某地鐵車(chē)站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁慶利

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隨著現(xiàn)在城市交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展逐步完善，控制地鐵基坑設(shè)計(jì)的因素也越來(lái)越多，主要包括已經(jīng)施工地下結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地下管線的布設(shè)、河流以及軌道交通的規(guī)劃等因素。地鐵基坑正日益向深基坑甚至超深基坑發(fā)展［1]。

基坑工程設(shè)計(jì)中不僅要滿足結(jié)構(gòu)建筑功能的布置要求、基坑施工安全的要求，而更重要的是還必須滿足周邊環(huán)境的安全，因此基坑工程設(shè)計(jì)需滿足強(qiáng)度和變形2 種極限狀態(tài)［2]。

對(duì)于基坑的變形分析，包括圍護(hù)墻體內(nèi)力、變形及坑周?chē)貙右苿?dòng)。基坑開(kāi)挖的過(guò)程是基坑開(kāi)挖面上卸荷的過(guò)程。由于卸荷而引起坑底土體產(chǎn)生以向上為主的位移，同時(shí)也引起圍護(hù)墻體在兩側(cè)壓力差的作用下而產(chǎn)生水平向位移和墻外側(cè)土體的位移［3]。在大多數(shù)文獻(xiàn)中都對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系中支撐的道數(shù)和增加支撐的剛度進(jìn)行論述分析，通常認(rèn)為:通過(guò)增加支撐的道數(shù)或增加支撐自身的剛度均可減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。但是如果考慮施工期間的時(shí)空效應(yīng)，并不一定完全說(shuō)明增加支撐的道數(shù)可以更為有效的減少基坑及環(huán)境的變化。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

該地下車(chē)站選址受到河流及地面環(huán)境的限制，車(chē)站站址附近保護(hù)性建筑物主要有百福大樓(混5，筏基)，新華信托儲(chǔ)蓄銀行(混6，滿堂紅基礎(chǔ))，車(chē)站為地下3層車(chē)站，有效站臺(tái)范圍位于半徑R=800 m的圓曲線上，總長(zhǎng)132.644 m，車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段基坑原設(shè)計(jì)基坑深度約30.1 m。車(chē)站平面布置如圖1所示。

1.2 地質(zhì)條件

圖1 車(chē)站平面布置

基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)土體主要為黏性土、填土、淤泥質(zhì)土、粉土及粉砂，土質(zhì)松軟，直立性差，地下水位較高。場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，場(chǎng)地土類(lèi)型為軟弱～中軟場(chǎng)地土，淺層微承壓水以⑥2粉土、⑦4粉砂、⑦9細(xì)砂、⑨2粉土為主要含水地層，含水層厚度較大，分布相對(duì)穩(wěn)定。淺層微承壓水位于地表下20.0～25.0 m，車(chē)站負(fù)三層剩余土方位于⑦4、⑦9粉細(xì)砂層。

各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

該車(chē)站采取蓋挖逆做法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，連續(xù)墻幅段之間采用十字鋼板止水接頭，混凝土抗?jié)B等級(jí)P10，原設(shè)計(jì)在不考慮負(fù)一層中板及負(fù)二層中板的基礎(chǔ)上，設(shè)置4道混凝土支撐。底板抬升時(shí)該車(chē)站已經(jīng)施工完成車(chē)站部分頂板、負(fù)一層中板、負(fù)二層中板及第1道、第2道、第3道混凝土支撐，第3道混凝土以下土方均未開(kāi)挖。

由于區(qū)間線路縱坡調(diào)整，引起車(chē)站范圍內(nèi)軌面抬高1 060 mm，抬升后標(biāo)準(zhǔn)段基坑設(shè)計(jì)基坑深約29.2 m，由于底板設(shè)計(jì)厚度2.2 m，導(dǎo)致抬升后底板與第4道混凝土支撐在高程上沖突。為了避免第4道混凝土支撐與底板的干擾，減少基坑開(kāi)挖的施工工期，提出將軌行區(qū)標(biāo)準(zhǔn)段第4道混凝土支撐取消。由于地下連續(xù)墻已經(jīng)施工完畢，第3道混凝土支撐距離基坑底豎向距離約6.9 m，第4道混凝土支撐取消后，引起地下連續(xù)墻的內(nèi)力超出規(guī)范［4]允許的極限狀態(tài)承載能力。為了減少地下連續(xù)墻的內(nèi)力及變形，擬在第3道混凝土支撐下架設(shè)豎向斜撐，減少第3道混凝土支撐距離基坑底的豎向間距，斜撐采用工45C型鋼，斜撐上端支撐在第3道混凝土支撐上，與第3道混凝土支撐夾角30°(圖2)，節(jié)點(diǎn)采用鋼板植筋連接，考慮斜撐與地下連續(xù)墻作為一個(gè)整體共同受力，斜撐下端支撐在鋼圍檁上，鋼圍檁沿縱向布置在基坑兩側(cè)地下連續(xù)墻上，鋼圍檁與地下連續(xù)墻間采用砂漿密填。同時(shí)由于基底位于⑦4、⑦9粉砂層，減少基坑的暴露時(shí)間，避免坑底發(fā)生涌水、涌砂險(xiǎn)情，充分利用墊層剛度，提出增大底板下墊層的厚度及剛度，將墊層厚度由原設(shè)計(jì)300 mm調(diào)整為500 mm，墊層改用早強(qiáng)混凝土，墊層中增設(shè)I45型鋼，型鋼間距 1.0 m［5]。

圖2 車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面

考慮基坑開(kāi)挖的時(shí)空效應(yīng)，提出基坑開(kāi)挖采用跳槽開(kāi)挖。首先開(kāi)挖到斜撐位置架設(shè)腰梁和斜撐，接下來(lái)施工兩端的盾構(gòu)井，將盾構(gòu)井底板施工完成后，由兩端盾構(gòu)井向車(chē)站中間逐級(jí)開(kāi)挖，開(kāi)挖采取1∶1放坡開(kāi)挖，每一施工步開(kāi)挖寬度4 m;每步開(kāi)挖到坑底設(shè)計(jì)高程時(shí)需及時(shí)架設(shè)型鋼、施作500 mm厚墊層。待墊層混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后再進(jìn)行下一施工步開(kāi)挖。以此類(lèi)推，墊層施工16 m為一施工單元，綁扎底板鋼筋，澆筑底板混凝土。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

為了研究基坑開(kāi)挖區(qū)間地下連續(xù)墻的受力及水平位移，采用midas gen軟件［6]進(jìn)行施工階段模擬計(jì)算分析，地下連續(xù)墻及板采用板單元模擬，鋼筋混凝土撐及斜撐采用梁?jiǎn)卧M，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行端部彎矩釋放。板單元荷載采用壓力荷載，梁?jiǎn)卧奢d為線荷載，土與結(jié)構(gòu)的相互作用通過(guò)彈簧進(jìn)行模擬，模擬計(jì)算中根據(jù)提出的施工工況進(jìn)行模擬，同時(shí)假設(shè)基坑外地下水位取至地面，斜撐與腰梁及第3道混凝土支撐節(jié)點(diǎn)為鉸接［7-9]。有限元模型如圖3所示。

圖3 車(chē)站三維計(jì)算模型

3.2 計(jì)算工況

計(jì)算荷載包括:圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身荷載、土荷載、水荷載、地面超載、混凝土支撐及車(chē)站頂板附加荷載、覆土荷載、施工活載、路面活載，根據(jù)各施工階段的具體情況對(duì)恒載及活載荷載值進(jìn)行組合。

荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合:恒載×1.0+活載×1.0;

荷載設(shè)計(jì)值組合:1.25×(恒載×1.0+活載×1.0)。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

綜合計(jì)算各種不利工況，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最不利工況及最不利部位，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，提取800 mm厚地下連續(xù)墻的內(nèi)力及水平位移、第3道混凝土支撐及斜撐的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 800 mm厚地下連續(xù)墻豎向彎矩(單位:kN·m)

圖5 800 mm厚地下連續(xù)墻位移云圖(單位:mm)

圖6 第3道混凝土撐彎矩圖(單位:kN·m)

由于車(chē)站主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合墻，計(jì)算中只對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻進(jìn)行極限狀態(tài)承載能力檢算。提取800 mm厚地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)的最大彎矩W=1 292 kN·m，出現(xiàn)在基底上方2.0 m處，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻進(jìn)行反算，地下連續(xù)墻配筋要求為6 384 mm2，實(shí)際配筋7 377 mm2，滿足要求。提取800 mm厚地下連續(xù)墻外側(cè)的最大彎矩為W=1 785 kN·m，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻進(jìn)行反算，地下連續(xù)墻配筋要求為9 053 mm2，實(shí)際配筋10 732 mm2，滿足要求。地下連續(xù)墻的最大水平位移9.96 mm，最大位移滿足基坑變形保護(hù)等級(jí)一級(jí)的要求［10，11]。

斜撐的最大軸力N=718 kN，偏心彎矩M=28.7 kN·m，在架設(shè)斜撐的時(shí)候，使強(qiáng)軸在受彎方向，因此只考慮強(qiáng)軸方向失穩(wěn)驗(yàn)算。整體穩(wěn)定性驗(yàn)算如下

N——所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的軸心壓力;

φx——彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù);

βmx——等效彎矩系數(shù);

M——所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的最大彎矩;

γx——截面塑性發(fā)展系數(shù);

W——在彎矩作用平面內(nèi)對(duì)較大受壓纖維的毛截面模量。

可見(jiàn)整體穩(wěn)定性滿足要求。

第3道混凝土支撐最大軸力為11 783 kN，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的彎矩為1 466 kN·m。第3道混凝土支撐最大彎矩為2 365 kN·m，對(duì)應(yīng)的軸力為6 400 kN，該混凝土支撐截面為1.2 m×1.2 m，配筋下側(cè)為11φ28 mm，按矩形偏壓配筋計(jì)算，檢算滿足要求。

由于目前軟土地區(qū)基坑的施工過(guò)程中沒(méi)有采取過(guò)類(lèi)似的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，斜撐的兩端是通過(guò)錨栓錨固在混凝土支撐及地下連續(xù)墻上，設(shè)計(jì)過(guò)程中還對(duì)錨栓的抗剪進(jìn)行了檢算，通過(guò)檢算均能滿足規(guī)范要求。

根據(jù)基坑開(kāi)挖的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑外土體最大側(cè)向位移11.4 mm，出現(xiàn)在地面下27.5 m處，第3道支撐最大軸力為8 772 kN，地表最大沉降25.5 mm，均滿足一級(jí)基坑的變形保護(hù)等級(jí)要求，周邊建筑物變形均在可控范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)取消標(biāo)準(zhǔn)段第4道混凝土支撐，在第3道混凝土支撐下架設(shè)斜撐同時(shí)提高墊層剛度，受力合理，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形滿足一級(jí)基坑的變形保護(hù)等級(jí)要求。

(2)設(shè)計(jì)優(yōu)化后縮短工期約40 d，節(jié)約工程投資約110萬(wàn)元。

(3)根據(jù)基坑開(kāi)挖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系安全，周邊建筑物變形均在可控范圍內(nèi)。

(4)在混凝土支撐下架設(shè)型鋼斜撐為基坑支護(hù)體系先例，可為其他工程提供借鑒意義。

［1]徐奴文.地鐵車(chē)站深基坑開(kāi)挖與支護(hù)有限元數(shù)值模擬［D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2008.

［2]陳萬(wàn)鵬.基坑開(kāi)挖引起地表沉降的預(yù)測(cè)方法研究［D].南京:南京工業(yè)大學(xué)，2006.

［3]劉洋逆.作法超深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系有限元分析及應(yīng)用研究［D].天津:河北工業(yè)大學(xué)，2007.

［4]GB 20010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S].

［5]夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

［6]王昌興.MIDAS/Gen應(yīng)用實(shí)例教程及疑難解答［M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［7]李鐵生.蓋挖地鐵車(chē)站設(shè)計(jì)分析方法［D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.

［8]胡浩軍，王元漢.深基坑開(kāi)挖與支護(hù)模擬仿真分析［J].巖土力學(xué)，2007，28(S).

［9]崔勤，徐正良.軟土地層地鐵車(chē)站的新型蓋挖法施工［J].中國(guó)市政工程，2008(4):86.

［10]劉國(guó)彬，王衛(wèi)東，劉建航等.基坑工程手冊(cè)［M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［11]張淑莉.中關(guān)村金融中心工程深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(4).

［12]GB 50157—2003，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S].