某明挖地鐵車站支護結構地震響應分析

李雪梅

(四川建筑職業技術學院 土木工程系，四川 德陽 618000)

0 前 言

近些年，大型建筑工程呈現井噴式發展，頻發的地震使得工程建設的各個階均需要解決抗震的問題。學者針對建筑工程地震災變的研究主要集中在上部結構地震響應[1]、結構-巖土體相互作用[2]等方面，涉及波動理論、土動力學、地震工程學等諸多學科的交叉[3]，研究方法多為理論分析法[4]、室內振動臺物理模擬[5]、數值計算分析[6]等，在結構使用期間結構的抗震性能和減震防震手段等方面取得了有意義的成果[3,7]。但是，基坑臨時性支護體系設計的等級遠不及永久結構，基坑一旦失穩，會對基坑、周邊的道路、臨近房屋等造成破壞。因此，學者已對基坑的土釘支護[8]、錨噴支護[9]、地下連續墻[10]、支護樁[11]等從結構位移、坑內隆起等方面展開研究并獲得認識，對于大型建筑工程基坑地震穩定性處于初級階段。尤其是城市軌道交通工程中車站深基坑常用的預應力鋼支撐來說，其對于地鐵支撐圍護結構的地震影響的研究相對匱乏。本文以某站地鐵車站的基坑為例，研究預應力鋼支撐對基坑地震響應的影響，以探討現行規程設計方法中設計思路的可靠性。

1 工程概況及地質條件

某站地鐵車站基坑平面上呈長方形，有基坑1區、基坑2區組成，長向約240 m，短向約25 m，開挖深度約20 m，基坑等級為1級。場地地層主要由第四系全新統人工填土、第四系中～下更新統冰水沉積層，下伏白堊系中統灌口組組成。各層巖土的構成和特征分述如下，巖土體的物理力學參數見表1所示。

表1 巖土體物理力學參數

1)第四系全新統人工填土:素填土①：以黏性土、風化泥巖巖屑為主，該層在坡頂普遍分布。層厚0.50～1.0 m。

2)第四系中更新統冰水沉積層:中砂②：松散，夾少量粉細砂及粉土，場地均勻分布，層厚0.5～4 m；粉質黏土③：可塑～硬塑，網狀裂隙較發育，層厚0.80～1.80 m；粉土④：密實，夾少量粉質黏土及粉細砂，強度低，厚度3.0～5.0 m；粉砂⑤：黑灰色，夾少量黏土及粉砂，在場地內均勻分布，厚度在3.0～5.0 m；含卵石黏土⑥：可塑～硬塑，以黏土為主，局部含有少量卵石的團狀粉土土體富集。卵礫石粒徑多在1～8 cm，卵礫石含量一般在16%～45%。層厚0.50～7.50 m。

根據場地工程地質條件、基坑開挖條件等，采用地下連續墻墻+預應力鋼支撐+混凝土支撐聯合支護形式，其中，地下連續墻厚度為1.0 m，混凝土強度等級為C40；混凝土支撐間距8 m，截面寬0.8 m，高1.3 m，混凝土等級為C40，在地面±0 m、地面下-8 m、地面下-13 m分設3道；預應力鋼支撐間距4 m，為圓鋼管支撐，支撐所施加的預應力為800 kN。支護設計依據文獻[12]進行。

2 預應力鋼支撐的設計

地鐵車站基坑在經歷地震后，要求基坑圍護結構位移、基坑周邊土體位移仍在1級基坑所限要求之內。需探討，對于設有預應力鋼支撐的深基坑，現行規范設計是否合理。基于此，采用PLAXIS3D有限元軟件對該基坑開展地震時程響應的數值分析，研究在滿足靜力條件的標準下，在遭受地震荷載作用時，不同預應力等級時，基坑附近地表沉降、基坑圍護結構的變形和應力狀態，以說明預應力鋼支撐的設計方法的優劣。

2.1 模型的建立及邊界條件

1)模型建立。根據場地巖土體條件、基坑規模、支擋防護措施建立模型，模型邊界取為基坑開挖深度3倍，確定模型尺寸的長、寬、高分別為170、130、50 m。

支護結構按實際尺寸采用板單元進行模擬，并考慮與周圍巖土體的界面關系建立接觸面，分析一定受力條件下產生的錯點滑移、分開、閉合。

混凝土內支撐采用梁單元進行模擬、鋼支撐采用點對點錨桿單元進行模擬。所建立的模型如圖1所示。

圖1 計算模型

2)計算中模型邊界條件的處理遵循以下原則：底部邊界設定水平和豎直方向位移約束；側向邊界設定水平向位移約束；頂部邊界為自由邊界；樁板墻為不透水界面，開挖過程中基坑即已完成工程降水。

3)地震荷載。地震波采用汶川地震臥龍波，地震歷時0～10 s，地震最大峰值加速度為2 m/s2，如圖2所示。在模型底部以面位移方式x向水平輸入。不考慮水平和豎向地震波的耦合作用。

圖2 地震波曲線

4)計算過程。

場地地應力平衡→地下連續墻施工→地表第一層混凝土支撐施工，進行第一次開挖(-4 m)→預應力鋼支撐施工，施加預應力→第二次開挖(-8 m)→第二層混凝土支撐施工(-8 m)，進行第三次開挖(-13 m)→第三層混凝土支撐施工(-13 m)，進行第四次開挖(-18 m)→開挖完成后，施加地震荷載。巖土體計算本構模型采用HSS模型，結構本構模型采用彈塑性模型。參見文獻[13]。

2.2 現行規范設計計算結果分析

根據標準《建筑基坑工程監測技術標準》(GB50497—2019)[14]對基坑的評判，結果分析如下。

1)基坑周邊土體變形計算結果，基坑周邊土體水平、豎向位移云圖見圖3所示。從圖3中可見以下內容。

(1)基坑頂部的變形應最為明顯，向深部變形逐漸減小，由于地震是從模型底部的基礎中輸入的，故而基坑的周圍土體的底部的變形反應是可以很明顯地看出的。

(2)基坑周邊土體的水平位移在4 s以后的響應較為明顯，豎向變形則在8 s以后的響應較為明顯，且隨著時間的延長，變形的影響區逐漸擴展。

(3)地震作用后，基坑周邊土體水平位移最大值約為5 cm；基坑周邊土體豎向位移最大值約為3 cm。小于文獻[14]對于基坑位移預警要求。

(4)預應力鋼支撐施加800 kN預應力的設計可滿足抗震需求。

(a)地震后水平位移云圖

2)采用現行規范進行預應力鋼支撐設計，除了可以承受計算的靜載荷外，仍有一定的能力承受地震荷載作用，并維持基坑的穩定性。

2.3 預應力大小對基坑地震響應的影響

進一步分析鋼支撐的預應力大小的影響，考慮力為500、600、800 kN，其他條件不變。當鋼支撐施加的預應力小于設計預應力(800 kN)時，無論是基坑周邊土體的變形還是基坑圍護墻體的變形均呈現增大的趨勢，且隨著預應力施加等級的降低，變形是逐漸呈近似線性增大的(見圖4)，且在預應力600 kN時，其變形的標準已超過了規范[12]的相關要求，故而，可以認為，現行規范設計標準[12]在面對地震荷載時，優化空間有限，需嚴格按照既有規范進行基坑支護設計。

圖4 不同預應力基坑圍護墻變形曲線

3 結 論

本文以某站地鐵車站的基坑為例，研究預應力鋼支撐對基坑地震響應的影響，以探討現行規程設計方法中設計思路的可靠性。結論如下。

1)采用現行規范進行預應力鋼支撐設計，除了可以承受計算的靜載荷外，仍有一定的能力承受地震荷載作用，并維持基坑的穩定性。

2)基坑周邊土體的變形、地下連續墻體變形均隨著預應力施加等級的降低而呈現線性增大，變形的相關標準在低于預設預應力(800 kN)后即刻超限，需嚴格按照既有規范進行基坑支護抗震設計。

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