地鐵車站支撐拆除對圍護結構的影響

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構的受力往往會產生較大的變化，嚴重時可能會導致圍護結構的開裂甚至失效。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構的影響，可作為地鐵車站圍護結構施工的理論參考。

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蘭花湖校區東北側，基坑深13.4 m，寬15.6 m，主要分布的地層巖性為人工填土、砂質泥巖和砂巖，其中人工填土成分復雜，穩定性差。基坑采用鉆孔灌注樁+內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 數值模擬及分析

3.1 數值模型的建立

本次模擬采用ANSYS 軟件進行模擬，根據圣維南原理，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 的矩形區域，基坑開挖位置位于矩形的正中間，模型的網格劃分如圖1 所示。

圖1 模型網格劃分

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。考慮到樁和土體的變形模量差異較大，可能在接觸面產生較大的剪應力，因此，引入接觸單元模擬樁和土體之間的接觸效應，采用TARGE169 單元模擬樁，采用CONTAC171 單元模擬土體[2]。土體采用DP 模型以體現其彈塑性，樁及支撐則采用彈性模型[3]。模擬所取參數均根據現場實測資料和城市軌道交通基坑設計規范確定，物理力學參數如表1 所示。

表1 物理力學參數表

3.2 模擬結果與分析

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，兩側樁體的位移并不對稱，左側樁體位移稍大，原因是基坑左側有一定向上的坡度，樁體受到的土壓力較右側樁體更大。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力釋放，坑底土體隆起，樁體受到側向土壓力而產生位移。

圖2 支撐拆除前位移

在地鐵車站施工過程中，常常將主體結構側板和圍護樁一起作為圍護結構，共同抵抗土體壓力。因此，支撐拆除后，必須考慮主體結構側板的支承作用。可以采用等效方法來考慮圍護樁和主體結構側板的共同支護作用，即通過等效彈性模量換算公式將主體結構側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為主體結構側板橫截面面積；Ec為主體結構側板彈性模量；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，呈現出一種經典的U 形分布，最大水平位移出現在樁體中部，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，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生明顯的變化，過大的位移會導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，在支撐拆除后的監測過程中，應著重監測樁體的上中部。

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，導致支撐處的彎矩值發生了突變。由于支撐的支承作用，樁體的彎矩在上半部分發生了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果如圖6 所示。從圖中可以看出，支撐拆除后樁體的彎矩發生了明顯的減小，大體上呈現出U 形分布，這是因為支撐拆除后樁體可以發生自由變形，充分發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，運用數值模擬的方法，分析了支撐拆除對圍護結構的受力影響規律，主要結論如下：

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生明顯的減小，支撐的拆除對樁體的抗彎承載力是有利的。