數(shù)值分析不同圍護墻剛度對地鐵站深基坑影響

冀葉濤，沈慧，曹廣勇

（1.中鐵隧道局集團有限公司，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大學建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601）

1 引言

隨著一線城市的快速發(fā)展，合肥城市交通也變得越來越擁堵。合肥地鐵已經(jīng)建設及規(guī)劃了多條路線，地鐵建設也需要更多的科學研究。地鐵車站基坑開挖是施工和研究的重要一環(huán)，開挖時對合肥重要路面及周圍環(huán)境的影響是我們關注的要點，所以在基坑開挖時對基坑周邊的變形位移監(jiān)測和研究，是對地鐵施工的一個最大的安全保障。

本文以合肥市桐城路站深基坑為背景，結合施工現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與MIDAS GTS NX有限元軟件數(shù)值模擬分析結果做對比。研究在基坑開挖過程中的整體變形趨勢和支護體系的受力情況，并對比分析了改變圍護結構剛度對基坑變形的影響。通過本文的研究將對地鐵車站深基坑圍護結構設計，提供十分重要的借鑒意義。

2 工程概況

2.1 基本信息

桐城路地鐵車站沿桐城南路南北向布置，位于龍圖路與龍川路之間。主體結構為地下兩層兩跨結構矩形框架結構。桐城路站為單層鋼筋混凝土箱形框架結構，共設置有3個進出口。車站基坑長度為207m，標準段寬度為21m，標準段深度為17m。車站基坑標準段圍護樁采用Φ800mm@1300mm鉆孔灌注樁，基坑內支護體系采用鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐，其中一道800mm×1000mm的鋼筋混凝土支撐，兩道Φ609×16mm鋼管支撐。支撐平面布置詳見圖1。

圖1 車站基坑支撐平面布置圖

2.2 施工方案

車站基坑開挖方式采用邊開挖邊支護、分層分段的開挖方式，每層開挖深度為7.28m、5m、3.77m。圍護樁施工完成后施加冠梁和混凝土支撐，然后進行土體的開挖。具體開挖步驟如表1。

基坑施工開挖步驟 表1

3 數(shù)值模擬

3.1 基本模擬假設

①基坑所在土體土層都是水平均勻分布的；

②材料為均質的且各項同性的；

③不考慮基坑降水對開挖的影響；

④忽略風荷載、雪荷載、地震荷載在基坑施工過程中的影響。

為了方便計算，利用等效剛度原理把鉆孔灌注樁等效為地下連續(xù)墻進行分析，等效方程為：

b—樁的間距；

h—等效地下連續(xù)墻厚度；

d—鉆孔灌注樁直徑。

將數(shù)據(jù)帶入上式中，計算可得等效后的地連墻厚度為600mm。

3.2 三維模型的建立

根據(jù)桐城路車站基坑現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，三維數(shù)值模型的長寬尺寸一般取車站深基坑開挖深度的3～5倍。故本次Midas GTS NX有限元三維模型尺寸為280m×100m×70m。土體的本構模型采用Mohr-Coulomb本構模型，地下連續(xù)墻采用2D板單元，混凝土支撐采用1 D彈性梁單元支撐，鋼支撐采用1D桁架單元模擬；為了模擬路面及周圍建筑物的實際荷載情況，在基坑四周地表設置超載20kPa。車站基坑整體模型及地連墻結構模型分別如圖2、圖3所示。各土層及其他材料參數(shù)如表2。

圖2 基坑整體模型

圖3 圍護結構模型

4 模擬結果分析

本文提取分析現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果進行擬合分析，得出的結果為數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基本相似，從而驗證了三維建模的準確性。在這個基礎上，進一步分析了改變圍護結構剛度對基坑變形的影響。

4.1 圍護結構水平位移分析

車站基坑土體開挖過程中造成圍護結構兩側的土壓力差，進而造成圍護結構發(fā)生水平側移。提取各個工況的圍護結構水平側移數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)做對比分析，如下圖4、圖5。

土層及其他材料參數(shù) 表2

圖4 圍護樁水平位移模擬結果

圖5 圍護樁水平位移模擬與監(jiān)測對比

結果表明：

①車站基坑開挖引起地下連續(xù)墻結構的水平側移呈現(xiàn)“拋物線形”。隨著土體向下開挖變化趨勢表現(xiàn)為先增大后減小。最大水平位移發(fā)生在第五次開挖，數(shù)值為23.3mm，最大變形中心位于地下12m左右的地方。

②通過實測值與模擬結果對比圖可以看出，水平側移的變化趨勢基本上吻合。誤差在允許范圍之內，產生誤差的原因可能是現(xiàn)場監(jiān)測時，操作不當、數(shù)值模擬時參數(shù)設置等因素。說明本次數(shù)值模擬具備一定的可靠性。

4.2 地表沉降分析

通過在基坑施工過程中除了地下連續(xù)墻的水平側移需要監(jiān)測外，基坑周圍的地表沉降也是車站基坑開挖過程中需要把控的重點。提取開挖工況下的基坑周邊地表沉降數(shù)據(jù)，如圖6。

圖6 南端頭井周邊地表沉降曲線

結果表明：

①在車站基坑的開挖模擬過程中，地表沉降曲線表現(xiàn)為“勺子形”，變化趨勢為先增大后減小的形式。

②車站基坑開挖過程中最大的沉降值為7.6mm距基坑邊4～10m。對周圍地表的影響一般在20m左右，而后隨著距離的增大對地表沉降值基本上沒有影響。

4.3 地連墻剛度對基坑變形影響

現(xiàn)研究地下連續(xù)墻剛度的改變對水平側移的影響，在原來地下連續(xù)墻結構的基礎上分別取0.5EI、2EI進行數(shù)值模擬對比分析。分別提取三種情況下開挖過程中圍護結構的水平側移和地表沉降變化曲線，如圖7、圖8。

結果表明：

①地下連續(xù)墻的剛度越低水平側移越大，最大水平側移的剛度為0.5EI情況下，側移值為20.7mm，比原剛度情況下增加了1.2mm。最小水平側移的剛度為2EI情況下，側移值為18.3mm，比原剛度情況下減少了1.2mm。

②基坑周圍地表沉降的最大值在0.5EI時，最大值為7.4mm，距離坑邊4.5m處，比原剛度情況下增加了1.1mm。地表沉降最小值在2EI時，沉降值為5.9mm，比剛度情況下減少了0.4mm。

③可以看出適當?shù)脑黾拥叵逻B續(xù)墻的剛度會降低圍護結構的水平側移和地表沉降值。整體工作井剛度的提升對安全施工是有效的。

圖7 不同地連墻剛度下圍護結構水平位移

圖8 不同地連墻剛度下地表沉降曲線

5 結論

①圍護結構的水平側移變化曲線表現(xiàn)為“拋物線形”，隨著土體開挖深度的增加變化趨勢表現(xiàn)為先增大后減小。開挖完成后最大值處位于開挖深度的0.6倍左右。

②基坑周邊地表的沉降呈現(xiàn)出“勺子形”，最大沉降位置位于距基坑邊緣約4.4m處最大值為7.6mm。

③圍護結構剛度對圍護結構的水平側移與地表沉降是有影響的，適當?shù)脑黾訃o結構的剛度，增加工作井整體的結構穩(wěn)定性，從而降低了水平位移和地表沉降值。