地鐵車站偏載深基坑圍護結構設計研究

交通事業的發展，對地鐵車站提出了更高的要求，無論是在數量和規模上都發生了巨大的變化。承載量雖然增大但是也增加了安全隱患。尤其是經常出現車站基坑事故，如基坑內部臨時坡體滑塌沖垮支撐、基坑圍護結構滲漏水等問題，容易造成經濟損失并且浪費人力物力，因此優化地鐵車站偏載深基坑圍護結構的設計勢在必行。

1 工程簡介

（1）工程概述。本次研究的對象是南京地鐵3號線明發廣場站的車站，總長度為180米，東西方向。

（2）工程水文地質狀況：①巖土層分布。為了深入研究工程情況，需要派遣專業技術人員嚴格勘察巖土工程現狀，經過勘察可以發現車站處于崗間坳谷區，坳谷地段的土質比較特殊，主要是新沉淀的軟流塑狀黏土。此外，還包含了填土層以及河漫灘沖淤結軟土，并且處于基坑的下方。除了這兩層土之外，還包含了粉質黏土、粉土夾粉砂、以及粉質黏土等土質；②水文條件。在車站地下，存有大量的孔隙潛水，也包含了一部分的弱承壓水。孔隙潛水的分布范圍主要在填土層，弱承壓水分布在粉質黏土夾礫石層內。弱承壓水的特點是水量少且分布不均［1］。

（3）基坑的特點。本地鐵車站的基坑包含層土的工程力學性質比較差，具有高觸變性以及流變性的特點，且支護結構的變位大。在施工的過程中，要求注意車站基坑變形按照二級基坑控制，二級基坑標準段普遍開挖深度為16.7米左右，可以保障基坑地面沉降量≤50mm，支護結構的最大水平位移≤50mm。基坑頂部車輛的動荷載大所以容易加劇基坑的維護結構兩側的偏載現象。

2 圍護結構的計算方式

為了更科學的計算圍護結構，需要采用常規的設計方法，不僅要充分了解基坑偏載的問題，還要使用在有限元軟件對基坑的圍護結構整體進行數值分析模擬，再將兩個計算的結果進行對比分析。

（1）單元計算方式。首先用理正深基坑支護設計軟件完成車站基坑南北兩側圍護結構的單元計算，坑外迎土面土壓力使用主動土壓力，開挖面之下土壓力假定為矩形分布模式，在坑內開挖面之下的土壓力使用被動土壓力。支撐支錨剛度取值需要遵守相應的規范。為了保證圍護結構的穩定性，并且要確定抗滲流等指標達到要求，需要制作基坑南北兩側圍護結構的內力包絡圖。基坑兩側采用了不同設計方式，挖深以及坑頂的荷載有一定區別，基坑南側樁身最大計算位移時25.86mm，基坑北側樁身最大位移時17.25mm。南側的圍護樁內力以及變形都比北側的圍護樁大［2］。

（2）二維有限元數值模擬。理正單元計算可以對基坑南北兩側的圍護結構進行分別計算，不過在這一過程中也會受到偏載現象的影響導致設置橫向支撐以后基坑南北兩側的圍護樁之間相互影響。車站基坑的坑頂荷載區別會導致嚴重的偏載問題。而且據分析可知，圍護結構單元計算不能真正的反應基坑圍護結構體系實際內力分布和變形情況。設計采用的是巖土和隧道通用的有限元分析軟件MidasGTSVER.4.2.0對車站基坑土方開挖以及架設支撐各工況進行整體的有限元分析：①計算模型。選擇二維平面模型進行模擬，圍護樁外側的巖土計算區域選擇基坑開挖深度兩倍的影響范圍。結合計算來看，兩倍的基坑挖深區域之外，造成的影響很小。模型高度選擇兩倍的挖深，模型計算區域的總寬為85m、高35m。基坑開挖范圍內的土體主要是粘性土以及粉質黏土，有限元模型中土體本構模型使用摩爾-庫倫模型。巖土體使用二維平面應變四節點單元模擬。模型中鉆孔咬合樁使用等剛度法折算成相當寬度的矩形截面連續墻。此外，需要注意模型中沒有考慮地下水的影響；②計算結果分析。結合計算的結果進行分析，基坑南側圍護樁和基坑側壁的土體都是向北偏移的情況，其中基坑南側的坑頂土體有沉降的趨勢。基坑北側支護樁外側是河道，而基坑側壁上部土體向左偏移，基坑側壁下部的土體向基坑內位移。兩側的坑底土體都存在隆起的現象。鋼支撐也會因為基坑南北側的圍護樁變位區別造成向上撓曲的問題［3］。為了減小基坑偏載對圍護結構的影響，可以調整南北兩側圍護樁樁徑的計算方式，計算之后發現，如果加大北側的圍護樁直徑不會對整個圍護結構變形造成太大的影響，可以加大南側的圍護樁直徑，這樣可以合理控制基坑南側圍護樁的位移和整個支護結構偏位的問題（如表1）。此外，在加大了南側圍護樁的直徑后，也同樣加大了第一層和第二層支撐的軸力，并且減小了第三、四層的支撐軸力（表2）。據分析可知，由于基坑南側圍護樁直徑加大改變了樁身變形曲線的形態，因此造成了這一現象。

表1 圍護樁最大水平位移對比表

注：樁徑1000mm，中心間距為1500mm，樁徑為1200mm，中心間距為1900mm.

表2 支撐軸力對比表

3 深基坑圍護結構設計

3.1 基坑支護形式

本車站主要使用1400mm灌注樁，嵌固深度為13m，支撐體系第一道使用800×800混凝土支撐，第二三道使用的使用鋼管支撐，其中增加臨時立柱。盾構段圍護使用1300mm灌注樁，大里程盾構段嵌固深度約為17m，小里程盾構段嵌固深度約為14m。支撐體系第一道使用800×800mm混凝土支撐，第二三道使用的使用鋼管支撐車站，車站典型排樁支護方案見圖1。

圖1 車站典型排樁支護方案

3.2 計算方式

使用理正深基坑支護計算軟件計算模擬過程，按照荷載增量法的原理實施。模擬開挖、支撐意義換撐的實際施工過程，基坑外側土壓力按照朗肯主動土壓力計算。將滲透系數作為標準，k≤1m/d時使用水土核算的方式，當k＞1m/d時使用水土分算的方式，在開挖面之下使用一組探巷模擬地層水平抗力［4］。

（1）第一道混凝土支撐驗算。截面使用800×800mm，最大支撐軸力設計值為3201.41kN。①已知條件。矩形柱 b=800mm，h=800mm；計算長度 L=11.60m砼強度 C30，fc=14.3N/mm2ft=1.43N/mm2；縱筋級別為 HRB400，fy=360N/mm2，fy′=360N/mm2；箍筋級別為 HPB300，fy=270N/mm2；軸力設計值為N=2666.67kN；彎矩設計值為Mx=268.77kN.m，My=60.36kN.m；剪力設計值為 Vy=117.09kN，Vx=0.00kN。②配置鋼筋。a.上部縱筋：8E25（3927mm2ρ=0.61%）＞As=1280mm2，配筋滿足；b.下部縱筋：8E25（3927mm2ρ=0.61%）＞As=1280mm2，因此可知配筋滿足；C.左右縱筋：3E20（942mm2ρ=0.15%）全側配筋As=1924mm2＞As=1280mm2，配筋滿足；d.豎向箍筋：d10@150四肢箍（2094mm2/mρsv=0.26%）＞Asv/s=853mm2/m，配筋滿足［5］。

（2）梁截面設計。①已知條件。矩形梁 b=800mm，h=800mm。砼 C30，fc=14.30N/mm2，ft=1.43N/mm2，縱筋 HRB400，fy=360N/mm2，fy，=360N/mm2，箍筋 HPB300，fy=270N/mm2。彎矩設計值為M=268.77kN.m，剪力設計值為V=117.09kN，扭矩設計值為T=0.00kN.m。②截面驗算。V=117.09kN＜0.250βcfcbh0=2173.60kN，因此截面滿足截面配筋。③正截面受彎承載力計算。a.按雙筋計算：as下=40mm，as上=40mm，相對受壓區高度 ξ=x/h0=0.000＜ξb=0.518；b.上部縱筋：As1=1280mm2ρ=0.20%＜ρmin=0.20%按構造配筋 As1=1280mm2；C.下部縱筋：As=1280mm2ρ=0.20%＜ρmin=0.20%按構造配筋As=1280mm2。④配置鋼筋。a.上部縱筋：計算As=1280mm2，實配8E25（3927mm2；ρ=0.61%），配筋滿足；b.腰筋：計算構造 As=b*hw*0.2%=1216mm2，實配6E20（1885mm2；ρ=0.29%）；C.下部縱筋：計算 As=1280mm2，實配8E25（3927mm2；ρ=0.61%），配筋滿足；d.箍筋：計算 Av/s=1017mm2/m，實配 d10@150四肢（2094mm2/m；ρsv=0.26%），配筋滿足。

4 基坑監測過程

為了保證基坑圍護結構和施工周邊建筑物的安全，要注意地鐵車站基坑施工的監測，采用信息化施工的方式，注意實時調整施工的方案和進度，需要對圍護樁位移、支撐軸力以及地表變形等情況進行監測。本文結合2017年4—5月基坑圍護樁位移和支撐軸力的監測結果進行了分析［6］。通過信息監測的方式，可以發現基坑圍護樁位移的實測結果與有限元分析結果相一致，監測時發現基坑南側圍護樁樁頂計算位移22.56mm，樁身位移32.57mm；實測結果樁頂位移是18mm，樁身位移為29mm。基坑北側圍護樁樁頂的計算位移是19.69mm，樁身位移為10.56mm；實測結果是樁頂位移為8mm，樁身位移為11mm。結合有限元分析的結果進行研究，可以明確基坑圍護結構體系的變形情況。混凝土支撐軸力的監測值比計算值要小。鋼支撐軸力實測值比較分散，所以可以在每層的支撐中選擇一個典型的鋼支撐。大部分的支撐軸力監測結果和有限元計算結果一致［7］。

5 結論

本文研究的偏載基坑的問題，從計算到實際的施工都進行了分析，旨在為類似基坑施工提供一些建議。比如基坑圍護結構設計需要從整體進行計算分析。增加荷載較大側圍護結構的剛度可以有效減小基坑整體的偏移，增設中立柱和支撐系桿可以增加偏載深基坑支撐體系的整體性，并且可以有效的穩定基坑整體結構。加強偏載基坑支撐體系的整體性有助于提高基坑整體穩定性，采用信息化施工方式，可以有效預防圍護結構的變形等。

［1］羅文浩.上海某地鐵換乘車站深基坑圍護結構設計［J］.科技資訊，2017，15（17）：57-58.

［2］徐松.地鐵車站深基坑圍護結構設計［J］.廣東建材，2017，33（2）：67-70.

［3］桑行，杜明芳，易領兵，等.鄭州某地鐵車站深基坑圍護結構設計分析［J］.河南科技，2015（12）：72-73.

［4］徐燁，馮仁麟，吳躍華.地鐵車站偏載深基坑圍護結構設計分析［J］.城市軌道交通研究，2012，15（9）：43-48.

［5］徐祝鋼.淺談如何做好企業勞動爭議的預防及處理工作［J］.經營管理者，2011（8）：162-163.

［6］黃健，張興剛.地鐵車站超深基坑的圍護結構設計［J］.鐵道標準設計，2008（8）：101-103.

［7］魏征.深達30m的地鐵車站深基坑圍護結構設計與施工［J］.建筑施工，2005（12）：1-2.