既有暗挖車站上蓋增層基坑施工力學(xué)響應(yīng)

陳啟輝，劉顏磊，韓健勇，張志偉，鄭凱

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250003)

0 引言

隨著國內(nèi)地下工程的大規(guī)模建設(shè)及其功能要求的不斷提高，在既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的拓建工程明顯增多，尤其對(duì)于既有地鐵換乘車站，拓建增層技術(shù)在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是，由于上蓋增層基坑圍護(hù)樁直接落在既有結(jié)構(gòu)上方，同時(shí)基坑內(nèi)土體開挖卸載會(huì)引起既有地鐵結(jié)構(gòu)隆起，施工過程中會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)周圍地層產(chǎn)生連續(xù)、多次的擾動(dòng)，基坑在既有結(jié)構(gòu)上施工勢(shì)必對(duì)其自身的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，在設(shè)計(jì)、施工上較緊鄰建筑物工程難度更大，目前相關(guān)理論尚不成熟，無法滿足工程應(yīng)用的需要。

20世紀(jì)中葉以來，學(xué)者開展了深基坑穩(wěn)定性的研究，BJERRUM等[1]針對(duì)黏土地基提出預(yù)估基坑破壞的新理論。隨著我國高層建筑的不斷增多，基坑支護(hù)工程逐漸得到高度重視[2]。進(jìn)入21世紀(jì)，LONG[3]分析了近300個(gè)基坑工程的穩(wěn)定性，揭示了開挖深度與墻體位移、土體變形之間的關(guān)系。鄭剛等[4]對(duì)比了三維快速拉格朗日分析法(Fast Lagrangian Analysis of Continue 3D，F(xiàn)LAC 3D)模擬與極限平衡法計(jì)算結(jié)果，研究基坑破壞模式和圍護(hù)樁對(duì)基坑穩(wěn)定的影響。上述研究多針對(duì)天然場地中的基坑展開分析，而隨著深基坑工程越來越多地出現(xiàn)在城市復(fù)雜環(huán)境中，常出現(xiàn)基坑近鄰既有結(jié)構(gòu)，基坑的變形受力機(jī)理更加復(fù)雜，相關(guān)研究也相對(duì)較少。沈國政等[5]通過明德林(Mindlin)基本解計(jì)算隧道軸線應(yīng)力，基于帕斯捷爾納克(Pasternak)地基模型改變地基剪切層模量G，并根據(jù)艾爾米特(Hermite)插值推導(dǎo)差分格式求解平衡微分方程，研究了基坑開挖對(duì)隧道的影響關(guān)系。魏綱等[6]針對(duì)開挖基坑近鄰盾構(gòu)隧道的圍壓變化機(jī)制，推導(dǎo)隧道附加圍壓計(jì)算公式，并采用修正慣用法研究基坑開挖對(duì)近鄰隧道的圍壓和內(nèi)力影響。李志偉[7]結(jié)合實(shí)際工程和有限元模擬，深入分析了臨近淺基礎(chǔ)建筑物引起基坑的不良影響，并驗(yàn)證了實(shí)測(cè)結(jié)果，提出堆載情況下基坑的合理開挖步序。目前，對(duì)于基坑開挖與近鄰結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律已有一定的有益結(jié)論。隨著拓建增層基坑工程的增多，同一基坑同時(shí)存在無嵌固樁與嵌固樁兩種形式，無嵌固樁直接落于既有結(jié)構(gòu)上方，而嵌固樁近鄰既有結(jié)構(gòu)側(cè)壁，傳統(tǒng)支護(hù)理論難以適用，相關(guān)研究較少。因此，既有暗挖車站上蓋增層基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析尤為必要。

基于此，文章依托北京地鐵6號(hào)線蘋果園車站拓建工程項(xiàng)目，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合三維有限元模擬，對(duì)既有暗挖車站上方進(jìn)行基坑施工引起的力學(xué)響應(yīng)展開研究，分析各工況下嵌固樁和無嵌固樁的受力變形規(guī)律，以期為類似拓建工程中的圍護(hù)樁變形控制提供理論依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

北京地鐵6號(hào)線西延工程位于既有6號(hào)線的延伸段，總長度約為10.6 km，沿途共設(shè)6個(gè)車站，建成后將貫穿京城東西，對(duì)完善首都交通路網(wǎng)、帶動(dòng)周邊經(jīng)濟(jì)具有重要意義。蘋果園站為本線6個(gè)車站之一，分別與M1線蘋果園站和S1線蘋果園站換乘，位于蘋果園南路與阜石路交匯口東側(cè)，周圍建筑物眾多，環(huán)境復(fù)雜。新建地鐵6號(hào)線與既有地鐵1號(hào)線蘋果園站之間呈70°夾角，蘋果園站平面位置如圖1所示。車站主體結(jié)構(gòu)采用暗挖洞樁法(Pile Beam Arch，PBA)與明挖法相結(jié)合的施工方法，其中地下二、三層采用暗挖PBA工法施工，地下一層在下兩層結(jié)構(gòu)完成后采用明挖法施工，實(shí)現(xiàn)上蓋增層拓建。增層段基坑分別位于地鐵1號(hào)線東西兩側(cè)，兩個(gè)基坑平面尺寸相同，其長為39.8 m、寬為27.9 m、基坑深約為12.2 m。

圖1 蘋果園站平面位置圖

1.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁＋內(nèi)支撐體系，東西兩側(cè)圍護(hù)樁為無嵌固樁，南北兩側(cè)為嵌固樁。圍護(hù)樁的水平位移測(cè)點(diǎn)主要包括A1、A2和B1(A代表無嵌固樁、B代表嵌固樁)，如圖2所示。圍護(hù)樁為直徑1 000 mm的人工挖孔樁，其樁間距為1 600 mm、樁長為9.3～15.2 m。基坑?xùn)|、西兩側(cè)圍護(hù)樁直接落于車站頂拱，為吊腳樁形式。車站范圍內(nèi)卵石主要包括卵石②、卵石⑤、卵石⑦和卵石○1 4類，如圖3所示。為了保證無嵌固樁樁體穩(wěn)定性，將樁底主筋與導(dǎo)洞主筋焊接在一起，基坑四周留有反壓土，并在圍護(hù)樁施作結(jié)束后，對(duì)無嵌固樁背后3.0 m、坑底至地表以下3.7 m內(nèi)進(jìn)行深孔注漿加固。設(shè)置3道內(nèi)支撐體系，第1道角部為混凝土支撐、中部為鋼支撐，第2、3道角部和中部均為鋼支撐，鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力，主體圍護(hù)樁頂設(shè)1 000 mm×1 000 mm(高)冠梁。第1道支撐角部采用600 mm×1 000 mm混凝土支撐，中間采用Φ800、壁厚為16 mm鋼管，第2、3道鋼支撐均采用Φ800、壁厚為16 mm鋼管，鋼圍檁(鋼腰梁)采用2根工45b組合型鋼組成。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖/mm

圖3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖/mm

1.3 場區(qū)地質(zhì)情況

車站地層由上至下按沉積年代分為:①人工堆積層(Qml)；②新近沉積層(Q2＋3al＋pl4)；③第四紀(jì)晚更新世沖洪積層(Qal＋pl3)和④三疊紀(jì)基巖。車站范圍內(nèi)存在部分潛水，地下水在車站底板以下約10.4 m處，可不考慮地下水影響。

2 增層基坑施工的圍護(hù)樁變形研究

基坑開挖后，3根樁的水平位移曲線如圖4～6所示。其中，L1～L3為內(nèi)支撐施作位置，He為基坑開挖深度。

圖4 A1號(hào)樁體水平位移曲線圖

圖5 A2號(hào)樁體水平位移曲線圖

2.1 無嵌固圍護(hù)樁變形研究

A1和A2號(hào)無嵌固樁在不同施工階段的樁體水平位移監(jiān)測(cè)曲線如圖4和5所示，兩者樁底水平位移接近于0，樁頂水平位移隨基坑開挖變化不大，樁體最大位移量分別位于距地表3.5和8.0 m處，其值分別約為基坑深度的0.016%和0.020%，整體變形較小。基坑?xùn)|西兩側(cè)邊長僅為27.9 m，坑角效應(yīng)明顯，同時(shí)，人工挖孔樁＋內(nèi)支撐＋樁后深孔注漿多重措施抗變形能力強(qiáng)，致使無嵌固樁整體變形偏小。此外，A1和A2號(hào)樁變形形狀存在較大差異，其中A1號(hào)樁呈典型的“魚腹型”，即樁體兩端位移較小，中部向外凸出，基坑開挖8.7 m至拆除第3道支撐期間，樁體位移曲線顯著增大；A2號(hào)樁呈倒L型，基坑開挖8.7～12.2 m期間的樁體位移曲線變化不明顯，在拆除第3道支撐后位移曲線出現(xiàn)明顯外凸。A1號(hào)樁和A2號(hào)樁第1道角撐為混凝土支撐，支撐剛度與長度成反比，A1號(hào)樁所受內(nèi)支撐支護(hù)效果優(yōu)于A2號(hào)樁；第2道角撐為預(yù)應(yīng)力鋼支撐，支撐效果主要受軸力控制，A1號(hào)樁和A2號(hào)樁所受角撐支護(hù)效果相近；第3道角撐也為預(yù)應(yīng)力鋼支撐，A1號(hào)樁和A2號(hào)樁所受角撐支護(hù)效果相近，但在A1號(hào)樁所在位置留有反壓土，可以有效限制樁體下部位移，導(dǎo)致A1號(hào)樁體最大水平位移位置上移，因此A1號(hào)樁與A2號(hào)樁變形趨勢(shì)不同。

2.2 嵌固圍護(hù)樁變形研究

B1號(hào)嵌固樁在不同施工階段的樁體水平位移監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示，其樁體水平位移量明顯大于無嵌固樁，整體水平位移呈“魚腹型”變形形態(tài)，樁體兩端位移接近于0，最大位移位于樁體中部，其值為4.5 mm，約為基坑深度的0.037%。拆除第3道支撐后位移大小發(fā)生明顯變大，說明人工挖孔樁＋內(nèi)支撐的高剛度支護(hù)形式的抗變形能力較強(qiáng)[8]，此外嵌固樁樁底與既有結(jié)構(gòu)導(dǎo)洞外壁凈距僅為0.2 m，對(duì)樁體水平位移限制效果顯著。由于基坑整體尺寸偏小，最大處距坑角僅為19.9 m，3根樁均受到了坑角效應(yīng)的影響[9]，內(nèi)支撐和冠梁在限制樁體位移的同時(shí)，也增大了坑角效應(yīng)的影響范圍。

圖6 B1號(hào)樁體水平位移曲線圖

3 上蓋增層基坑數(shù)值模型建立

3.1 模型建立與參數(shù)選取

北京地鐵6號(hào)線西延工程蘋果園站兩層標(biāo)準(zhǔn)段采用PBA洞樁法施作，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地下一層結(jié)構(gòu)的拓建施工，并對(duì)場區(qū)內(nèi)土層、附屬結(jié)構(gòu)等進(jìn)行簡化處理，建立上蓋增層基坑三維有限元數(shù)值模型。模型建立時(shí)，考慮模型精度和計(jì)算規(guī)模，在水平方向一般取3～5倍的基坑開挖深度，豎直方向取1～2倍的基坑開挖深度。

工程中兩個(gè)基坑在東西方向上尺寸相同，故僅選取其中一個(gè)進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)條件，并結(jié)合既有結(jié)構(gòu)埋置深度，模型在水平方向取4倍的基坑開挖深度，豎直方向取2倍的基坑開挖深度，計(jì)算模型尺寸定為119 m×105 m×55 m。由于地下水位于車站底板以下約10.4 m，故有限元模型邊界條件不考慮滲流邊界，僅考慮應(yīng)力、位移邊界。模型上表面為自由面，側(cè)面約束法向位移，下表面約束水平和豎直方向的位移，基坑圍護(hù)樁后2～10 m范圍內(nèi)施加20 kPa的施工荷載。

工程場地內(nèi)土層自上而下依次為粉質(zhì)黏土、卵石、砂巖，其中粉質(zhì)黏土主要在地表附近，約占8%，卵石為車站主體范圍內(nèi)的主要分布類型，約占92%，卵石層下方為砂巖。由于工程涉及大體積卸載問題，故對(duì)變形參數(shù)較為敏感。對(duì)于砂土和巖石的數(shù)值模擬而言，較為常用的是摩爾－庫倫(Mohr-Coulomb，MC)模型和硬化土(Hardening Soil，HS)模型，MC模型屬于理想線彈塑性模型，對(duì)巖土行為描述的是一種“1階”近似[10]，比較適用于土工問題的初步分析。HS模型是一種比較高級(jí)的土體模型，利用3個(gè)參數(shù)φ、c和ψ表示其極限狀態(tài)，并用E50、Eur和Eoed3個(gè)不同輸入剛度描述土體剛度，可反映土體卸載過程中的非線性力學(xué)特征[10]。根據(jù)已有研究的經(jīng)驗(yàn)值[11]，粉質(zhì)黏土和卵石采用HS模型，巖石采用MC模型(參數(shù)見表1)，并確定卵石取，粉質(zhì)黏土取并根據(jù)位移反分析確定。除土體外，模型的其他材料均采用彈性本構(gòu)模型，其主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 土體參數(shù)表

表2 模型主要材料物理力學(xué)參數(shù)表

模型中材料眾多，根據(jù)各部分實(shí)際受力特征，采用不同單元形式模擬。其中，各層土體和車站主體結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬；車站初支結(jié)構(gòu)采用板單元模擬；冠梁、混凝土支撐、圍護(hù)樁和鋼管柱采用梁單元模擬，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，冠梁和混凝土支撐為矩形截面，尺寸分別為1.0 m×1.0 m和0.6 m×1.0 m，圍護(hù)樁和鋼管柱為圓形截面，其直徑分別為1.0和0.9 m；鋼管支撐受力特征主要表現(xiàn)為受壓，故用桁架單元模擬，定義直徑為800 mm、壁厚為16 mm的圓管。

在模型建立過程中，通過添加施工階段單元屬性的邊界條件來實(shí)現(xiàn)開挖過程中土層到注漿層的轉(zhuǎn)化，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖7和8所示。

圖7 上蓋增層有限元模型圖/m

圖8 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型圖

現(xiàn)場施工工序主要包括洞樁法開挖和上蓋增層基坑開挖。(1)進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，將地層前期固結(jié)沉降值和建筑物的沉降值歸零，建立地層應(yīng)力；(2)進(jìn)行車站主體結(jié)構(gòu)的施工；(3)在此基礎(chǔ)上，再次進(jìn)行位移清零，并開挖上蓋增層基坑，主要包括深孔注漿加固、圍護(hù)樁安裝、土體開挖和內(nèi)支撐施作等。

3.2 數(shù)值模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性并標(biāo)定模型參數(shù)，對(duì)圍護(hù)樁進(jìn)行水平位移曲線形狀對(duì)比，基坑開挖至基底后(He＝12.2 m)的變形狀態(tài)如圖9所示，無嵌固樁A2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比。其中水平位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值最大分別為1.70、1.79 mm，均位于距地表深度約為4.0 m，相差僅為5.03%，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果曲線變化趨勢(shì)基本相同，說明該模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性滿足要求。

圖9 圍護(hù)樁樁體水平位移對(duì)比曲線圖

4 上蓋增層基坑施工力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬分析

針對(duì)不同基坑開挖深度He引起的樁體內(nèi)力變形規(guī)律，選取具有代表性的A2、A3和B1號(hào)樁，整理基坑開挖4.0、8.7、12.2 m和拆除第3道鋼支撐4個(gè)工況下的內(nèi)力變形數(shù)據(jù)。

4.1 水平變形分析

A3號(hào)無嵌固樁在不同施工階段的樁體水平位移模擬曲線如圖10所示。當(dāng)He＝4.0 m時(shí)，樁體水平位移曲線大致呈三角形，最大位移位于樁頂，其值約為0.70 mm，可知作用于無嵌固樁的第1道斜撐對(duì)樁體位移起到了一定的限制作用，此外，當(dāng)基坑開挖深度較淺時(shí)，樁后被動(dòng)區(qū)土壓力對(duì)樁體位移起主要的限制作用，故樁體水平位移形狀呈倒三角形；當(dāng)He＝8.7 m時(shí)，由于第2道鋼支撐施加了預(yù)壓力，支撐位置樁體位移有了明顯減小，最大位移位于樁頂，其值約為0.85 mm；當(dāng)He＝12.2 m時(shí)，樁體水平位移與He＝8.7 m處變化形狀相似，樁體負(fù)位移最大處增長約為0.16 mm，正位移最大處減小約為0.28 mm，說明施作第3道鋼支撐改善了樁體位移形狀；基坑施作完畢，在進(jìn)行負(fù)一層車站主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，需要拆除第3道鋼支撐，此時(shí)樁體在鋼支撐拆除位置水平位移明顯增大，增加值約為0.50 mm，此時(shí)基坑風(fēng)險(xiǎn)較大，需盡快施工。對(duì)比4組施工工況，在樁體－8.7 m處，第3道鋼支撐支護(hù)后樁體的水平位移量最小，說明鋼支撐在限制位移量上具有重要作用。

圖10 A3號(hào)樁樁體水平位移模擬曲線圖

A2號(hào)無嵌固樁在不同施工階段的樁體水平位移模擬曲線如圖11所示。當(dāng)He＝4.0 m時(shí)，A2和A3號(hào)樁變形形狀相似，最大位移均位于樁頂，其值約為0.70 mm；當(dāng)He＝8.7 m時(shí)，A2號(hào)樁水平位移明顯大于A3號(hào)樁，最大位移位于樁體－5.5 m，其值約為1.00 mm，且位移曲線呈倒L型，顯然第二道支撐的約束作用效果差于A3號(hào)樁。當(dāng)He＝12.2 m時(shí)，由于施作第3道鋼支撐，A2號(hào)樁整體位移量變小，最大位移約位于樁體－6.0 m處，其值約為0.80 mm，位移曲線形狀呈L型，樁體折點(diǎn)略有下移。隨著基坑開挖深度的增加，坑內(nèi)土體移除，樁后土體應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致樁體向基坑內(nèi)側(cè)位移，而第3道預(yù)應(yīng)力鋼支撐的施作可以平衡部分樁后土壓力，使樁體水平位移整體減小。當(dāng)拆除第3道鋼支撐后，水平位移曲線形狀變化和A3號(hào)樁類似，在支撐拆除位置水平位移明顯增大，最大位移位于樁體－7.2 m，其值約為1.30 mm。可以看出，A2與A3號(hào)樁位移曲線明顯不同，其整體呈倒L型，隨著開挖深度增大，折點(diǎn)位置不斷下降，在內(nèi)支撐作用位置，樁體沒有明顯內(nèi)凹，內(nèi)支撐對(duì)樁體的限制效果不如A3號(hào)樁明顯。A2和A3號(hào)樁變形形狀不同的主要原因在于不同樁體受內(nèi)支撐約束程度不同，A3號(hào)樁受到兩道斜撐的影響，約束效果產(chǎn)生疊加，優(yōu)于A2號(hào)樁。

圖11 A2號(hào)樁樁體水平位移模擬曲線圖

基坑B1號(hào)嵌固樁不同施工階段的樁體水平位移模擬曲線如圖12所示。B1號(hào)樁與無嵌固樁相比，水平位移形狀和大小均有較大差異。和實(shí)測(cè)結(jié)果相同，樁整體位移形狀呈“魚腹型”。樁頂施作鋼支撐，樁底與小導(dǎo)洞外壁較近，樁體的上、下兩端均受到較大約束作用，導(dǎo)致僅樁體中部向外凸出。當(dāng)He＝4.0 m時(shí)，樁體的最大水平位移位于基底附近。隨著開挖，樁體最大水平位移位置不斷下移，但滯后于開挖深度，當(dāng)開挖至基底后，樁體最大水平位移位于樁體約－7.0 m處，對(duì)拆除第3道支撐后，樁體最大水平位移位置進(jìn)一步下移；位于樁體－9.0 m處，其值約為3.42 mm，是無嵌固樁最大位移幅度的2.63倍。

圖12 B1號(hào)樁樁體水平位移模擬曲線圖

從上述分析可以看出，嵌固樁與無嵌固樁的水平位移遠(yuǎn)小于國家規(guī)范極限值(30 mm)[12]，位移得到了有效控制。圍護(hù)樁樁體最大位移量均出現(xiàn)在第3道支撐拆除后，說明基坑開挖過程中，鋼支撐在限制樁體變形方面至關(guān)重要。在鋼支撐拆除后對(duì)基坑圍護(hù)樁穩(wěn)定性影響較大，基坑風(fēng)險(xiǎn)增加[13]，需采取有效措施控制變形。無嵌固樁樁體水平位移量明顯小于嵌固樁，原因在于:(1)深孔注漿使樁后原本松散的土體顆粒膠結(jié)成一個(gè)高強(qiáng)度的結(jié)合體[14]，提高了土體的力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而減少了樁后土體向基坑內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；(2)樁底與既有結(jié)構(gòu)剛接，約束樁底變形，對(duì)限制樁體位移貢獻(xiàn)巨大。此外，由于嵌固樁側(cè)臨空面大于無嵌固樁側(cè)，坑角約束有限[15－16]，導(dǎo)致基坑中部嵌固樁樁體位移較大。

4.2 圍護(hù)樁受力分析

基坑圍護(hù)樁主要受樁后側(cè)向土壓力作用，圍護(hù)樁的側(cè)向承載能力直接影響基坑的穩(wěn)定性。A3號(hào)無嵌固樁在不同施工階段的樁體彎矩模擬曲線如圖13所示。當(dāng)He＝4.0 m時(shí)，樁頂3.0 m范圍內(nèi)分布負(fù)彎矩，最大彎矩值位于樁頂，其值約為－231.7 kN·m。第一層混凝土斜撐自重較大，斜撐與冠梁整體澆筑在一起，受力形式等同于兩端固結(jié)的梁，斜撐端部的彎矩傳遞到圍護(hù)樁上，引起圍護(hù)樁產(chǎn)生負(fù)彎矩。隨著基坑繼續(xù)開挖，逐漸出現(xiàn)正彎矩。當(dāng)He＝8.7 m時(shí)，樁體的－8.7 m處正彎矩最大，其值約為156.9 kN·m。當(dāng)He＝12.2 m時(shí)，彎矩曲線變化不大，僅在第3道支撐位置出現(xiàn)內(nèi)凹，說明內(nèi)支撐類似于支點(diǎn)，可以改善樁體的內(nèi)力分配。拆除第3道鋼支撐后，圍護(hù)樁內(nèi)力發(fā)生重分布，基底與第2道支撐處出現(xiàn)較大負(fù)彎矩，其值分別約為－335.3和－350.8 kN·m，樁體的－9.0 m位置處出現(xiàn)最大正彎矩，其值約為230.5 kN·m，此時(shí)第2道支撐處至樁底部的樁體與兩端固支的梁受力形式類似，說明第2道鋼支撐與樁體間存在剛性約束，可以改善中部樁體的受力形狀。

圖13 A3號(hào)樁樁體彎矩模擬曲線圖

A2號(hào)無嵌固樁在不同施工階段的樁體彎矩模擬曲線如圖14所示。A2號(hào)樁在4.0、8.7和12.2 m工況情況下，樁體－6.0 m至地表范圍內(nèi)彎矩波動(dòng)不明顯，最大彎矩約為－89.7 kN·m，相比于A3號(hào)樁，3個(gè)工況下A2號(hào)樁體負(fù)彎矩明顯更小，因此開挖過程中樁體水平位移曲線變化不明顯(如圖11所示)。在樁體－6.0 m下方逐漸出現(xiàn)較大的正彎矩，其最大值約為135.0 kN·m，位于樁體約－7.8 m處，與樁體水平位移曲線折點(diǎn)出現(xiàn)位置相同。A2號(hào)樁在拆除第3道鋼支撐后，樁體彎矩曲線形狀與A3號(hào)樁大致相同，彎矩大小也相近，說明拆除第3道鋼支撐后，樁體的內(nèi)力重分布對(duì)樁體產(chǎn)生較大不良影響。根據(jù)已有的研究結(jié)果[17]，隨著內(nèi)支撐剛度增加，樁體的水平位移減小、正彎矩減少、負(fù)彎矩增加，A3號(hào)樁體受兩道斜撐的疊加影響，A3號(hào)樁支撐剛度大于A2號(hào)樁，與已有的研究結(jié)果結(jié)論相同。

圖14 A2號(hào)樁樁體彎矩模擬曲線圖

B1號(hào)嵌固樁在不同施工階段的樁體彎矩模擬曲線如圖15所示。當(dāng)He＝4.0、8.7 m時(shí)，最大彎矩均出現(xiàn)在開挖位置附近，并且樁體上方?jīng)]有負(fù)彎矩；當(dāng)He＝12.2 m時(shí)，樁體最大正彎矩僅為201.5 kN·m、最大負(fù)彎矩僅為－102.3 kN·m，且正負(fù)彎矩分布均衡，3道支撐對(duì)樁體彎矩改善效果顯著；當(dāng)拆除第3道鋼支撐后，嵌固樁正負(fù)彎矩均有顯著增大，其值分別為399.8和－310.5 kN·m，增大幅度分別為98.4%和203.5%，說明拆除第3道鋼支撐后，樁體的內(nèi)力重分布對(duì)樁體產(chǎn)生較大不良影響。

圖15 B1號(hào)樁樁體彎矩模擬曲線圖

5 結(jié)論

依托北京蘋果園地鐵站上蓋增層基坑項(xiàng)目，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和三維有限元模型分析，考慮基坑動(dòng)態(tài)開挖過程，分析了圍護(hù)樁的受力和變形特征，得出主要如下結(jié)論:

(1)圍護(hù)樁最大水平位移量約為0.037%He，變形控制效果顯著。豎向增層基坑無嵌固樁樁底與既有結(jié)構(gòu)連接對(duì)樁體變形具有顯著約束作用；嵌固樁受到導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)約束明顯。

(2)對(duì)于圍護(hù)樁與內(nèi)支撐相結(jié)合的支護(hù)體系，不同位置樁體變形和受力具有顯著差異，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)顯著，同時(shí)內(nèi)支撐剛度對(duì)樁體受力模式有較大影響。

(3)無嵌固樁的水平位移遠(yuǎn)小于嵌固樁的水平位移，說明樁后深孔注漿使松散的土體顆粒膠結(jié)呈結(jié)合體，減少了樁后土體向基坑內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，同時(shí)樁底與既有結(jié)構(gòu)固結(jié)限制了樁底水平位移，兩者共同作用改善了樁體的位移曲線。

(4)各圍護(hù)樁的水平位移和彎矩大小均在第3道支撐拆除后達(dá)到最大，說明此時(shí)基坑風(fēng)險(xiǎn)較高，需采取有效措施。