坑邊緣約4.4m處最大值為7.6mm。

③圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移與地表沉降是有影響的，適當(dāng)?shù)脑黾訃o(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，增加工作井整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而降低了水平位移和地表沉降值。