上軟下硬地層地鐵車站深基坑支護結構設計研究

王兆亮 孫圣

摘 要：深基坑工程是一項具有綜合性、復雜性和不確定性等特點，風險性極大的工程。設計失誤是造成基坑事故的主要原因，基坑工程一旦發生事故，將危害人民生命安全，嚴重損害國家經濟，對社會產生不良影響。本文依托沿海地區某上軟下硬地鐵車站深基坑工程實例，綜合考慮周邊環境對支護結構進行了設計，并采用數值方法模擬基坑開挖與支護，數值分析結果表明，上軟下硬地層地鐵車站深基坑采用圍護樁+內支撐的設計方案安全可行。

關鍵詞：深基坑;支護結構;數值模擬

中圖分類號：TU473? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）02-0146-03

為緩解城市交通壓力，保障民生基本需求，出現了大量的軌道交通項目，使得地鐵車站深基坑工程日趨增多[1]。研究表明，設計失誤是造成基坑事故的主要原因[2]，車站深基坑工程一旦發生事故，將危害人民生命安全，嚴重損害國家經濟，對社會產生不良影響[3]。本文依托沿海地區某地鐵車站深基坑工程實例，綜合考慮周邊環境以對支護結構進行設計，并采用數值方法模擬基坑開挖與支護，分析支護結構設計效果。

1 工程概況

該基坑位于城市道路交叉口，周邊建筑物密集，交通流量較大，且地下管線較多，基坑安全等級為1級[4]。基坑長210m，深17.5m，標準段寬為19.9m。基坑所屬地貌為洪沖擊平原地貌，場區地形平坦，從上而下依次為雜填土、粉質粘土、粗礫砂、粗砂、風化安山巖，屬于典型的上軟下硬地層。地勘報告顯示，地下水為第四系孔隙水和基巖裂隙水。

2 基坑支護結構設計方案

綜合考慮基坑尺寸、周邊環境、水文地質條件，基坑采用圍護樁加內支撐的支護結構型式[4]。圍護樁為鉆孔灌注樁，樁直徑為1m，樁間距為1.4m，嵌固深度為7.5m，圍護樁抗彎承載力設計值為3843kN·m，抗壓承載力設計值為23550kN[5]。基坑采用坑內降水方式，坑內地下水位降低到坑底下1 m位置。圍護樁外側采用水泥土攪拌樁墻（SMW）止水，水泥土攪拌墻直徑0.85m，間距0.6m，并插一跳一布設H型鋼。

基坑沿豎向設置三層內支撐：第一道采用0.8×0.8m的混凝土內支撐，水平間距為12m，最大軸力標準值為946kN;第二、三道內支撐采用雙拼鋼管支撐，鋼管直徑為0.609m，厚0.016m，水平間距為4m，最大軸力標準值分別為1108kN和1701kN。腰梁采用56a雙拼工字鋼。

3 支護結構設計效果分析

基于數值方法建立基坑開挖三維模型，將基坑內力和變形與規范[6]進行比較，以分析基坑支護結構的設計效果。

3.1 基坑數值模型建立

為降低邊界效應對計算結果的影響，基坑邊界到邊界的距離約3～4倍H（H為基坑開挖深度），模型尺寸取X×Y×Z為150m×12m×80m[5-6]。模型側面限制其水平方向位移，底面為固定邊界條件，上邊面為自由邊界，計算模型見圖1。

土體、SMW墻、圍護樁、冠梁均采用實體單元（Zone 單元）模擬，內支撐采用梁單元（Beam 單元）模擬。模型中地下連續墻和土體之間的相互作用采用地下連續墻側面和底面的接觸面（Interface）實現，內支撐和圍護樁直接的相互作用則采用連接（Link）實現。通過襯砌單元（Shell 單元）模擬基坑內側網噴混凝土層。

基坑開挖是土體卸荷的過程，Mohr-Coulomb模型所需參數少，且計算結果與工程實測結果比較接近，因此，采用土體采用摩爾庫倫進行模擬，彈性模型實現TRD墻、圍護樁、冠梁及內支撐的模擬，具體參數見表1。

根據實際施工過程，基坑開挖模擬共分為9個分析步：①初始地應力平衡;②施作地下連續墻和冠梁;③開挖至-1.8 m;④施作第一道內支撐;⑤土體開挖至-8.2 m;⑥架設第二道鋼支撐并施加預應力;⑦土體開挖至-13.2 m;⑧施作第三道鋼支撐;⑨土體開挖至-17.5 m。

3.2? 基坑安全性分析

圖2為基坑開挖完成后地層豎向位移云圖，由圖2看出，基坑開挖完成后模型豎向最大位移出現在基坑壁后7.5m位置，最大沉降為7.97mm，均表現為沉降，且沉降值遠小于規范[6]要求。

圖3為基坑的深層水平位移，其中圖3（a）為不同施工步下圍護樁的深層水平位移，圖3（b）為基坑開挖結束后圍護樁、樁間土和SMW墻深層水平位移。由圖看出，圍護結構變形呈“復合式”變形模式[8]，隨著坑內土體的開挖，圍護樁的深層水平位移不斷增大，基坑開挖結束后，圍護樁的水平位移達到最大，最大值僅為8.4mm，位于地表以下9.2m位置，遠小于0.15H，且小于30mm[7]。樁間土和SMW墻變形模式與圍護樁相同，且相同深度位置，SMW墻和樁間土體的水平位移雖略大于圍護樁水平位移，但最大水平位移均小于10mm，滿足規范要求[7]。

圖4為圍護樁的彎矩和軸力圖，彎矩以圍護樁內側受拉為負，軸力以圍護樁受壓為負。由圖4看出，圍護樁最大負彎矩為1.7MN·m，位于地下-8.7m位置，最大正彎矩為2.6MN·m，均小于抗彎承載力設計值;圍護樁最大軸力為943kN，圍護樁豎向均表現為受壓，小于抗壓承載力設計值23550kN。

圖5為基坑開挖完成后內支撐軸力云圖，以內支撐受壓力為負。由圖看出，第一道內支撐軸力806kN，小于混凝土支撐軸力標準值946kN;第二道內支撐軸力為550kN，小于軸力標準值1108kN;第三道內支撐軸力為218.8kN，小于軸力標準值1108kN。

綜上所述，基坑圍護樁變形和地表沉降均小于規范值[6]，圍護樁和內支撐內力均滿足設計要求，因此，基坑設計方案安全可行。

4 結論

基于數值方法，建立了地鐵車站深基坑三維模型模擬基坑全過程施工，數值結果表明，上軟下硬地層地鐵車站深基坑采用圍護樁+內支撐的設計方案安全可行，可為類似地層深基坑設計提供借鑒。

參考文獻：

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[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土結構設計規范： GB 50010-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑基坑工程監測技術規范： GB 50497-2019[S].北京：中國建筑工業出版社，2019.

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