砂卵石地層地鐵車站基坑咬合樁圍護結構參數分析

張曉濤 賈方毅

車站基坑變形將受車站所處地層、開挖規(guī)模與圍護結構形式等因素的影響，控制施工中的位移變形和減小對鄰近建筑物的影響是學者們的研究熱點。以洛陽軌道交通1號線塔灣站深基坑工程為依托，利用有限元軟件GTS對基坑開挖過程進行數值模擬，對洛陽砂卵石地層車站基坑咬合樁直徑和樁間距2個參數進行分析。研究結果表明：咬合樁直徑對圍護結構水平位移影響最大，基坑及地表位移次之。圍護結構、基坑及地表最大位移與咬合樁直徑大小負相關；相對于咬合樁直徑，樁間距的變化對圍護結構、基坑及地表最大位移變形的影響幅度相對較小，圍護結構、基坑及地表最大位移與咬合樁樁間距大小負相關。

砂卵石地層； 車站基坑； 數值模擬； 咬合樁； 位移變形

TU94+2 A

［定稿日期］2021-12-26

［作者簡介］張曉濤（1990—），男，本科，工程師，從事市政工程施工技術管理工作。

隨著城市經濟的快速發(fā)展和人口數量的增長，地鐵建設的需求日益增大。大量的地鐵建設使得更多的深基坑工程出現在城市建筑密集地區(qū)，而由于基坑開挖導致的地面塌陷和鄰近建筑出現不均勻沉降甚至破壞的情況時有發(fā)生。通過大量事故分析，基坑支護結構變形過大是導致地表和鄰近建筑物發(fā)生沉降的主要原因之一［1］。因此，針對車站基坑施工中結構變形過大以及減小開挖對鄰近建筑物的影響，許多學者進行了研究。

在施工前或者施工過程中，對基坑變形做出預測并根據結果指導支護施工方案，可合理控制基坑變形。俞欽欽等［2-4］通過現場基坑施工監(jiān)測數據和數值模擬，得到不同基坑施工中地表和周圍建筑物的沉降規(guī)律，并給出了相應的沉降預測方法，可對類似工程提供一定參考；在基坑支護方案設計上，陳明［5］對昆明地區(qū)的典型基坑進行數值模擬研究，結果表明增大圍護結構剛度和錨桿預應力可以有效控制地表沉降，減小基坑開挖對鄰近建筑物的影響。孫學謹等［6］依托蘇州市深基坑研究了基坑支護體系對基坑變形的影響，結果表明采用地連墻+5道內支撐是最合理的圍護方案；柏挺等［7］以莞惠城際軌道工程深基坑為例，研究地下水位、鋼支撐的預應力等因素對基坑變形的影響，給出了方案優(yōu)化排序；徐楊青［8］對深基坑樁錨支護結構優(yōu)化設計進行了研究，給出了主要優(yōu)化途徑；張昌桔［9］進行有限元分析并與基坑監(jiān)測數據的對比，證明了坑內加樁組合樁撐支護結構的合理性和可靠性；李兵等［10］依托沈陽地鐵深基坑工程進行數值模擬，發(fā)現圍護樁埋深對建筑物變形影響較大，加大圍護樁埋深可減小鄰近建筑物變形。

由于鉆孔咬合樁具有防水效果好、造價低等特點，開始被應用于我國地下工程圍護結構中［11］。在不同地區(qū)地層，不同的圍護結構參數對基坑開挖中的位移變形有明顯影響，其中咬合樁直徑和樁間距均是基本參數之一。由此，以洛陽軌道交通1號線塔灣站深基坑工程為依托，研究在洛陽砂卵石地層條件下，施工常見的咬合樁直徑和樁間距對基坑開挖的影響。采用數值模擬的方法對車站基坑開挖過程進行模擬，分別對基坑開挖過程中圍護樁墻的水平位移、基坑隆起及鄰近地表位移進行對比分析，為今后類似工程提供一定參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

文章以洛陽軌道交通1號線塔灣站深基坑工程為背景。塔灣站為地下2層島式車站，全長203.6 m，結構標準段總寬度20.7 m；基坑開挖深度為19.4 m。基坑與建筑物位置關系如圖1所示。

根據鉆探揭露，塔灣站內地層結構自上而下依次為：雜填土、黃土狀粉質黏土、細砂、卵石土，黃土質粉土，基坑底部所在地層為密實卵石。各土層物理參數見表1。

塔灣站平均水位基本在基坑底部以上，開挖之前需降水至基坑底部開挖面以下。考慮降水前水頭為地下9.6 m，經降水設計后，采用40口管井降水至地下24 m，滿足降水要求。

1.2 基坑支護方案

基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁和素混凝土止水樁咬合止水，盾構井處樁長度26 m，標準段樁長度24.5 m。鉆孔灌

注樁樁徑為1 m，間距1.5 m，樁間素混凝土樁樁長同鉆孔灌注樁。其中鉆孔灌注樁為C35鋼筋混凝土樁，素混凝土樁為C20素混凝土樁。

基坑開挖遵循“分段分層、由上而下、先撐后挖”的原則。對于標準段，基坑豎向開挖分4層進行，開挖至每層設計標高，分別設置1道鋼筋混凝土支撐、3道鋼支撐；對于盾構井段，基坑豎向開挖分5層進行，分別設置1道鋼筋混凝土支撐、3道鋼支撐。

2 計算模型及參數

根據基坑與周圍建筑物關系，建立三維數值模型如圖2所示，模型尺寸為：135 m（沿隧道橫向）×314 m（沿隧道縱向）×55.5 m（沿土層深度方向）。

模型建立時底面采用x、y、z 3方向均約束，與x軸垂直的兩面均采用x方向約束，與y軸垂直兩面均采用y方向約束，模型頂面無約束為自由面；模型中荷載均考慮各土層和構筑物的自重荷載；建筑物側墻、圍護結構采用線彈性模型，土體采用修正摩爾庫侖模型。同時模型假定條件為：①土體和結構材料均是均質、連續(xù)及各項同性的；②地表面和各土層呈勻質水平層狀分布，各土層厚度相同；③初始地應力只考慮土體的自重應力；④基坑開挖施工期間，既有結構考慮非地震組合工況；⑤假定基坑圍護結構及土體之間符合變形協調原則；⑥將基坑支護結構的咬合樁利用等效抗彎剛度等效成地下連續(xù)墻［12］；⑦考慮降水流固耦合作用。

EAIA+EBIB=ECLh312（1）

EC=EAAA+EBABAA+AB（2）

式中：EA為咬合樁A樁彈性模量；EB為咬合樁B樁配筋后彈性模量；EC為等效樁墻彈性模量；IA、IB分別為咬合樁A樁、B樁樁截面慣性矩；AA、AB分別為咬合樁A樁、B樁樁截面面積；h為等效樁墻厚度（圖3）。

計算模型中基坑圍護結構與建筑外墻及底板采用板單元，混凝土支撐、鋼支撐、立柱與降水井采用梁單元，止水帷幕采用界面單元。圍護結構材料參數見表2。

本次模擬只改變圍護結構，其余參數不變，在已有模型基礎上，提取6種工況下的標準段基坑變形對咬合樁參數進行分析，工況參數見表3。基坑整體開挖模型見圖4。

3 計算結果分析

為了對洛陽砂卵石地層基坑咬合樁圍護結構參數進行分析，本文以工程實際為基礎，在不同直徑和樁間距下對基坑開挖過程中圍護樁墻、基坑及鄰近地表位移進行對比分析。

3.1 咬合樁直徑對基坑開挖影響規(guī)律

以標準段基坑開挖模型為研究對象，提取工況1～工況3長邊中點各個工況水平位移結果，各工況墻體水平位移對比曲線如圖5所示。

由圍護樁墻水平位移變形曲線可以看出，圍護結構水平位移在頂部和墻趾處水平位移值較小，水平位移呈“弓”形分布，三工況水平位移最大值均出現在開挖深度13.7 m左右位置。隨著咬合樁直徑的減小，圍護結構最大水平位移呈增大趨勢，工況1為2.65 mm，工況2為3.57 mm，工況3為4.02 mm。工況3較工況1增大1.37 mm，增幅為51.7%。由圖可知，地下連續(xù)墻體的水平位移隨著咬合樁直徑增加而減小，咬合樁直徑對于限制圍護結構水平位移具有顯著作用。

提取工況1～工況3標準段模型基坑位移模擬結果，不同工況下基坑整體及地層豎向位移云圖如圖6所示。

由圖6可知，基坑的豎向位移主要體現在基坑兩側沉降及坑底隆起。隨著咬合樁直徑的減小，基坑底部隆起最大值逐漸增大，工況1為2.13 mm，工況2為2.44 mm，工況3為2.61 mm。工況3相比工況1增加了0.48 mm，增幅為22.54%。

選取標準段模型中部垂直于基坑長邊的一個斷面，提取不同工況的周邊地表沉降數據，繪制地表沉降變形曲線如圖7所示。

由圖7可知，隨著咬合樁直徑減小，鄰近地表沉降最大值逐漸增大，工況1地表沉降最大值為2.3 mm，工況2地表沉降最大值2.6 mm，工況3地表沉降最大值2.72 mm。工況3相對工況1增大了0.42 mm，增幅為18.26%。三工況地表沉降最大值均在距基坑邊緣9 m左右。

3.2 咬合樁間距對基坑開挖影響規(guī)律研究

以標準段基坑開挖模型為研究對象，提取長邊中點各個工況水平位移結果，各工況墻體水平位移對比曲線如圖8所示。

由圖8可知，圍護樁墻整體水平位移規(guī)律與上文分析一致。隨著咬合樁樁間距的增大，圍護結構最大水平位移呈增大趨勢，工況4為2.65 mm，工況5為3.07 mm，工況6為3.50 mm。工況6相對于工況4增大了0.45 mm，增幅為16.7%。地下連續(xù)墻體的水平位移隨著咬合樁樁間距增加而增大，這表明咬合樁樁間距對于限制圍護結構的水平位移具有明顯作用。

提取工況4～工況6標準段模型基坑位移模擬結果，不同工況下基坑整體及地層豎向位移云圖如圖9所示。

由圖9可知，隨著咬合樁間距的增大，基坑底部隆起最大值逐漸增大，工況4為2.13 mm，工況5為2.2 mm，工況6為2.3 mm。工況6相對于工況4增大了0.17 mm，增幅為7.98%。

選取標準段模型中部垂直于基坑長邊的一個斷面，提取不同工況的地表沉降數據，繪制地表沉降變形曲線如圖10所示。

由圖10可知，隨著咬合樁樁間距增大，鄰近地表沉降最大值逐漸增大，工況4地表沉降最大值為2.3 mm，工況5地表沉降最大值2.4 mm，工況6地表沉降最大值2.5 mm。工況6相對工況4增大了0.2 mm，增幅為8.70%。三工況地表沉降最大值均在距基坑邊緣9 m左右。

4 結論

依托洛陽市軌道交通1號線塔灣站基坑工程，采用數值模擬的研究方法，在不同咬合樁參數下，對砂卵石地層基坑開挖過程中圍護樁墻的水平位移，基坑隆起及鄰近地表位移進行對比分析，得出幾點主要結論：

（1）文中在對咬合樁的直徑及間距進行分析時，利用等效抗彎剛度原理以連續(xù)墻進行等效表征，計算結果表明該種處理方式能夠滿足計算分析的精度需求。

（2）咬合樁直徑對圍護結構水平位移影響最大，基坑隆起及鄰近地表沉降次之，隨咬合樁直徑減小，圍護結構、基坑及地表最大位移變形由2.65 mm、2.13 mm、2.30 mm增大至4.02 mm、2.61 mm、2.72 mm，其中圍護結構最大位移增幅最多為51.70%，基坑與鄰近地表最大位移增幅分別為22.54%、18.26%。

（3）相對于咬合樁直徑，樁間距的變化對圍護結構、基坑及地表最大位移變形的影響幅度相對較小，隨咬合樁樁間距增加，圍護結構、基坑及地表最大位移變形由2.65 mm、2.13 mm、2.30 mm增大至3.50 mm、2.30 mm、2.50 mm，增幅分別為32.08%、7.98%、8.70%。

參考文獻

［1］ 魏道江. 鄰近既有建筑的地鐵深基坑支護方案優(yōu)化與變形風險控制［D］.西安：西安建筑科技大學，2016.

［2］ 俞欽欽，王立峰，陳巧紅，等.地鐵車站深基坑周邊建筑物沉降規(guī)律研究［J］.科技通報，2020，36（1）：105-108+118.

［3］ 孫毅，張頂立，房倩，等.北京地區(qū)坑中坑工程地表沉降預測方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2015，34（S1）：3491-3498.

［4］ 謝樂. 地鐵車站深基坑開挖對周邊建筑物的影響研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2019.

［5］ 陳明. 城市深基坑對周邊環(huán)境影響的研究［D］.昆明：昆明理工大學，2011.

［6］ 孫學謹，張旭，程燕，等.內支撐設計對地鐵車站基坑變形特性影響研究［J］.工程技術研究，2018（16）：167-169.

［7］ 柏挺，王凱椿.城際軌道深基坑支護優(yōu)化及實測分析［J］.北京工業(yè)大學學報，2014，40（5）：714-719.

［8］ 徐揚青.深基坑支護結構的優(yōu)化設計計算［J］.巖土力學，1997（2）：57-61.

［9］ 張昌桔. 軟土增層開挖基坑組合樁撐圍護結構性狀研究及工程應用［D］.杭州：浙江大學，2020.

［10］ 李兵，孫小飛，于忠誠，等.地鐵深基坑施工與鄰近建筑的關聯效應研究［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2020，36（1）：86-93.

［11］ 王安龍.鉆孔咬合樁——地鐵工程圍護結構新型式［J］.鐵道工程學報，2003（1）：53-59.

［12］ 陳斌，施斌，林梅.南京地鐵軟土地層咬合樁圍護結構的技術研究［J］.巖土工程學報，2005（3）：354-357.