粉土地區(qū)地鐵明挖下沉段支護結構數(shù)值分析及優(yōu)化設計

姬彥雷

（河南省煤田地質局物探測量隊，河南 鄭州450000）

本文圍繞地鐵深基坑支護結構變形展開研究[1]，采用有限差分數(shù)值方法對基坑倒換支撐進行優(yōu)化設計并進行基坑穩(wěn)定性分析[2～5]，通過對各工況下基坑變形模擬分析，以驗證優(yōu)化設計的合理性和可行性，以供工程施工參考。

1 工程概況

鄭州某地鐵線路包含明挖標準段和明挖下沉段及盾構區(qū)間、地鐵車站等，地層以粉土、粉砂為主，其中下沉段原設計方案中施工倒換支撐選用φ609t=16 間距3.0m 布置，考慮到采用該型號倒換支撐容易造成施工空間狹小，施工極為不便，建議優(yōu)化設計為φ200 t=5 鋼管支撐1.5m 布置方案。本文以此為出發(fā)點，通過數(shù)值模擬分析驗算優(yōu)化后的基坑穩(wěn)定性。其中冠梁頂面距地面距離h取2.0m，鋼支撐預加軸力取0.5 倍標準值。

2 模型建立

結合實際工程情況及研究重點綜合考慮，數(shù)值模型水平方向邊界取1.5 倍基坑開挖深度，豎直方向邊界取2.5 倍基坑開挖深度。基坑開挖深度26.95m，模型尺寸為建立模型的尺寸為99.3m（X）×6.0m（Y）×94.0m（Z），建立模型如圖1 所示。

圖1 下沉段基坑支護數(shù)值模型

3 參數(shù)選取

各土層計算參數(shù)如表1 所示。由于基坑開挖前地下水已降低至基坑底部0.5m 以下，并實時監(jiān)測，因此本次數(shù)值分析不考慮地下水對基坑的影響。

表1 土層物理力學指標

4 計算結果分析

標準段基坑開挖采用分步開挖順序進行，基坑邊界2.0m 外考慮20kPa 均布荷載影響，主體結構采用順作法施工，每層開挖至支撐位置下0.5m，進行內支撐施工。本文重點分析優(yōu)化后的倒換支撐施工前后及盾構主體結構施工完成基坑穩(wěn)定性，因此暫不考慮開挖過程基坑變形情況，倒換支撐施工各工況下圍護結構水平變形及內支撐軸力大小計算結果如圖2～6 所示，具體分析如下。

圖2 工況1 坑底攪拌樁及C20 砼墊層施工完成

圖2 中，圍護樁水平位移變化最大值位于下部約1/3 位置，分別為3.10mm 和-2.55mm，遠小于設計標準（≤0.2%H 且≤30mm）。內支撐軸力最大值為245.3kN，未超過設計軸力3108kN 的80%，因此基坑穩(wěn)定。

圖3 工況2 主體結構第一次施工完成

圖3 中，基坑水平位移最大值位于基底坑角位置，分別為2.36mm 和-1.71mm，遠小于設計標準（≤0.2%H 且≤30mm）。內支撐軸力最大值為451.3kN，未超過設計軸力3312kN 的80%，因此基坑穩(wěn)定。

圖4 工況3 主體結構第二次施工完成

圖4 中，拆除第四道鋼支撐，繼續(xù)施工主體結構，基坑水平位移變化最大值位于基坑底部坑角位置，分別為2.39mm 和-1.66mm遠小于設計標準（≤0.2%H 且≤30mm）。內支撐軸力最大值為239.9kN，未超過設計軸力3108kN 的80%，因此基坑穩(wěn)定。

圖5 工況4 主體結構施工完成

圖6 工況5 回填施工完成

圖5 中，施做倒換支撐，并拆除第三道鋼支撐，繼續(xù)施工主體結構至完成，并按設計要求進行基坑回填，基坑水平位移變化最大值仍位于基坑底部坑角位置，分別為2.34mm 和-1.55mm，遠小于設計標準（≤0.2%H 且≤30mm）。內支撐軸力最大值為71.72kN，未超過設計軸力2521kN 的80%，因此基坑穩(wěn)定。

圖6 中，主體結構及回填全部完成，基坑水平位移變化最大值位于基坑頂部坑邊位置，分別為1.92mm 和-1.71mm，遠小于設計標準（≤0.2%H 且≤30mm）。倒換支撐軸力最大值為16.9kN，未超過設計軸力2754kN 的80%，因此基坑穩(wěn)定，下一步可拆除倒換支撐，施工結束。

5 結論

通過上述分析，盾構下沉段采用φ200@1500 t=5 鋼倒換支撐能夠滿足基坑變形設計要求，可確保整個施工過程基坑穩(wěn)定，方案可行，且經(jīng)過工程實際應用證明，該優(yōu)化方案在保證基坑安全穩(wěn)定的前提下方便了工程施工，有效的節(jié)約了施工成本，加快了施工進度，取得了較大的經(jīng)濟效益。