基于ANSYS的地鐵車站地下連續(xù)墻導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉宗彬，趙慧勇，黃俊威，何 斌

（1.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518000）

近年來，隨著城市地快速發(fā)展，地鐵建設(shè)速度逐漸增長，地鐵不僅可以緩解城市擁堵的交通狀況，更是成為城市現(xiàn)代化的象征。地鐵的快速發(fā)展也對(duì)地鐵車站的施工技術(shù)提出了更復(fù)雜、精細(xì)的要求。地下連續(xù)墻作為地鐵車站施工中最常用的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，有著墻體剛度大、整體性好與施工過程中噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)墻作為地下連續(xù)墻施工過程中的第一步，是保證地下連續(xù)墻位置準(zhǔn)確和成槽質(zhì)量的關(guān)鍵。導(dǎo)墻在開挖溝槽時(shí)既可充當(dāng)擋土墻，還能明確溝槽的位置，表明單元槽段的劃分，作為測(cè)量挖槽標(biāo)高、垂直度和精度的基準(zhǔn)，還可以充當(dāng)施工材料和設(shè)備的承重平臺(tái)，可見，導(dǎo)墻的修筑質(zhì)量是十分重要的。

本文對(duì)深圳市地鐵7 號(hào)線某站的地下連續(xù)墻導(dǎo)墻進(jìn)行研究，分析其在施工和使用過程中的變形和強(qiáng)度情況，并在相關(guān)規(guī)范的允許范圍內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以期達(dá)到在滿足要求的情況下更經(jīng)濟(jì)適用。

1 工程概況

深圳市地鐵7 號(hào)線某站，車站長241m，寬20.6m，基坑深約18.82m，為地下二層島式站臺(tái)結(jié)構(gòu)形式。主體采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，采用半蓋挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐形式結(jié)合，地下連續(xù)墻厚800mm，共111 幅，總長548.8m，入土深度最深約為28.67m，最淺入土深度為24.61m，北側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段4m/幅，南側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段6m/幅，地下連續(xù)墻幅寬最大為8m。圖1為車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)地質(zhì)縱斷面圖。地下連續(xù)墻導(dǎo)墻采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，深度1.5m，厚度200mm，間距850mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，受力鋼筋采用HRB400?12@200，構(gòu)造鋼筋采用HPB300?12@200。

圖1 車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)地質(zhì)縱斷面圖

該站所在位置原始地貌為剝蝕殘丘地貌，現(xiàn)狀為市政道路。上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）、全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+p1）、殘積層（Q4el），下伏主要為燕山期粗粒花崗巖(γβ3K1)。地形整體呈較平坦，地面高程20.0～35.10m。各土層力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

2 理論分析

在實(shí)際工程中，地下連續(xù)墻導(dǎo)墻根據(jù)受力情況不同，可分為兩種工況，一種是導(dǎo)墻施工時(shí)的受力特征，主要考慮導(dǎo)墻在混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后拆掉木模板的時(shí)刻，兩側(cè)土體對(duì)導(dǎo)墻的土壓力；另一種是導(dǎo)墻在使用時(shí)的受力特征，此時(shí)主要考慮地下連續(xù)墻成槽開挖及混凝土澆筑過程中的受力狀態(tài)。

1）對(duì)導(dǎo)墻施工工況進(jìn)行計(jì)算時(shí)，認(rèn)為兩側(cè)土對(duì)導(dǎo)墻的土壓力為靜止土壓力

其中，γ為土體重度；H為土體高度；K0為靜止土壓力系數(shù)，與土體的泊松比有關(guān)，土壓力作用在距墻體底部1/3 處（重心），拆掉木模板時(shí)的摩擦力體現(xiàn)為線性荷載，木模板與混凝土間的摩擦系數(shù)μ取0.5[3]。

2）對(duì)導(dǎo)墻使用工況進(jìn)行計(jì)算時(shí)成槽開挖階段主要考慮泥漿護(hù)壁的靜水泥漿壓力σ=γbh，γb取12kN/m3。地下連續(xù)墻混凝土澆筑過程具體計(jì)算公式見式（2）。

其中，Pc為混凝土灌注壓力；γb為靜水泥漿重度；γc為混凝土注漿重度，取23.5kN/m3；hcr為臨界深度，一般取槽深度的1/4，本文取8m；z為基坑深度。

兩類工況下對(duì)地下連續(xù)墻導(dǎo)墻部分進(jìn)行變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示工況一荷載下導(dǎo)墻最大變形為0.07mm，小于工況二荷載下導(dǎo)墻最大變形0.16mm，故在有限元模擬過程中選用工況二的荷載情況進(jìn)行模擬更能為導(dǎo)墻的優(yōu)化提供參考價(jià)值。

3 有限元模擬

3.1 有限元模型

采用有限元分析軟件ANSYS，選取深圳市地鐵7 號(hào)線某車站地下連續(xù)墻北側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段導(dǎo)墻為研究對(duì)象，北側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段導(dǎo)墻采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，墻寬4m，深度1.5m，厚度200mm，間距850mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，結(jié)構(gòu)形式為“┒┎”型導(dǎo)墻。圖2為導(dǎo)墻有限元模型圖，模型包含單元2 400 個(gè)，節(jié)點(diǎn)1 348 個(gè)，鋼筋混凝土導(dǎo)墻采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，使用線彈性模型。

圖2 導(dǎo)墻有限元模型圖

3.2 優(yōu)化方案

根據(jù)SJG 05-2020《深圳市深基坑支護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，地下連續(xù)墻導(dǎo)墻厚度宜為150～200mm，導(dǎo)墻配筋一般采用豎向和水平向均為?12@200 的均勻配筋[4]。工程導(dǎo)墻實(shí)際厚度采用200mm，受力鋼筋采用HRB400?12@200，構(gòu)造鋼筋采用HPB300?12@200。

以工程經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性為優(yōu)化目標(biāo)，以規(guī)范規(guī)定為約束條件，建立有限元模型。采用無限逼近的方法，分別取不同厚度的導(dǎo)墻進(jìn)行對(duì)比，并按規(guī)范調(diào)整導(dǎo)墻配筋為雙向HPB300?12@200，優(yōu)化得到適合該工程實(shí)際的導(dǎo)墻厚度。

3.3 計(jì)算步驟

本模型主要分析導(dǎo)墻正式使用時(shí)的變形及受力特征，為模擬使用的實(shí)際情況，模型Z軸外側(cè)兩端采用固定約束，模型內(nèi)部分別使用地下連續(xù)墻施工的成槽開挖與混凝土澆筑兩個(gè)過程的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬，成槽開挖和混凝土澆筑兩個(gè)階段具體的應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算步驟如下。

1）成槽開挖階段用模型中部空白單元模擬開挖土體，因開挖時(shí)需灌注泥漿進(jìn)行護(hù)壁，故槽壁與槽底受到靜水泥漿壓力，靜水泥漿自重取γb=12kN/m3，壓力隨泥漿深度加深而增加，成槽開挖階段靜水泥漿壓力分布規(guī)律為σ=γbh。

2）地下連續(xù)墻混凝土澆筑階段荷載模擬方式有常靜液壓力加載方式與變靜液壓力加載方式[2]，本文選用變靜液壓力加載方式進(jìn)行模擬澆筑過程，具體公式見式（2）。

4 數(shù)據(jù)分析與討論

4.1 導(dǎo)墻尺寸優(yōu)化

圖3為成槽開挖階段150mm、180mm、200mm 厚導(dǎo)墻變形圖，其中最大變形均出現(xiàn)在豎向墻體的下部中段，成槽開挖階段150mm、180mm、200mm 厚度導(dǎo)墻最大變形量分別為：0.1268mm、0.12404mm 和0.12057mm。根據(jù)模擬結(jié)果可得，不同厚度導(dǎo)墻的最大變形量相差較小，墻體厚度由200mm 減小到180mm，最大變形量增加了0.00347mm，增大了2.88%，墻體厚度由180mm 減小到150mm，最大變形量增加了0.00276mm，僅增大了2.22%。

圖3 成槽開挖階段各厚度導(dǎo)墻變形圖

圖4為混凝土澆筑階段150mm、180mm、200mm 厚導(dǎo)墻變形圖，其中最大變形同樣出現(xiàn)在豎向墻體的下部中段，不同厚度導(dǎo)墻的最大變形量分別為：0.24684mm、0.23789mm 和0.23781mm。根據(jù)有限元模擬結(jié)果可得，墻體厚度由200mm 減小到180mm，最大變形量增加了0.00008mm，僅增大了0.03%，墻體厚度由180mm 減小到150mm，最大變形量增加了0.00895mm，增大了3.76%。

圖4 混凝土澆筑階段各厚度導(dǎo)墻變形圖

根據(jù)分析結(jié)果可得，地下連續(xù)墻導(dǎo)墻厚度雖影響成槽開挖和混凝土澆筑2 個(gè)施工階段產(chǎn)生的變形，但隨著厚度的減小導(dǎo)墻的最大變形量未有顯著增加，增大率均控制在4%以內(nèi)，故可將原施工方案所選取的200mm 厚導(dǎo)墻優(yōu)化至180mm或150mm，同樣可以保證地下連續(xù)墻施工階段導(dǎo)墻的剛度及穩(wěn)定性，同時(shí)還可降低混凝土的使用量，以達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 導(dǎo)墻配筋優(yōu)化

根據(jù)上述分析結(jié)果，選用150mm 厚導(dǎo)墻在地下連續(xù)墻混凝土澆筑階段的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行配筋優(yōu)化。工程中原本采用的受力鋼筋為HRB400?12@200，構(gòu)造鋼筋為HPB300?12@200，將其優(yōu)化為規(guī)范建議的雙向HPB300?12@200 均勻配筋，前者導(dǎo)墻最大變形量為0.24684mm，優(yōu)化后的導(dǎo)墻最大變形量為0.24726mm，增加了0.00042mm，增大了1.7%。由此有限元模擬結(jié)果可知，規(guī)范建議的導(dǎo)墻配筋足夠支撐導(dǎo)墻在使用過程中可能出現(xiàn)的最大變形量，可簡化實(shí)際工程中的配筋方案，進(jìn)一步對(duì)導(dǎo)墻的施工進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)論

1）導(dǎo)墻的最大變形出現(xiàn)在豎向墻體的下部中段，隨著導(dǎo)墻厚度的減小，最大變形量均并未顯著增加，從剛度方面對(duì)導(dǎo)墻進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)墻的厚度可選取150mm 以減少實(shí)際的工程造價(jià)。

2）對(duì)實(shí)際工程中導(dǎo)墻配筋方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化為雙向HPB300?12@200 均勻配筋，優(yōu)化后的有限元模擬結(jié)果導(dǎo)墻的最大變形量未出現(xiàn)顯著增加。