地鐵車站預(yù)制方樁-墻疊合支護結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律研究*

榮文強，王國富，路林海，劉逸輝，孫捷城

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟南 250101；2.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250101；3.濟南交通發(fā)展投資有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

目前我國大部分深基坑仍采用臨時圍護結(jié)構(gòu)進行支護，在地下主體結(jié)構(gòu)施工完成后被遺棄在地下，造成資源嚴重浪費，為后續(xù)工程留下嚴重隱患。

基坑圍護結(jié)構(gòu)與地下主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的施工工藝具有對周圍環(huán)境影響小、節(jié)約資源等優(yōu)勢，可促進基坑支護工程踐行減碳、綠色、可持續(xù)化發(fā)展新理念。目前國內(nèi)外學(xué)者對永臨結(jié)合支護形式開展了相關(guān)研究。路林海等建立考慮土與結(jié)構(gòu)共同作用的三維數(shù)值模型，分析支護與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合基坑變形規(guī)律；胡耘等采用三維“m”法，建立排樁與地下室外墻通過傳力板水平向相結(jié)合的樁墻合一數(shù)值模型，分析樁墻合一結(jié)構(gòu)體系施工全過程受力規(guī)律；李連祥等采用Plaxis-3D有限元軟件建立圍護樁與地下主體通過傳力構(gòu)件相連的三維樁錨支護基坑模型，分析該結(jié)構(gòu)體系施工全工況受力特性。現(xiàn)階段永臨結(jié)合支護結(jié)構(gòu)體系集中于“兩墻合一”和“樁墻合一”形式，其中“樁墻合一”結(jié)構(gòu)形式中樁和墻之間無直接接觸，通過設(shè)置水平傳力構(gòu)件進行連接，而本文研究的樁-墻疊合支護結(jié)構(gòu)形式中預(yù)制圍護樁通過預(yù)埋件與主體側(cè)墻受力鋼筋連接，形成支護樁與主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻相互緊貼式疊合，為永臨結(jié)合支護體系提供一種簡單可行的連接方式。

本文以濟南地鐵圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相疊合的方特站為工程背景，建立三維基坑流固耦合模型，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與模型參數(shù)標(biāo)定，分析預(yù)制方樁與車站側(cè)墻疊合結(jié)構(gòu)施工全過程受力機理，研究基坑地表沉降、樁體水平位移、內(nèi)力及土壓力分布規(guī)律，以期為該地區(qū)永臨結(jié)合施工工藝提供借鑒。

1 工程概況

濟南地鐵方特站所處場地為黃河、小清河沖洪積平原地貌，地層主要以黃土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土及卵石為主，局部含砂層，地下水豐富，分別為第四系松散層孔隙潛水、承壓水，擬建場地歷史最高水位接近自然地面。方特站為地下2層島式車站，基坑安全等級為一級，主體結(jié)構(gòu)埋深16.8m，寬19.7m，頂板覆土厚度約3m。

基坑支護結(jié)構(gòu)采用預(yù)制方樁+內(nèi)支撐形式，沿豎向設(shè)置第1道混凝土支撐(1.3m×1.1m，水平間距8.5m)，2道鋼支撐和1道鋼換撐，鋼支撐采用φ609×16鋼管，水平間距3m。預(yù)制方樁尺寸為0.7m×0.7m，長24m，間距1.5m，立柱樁長26m，尺寸為0.4m×0.4m，間距8.5m，樁間設(shè)置直徑1 100mm單軸旋噴樁起止水作用，樁頂設(shè)置1道冠梁，尺寸為1.3m×1.1m(高×寬)?；又ёo結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示，土層物理參數(shù)如表1所示。

表1 土層主要物理參數(shù)Table 1 Main physical parameters of soil layer

圖1 支護結(jié)構(gòu)剖面Fig.1 Profile of supporting structure

2 樁-墻疊合施工工藝

傳統(tǒng)觀點視基坑圍護結(jié)構(gòu)僅在基坑開挖階段抵擋側(cè)向水土壓力，地下主體結(jié)構(gòu)施作后不考慮圍護樁殘余強度，導(dǎo)致資源嚴重浪費。若將圍護結(jié)構(gòu)與永久結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)“樁墻疊合”共同承擔(dān)正常使用階段側(cè)向水土壓力，有利于基坑工程踐行低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展新理念。

本文研究的地鐵車站深基坑采用圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新工藝，使用長螺旋鉆機成孔，成孔后注入水泥漿進行護孔，再利用植樁機將預(yù)制方樁和芯柱(立柱)送入地面以下3m，然后在基坑外側(cè)緊鄰的兩預(yù)制方樁之間施工單軸旋噴樁起止水作用，預(yù)制方樁和止水帷幕施工完成后再進行基坑內(nèi)側(cè)土體開挖。新型施工工藝有以下特點：①第1道混凝土支撐與車站結(jié)構(gòu)頂板相疊合，混凝土支撐兩側(cè)和上表面預(yù)留鋼筋接頭，方便與頂板鋼筋綁扎連接，然后在混凝土支撐上表面現(xiàn)澆1層混凝土形成車站永久結(jié)構(gòu)頂板，現(xiàn)場施工如圖2所示；②預(yù)制立柱在基坑開挖階段取代鋼格構(gòu)柱支撐第1道內(nèi)支撐和頂縱梁，在主體結(jié)構(gòu)施工階段對預(yù)制立柱側(cè)表面進行鑿毛，綁扎立柱側(cè)表面預(yù)留鋼筋與豎向加強鋼筋，然后在立柱側(cè)面現(xiàn)澆1層混凝土形成永久結(jié)構(gòu)柱，現(xiàn)場施工如圖3所示；③預(yù)制圍護方樁在側(cè)面預(yù)埋鋼筋套筒，通過水平連接鋼筋與主體側(cè)墻受力鋼筋綁扎連接，然后支模板澆筑側(cè)墻混凝土，將樁-墻疊合共同承受側(cè)向水平力；在正常使用階段，預(yù)制圍護樁能夠主動發(fā)揮抗浮作用，如圖4所示。

圖2 頂板疊合施工Fig.2 Roof superposition construction

圖3 立柱施工Fig.3 Column construction

圖4 樁-墻連接Fig.4 Pile wall connection

3 三維有限元數(shù)值模擬

3.1 模型建立

目前“樁墻合一”結(jié)構(gòu)形式根據(jù)受力規(guī)律，可分基坑施工階段和主體正常使用階段?；邮┕るA段圍護結(jié)構(gòu)抵擋側(cè)向荷載，正常使用階段樁和墻共同承受水土壓力?；邮┕るA段圍護結(jié)構(gòu)受力清晰，然而在正常使用階段樁、墻所受荷載尚不明確，目前設(shè)計時采用荷載形式為：樁考慮止水帷幕有效，靜止土壓力和水壓力作用在圍護樁上；墻考慮止水帷幕失效，水壓力全部作用在墻上，土壓力按照樁墻抗彎剛度分配，可見此方法荷載取值過于保守。

鑒于樁-墻疊合支護結(jié)構(gòu)形式受力復(fù)雜，因此建立含有預(yù)制圍護樁、地下主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻、止水帷幕等三維實體模型，由于實際工程地下水豐富，采取坑內(nèi)管井降水，為更真實地還原施工工況，建立三維基坑流固耦合模型，模擬基坑施工全過程，研究支護結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律。

基坑模型如圖5所示。基坑開挖寬度19.7m，深度16.8m，根據(jù)圣維南原理，深基坑邊緣距離模型邊界取3～5倍基坑開挖深度，模型深度取2～3倍開挖深度，則模型尺寸取160m×50m，可忽略模型尺寸效應(yīng)的影響。模型采用截斷邊界的方法沿基坑長度方向取車站標(biāo)準(zhǔn)段11m進行分析。為方便建模分析，按照等效剛度原則將圍護樁、止水帷幕等效成實體板單元，厚度分別取0.543m和1m；采取新工藝使得側(cè)墻厚度由原先0.8m減小為0.5m。土體采用修正莫爾-庫侖硬化土本構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)和地下主體結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)，內(nèi)支撐和立柱采用beam單元，樓板采用shell單元模擬，頂、底板厚度取0.9m，中板厚度取0.5m。圍護樁與主體側(cè)墻接觸部分通過共用節(jié)點耦合方式實現(xiàn)牢固連接。材料參數(shù)如表2所示，數(shù)值模型中結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 數(shù)值模型Fig.5 Numerical model

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 2 Parameters of structural materials

圖6 數(shù)值模型中結(jié)構(gòu)Fig.6 Structural diagram of numerical model

3.2 施工工序

為準(zhǔn)確模擬基坑施工全過程，考慮基坑開挖降水影響，先建立幾何實體再進行網(wǎng)格劃分，賦予土層、圍護結(jié)構(gòu)、地下水參數(shù)等,再進行分層降水、分步開挖施工，具體過程如表3所示。

3.3 數(shù)值模型驗證

由于地鐵車站往往位于城市中心地帶，基坑變形控制要求嚴格，需對支護結(jié)構(gòu)和基坑周邊土層進行實時位移監(jiān)測，本項目對車站施工全過程中樁體水平位移開展現(xiàn)場實測，提取現(xiàn)場樁水平位移實測值與模擬值進行對比，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知隨著基坑開挖深度的增大，樁身水平位移逐漸增大，且樁身最大變形位置呈下移趨勢，模擬值和實測值變化規(guī)律一致，吻合度較好，同一工況下均表現(xiàn)為實測值大于模擬值，可能是由于數(shù)值模擬的理想化，假設(shè)每層土體均勻分布與實際地層分布情況不完全相符導(dǎo)致的。綜合分析模型可以正確反映支護結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律，可以進一步分析樁-墻疊合支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。

圖7 樁水平位移對比Fig.7 Comparison of horizontal displacement of pile

4 流固耦合作用下樁-墻疊合支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律

4.1 地表沉降變化規(guī)律

為揭示坑外地表沉降規(guī)律，通過基坑降水至-17.800m地下水合成流速矢量圖(見圖8)，管井降水形成基坑內(nèi)外水頭差，基坑外側(cè)地下水經(jīng)止水帷幕底端流入坑內(nèi)，出現(xiàn)明顯繞流現(xiàn)象，帷幕底端所處土層地下水流速最大，且主要為水平向滲流，模型邊界處地下水流速幾乎為0，在止水帷幕底端流速明顯集中，表明水頭急劇減小，能夠有效發(fā)揮截水作用，與何紹衡等研究規(guī)律一致；同時，基坑降水將引起基坑地表土體沉降，基坑外地表沉降變化曲線如圖9所示，隨著基坑開挖和降水同時進行，誘使地表沉降呈“斜漏斗”分布，隨著基坑開挖和降水深度的增大，坑外地表沉降影響區(qū)域逐漸擴大，地表最大沉降點出現(xiàn)在0.5～0.6h處(h為基坑設(shè)計深度)，與邱明明等揭示規(guī)律類似；隨著沿基坑邊緣距離的增大，地表沉降值先增大再逐漸減小，地表不均勻沉降主要出現(xiàn)在3～4倍基坑開挖深度范圍內(nèi)，表明地表沉降是由降水引起土體中孔隙水壓力消散，使土體有效應(yīng)力增加，且圍護樁隨開挖深度加大不斷向坑內(nèi)產(chǎn)生水平位移，二者共同作用引起地表不均勻沉降。因此在現(xiàn)場監(jiān)測時應(yīng)在主要影響區(qū)重點監(jiān)測，次要影響區(qū)監(jiān)測點布置稀疏，進行實時數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測，防止出現(xiàn)安全事故。

圖8 地下水流速合成Fig.8 Composite diagram of groundwater velocity

圖9 地表沉降曲線Fig.9 Surface settlement curve

4.2 樁體水平位移及內(nèi)力變化規(guī)律

隨著基坑分層降水、分步開挖，土中孔隙水壓力逐漸消散，使土體有效應(yīng)力增大，基坑周圍土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致水-土-結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜；基坑施工全過程圍護樁水平位移動態(tài)變化曲線如圖10所示，樁體水平位移最大值與基坑開挖深度呈正比，曲線呈兩端小中間大的“紡錘形”分布，水平位移最大值出現(xiàn)在開挖面以上約1m處，基坑開挖至設(shè)計深度后，在施工主體結(jié)構(gòu)階段，由于換撐、拆撐使基坑外部荷載重分布至新平衡點，誘使樁體水平位移增大且最大變形位置呈上移趨勢，回填車站頂板覆土使頂、底板之間樁體水平位移增大約1.3mm，占基坑開挖階段產(chǎn)生的水平位移的7.2%?？梢姡影踩鹿室壮霈F(xiàn)在開挖階段。

圖10 樁體水平位移曲線Fig.10 Horizontal displacement curve of pile

基坑開挖屬于卸荷過程，坑內(nèi)土體卸載誘使圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移的同時，樁體內(nèi)力也會發(fā)生變化，基坑開挖階段樁體彎矩變化曲線如圖11所示，開挖初期彎矩大致呈線形分布，隨著開挖深度增大和支撐約束作用增強，圍護樁彎矩變化規(guī)律類似多跨連續(xù)梁，在跨中產(chǎn)生正彎矩，支撐點處產(chǎn)生負彎矩，在第2,3道鋼支撐處彎矩逐漸增大；隨著基坑開挖，圍護樁嵌入深度逐漸減小，開挖至-16.800m時樁體彎矩在開挖面以上約1m處急劇增大，與樁體最大水平位移位置相吻合，ΔM為基坑開挖至-15.000m時最大正彎矩的75%，可見，開挖最后一層土體支護結(jié)構(gòu)易發(fā)生失穩(wěn)破壞，建議基坑分段放坡開挖，及時分段澆筑底板。主體施工階段圍護樁彎矩變化曲線如圖12所示，在施工中板之前需進行澆筑底板和換撐，換撐后使第3道內(nèi)支撐處由負彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檎龔澗?，?道鋼支撐處彎矩值變?yōu)閾Q撐前的1.5倍，因此施工中板時不宜將多個第3道內(nèi)支撐同時換撐，應(yīng)分批次施工；由于先拆第2,4道鋼支撐后再施工頂板，樁身約束作用減少，拆撐后中板與底板之間樁體正彎矩增大15%，可見支護樁在拆、換撐工況下處于最不利狀態(tài)，設(shè)計支護樁時需考慮最不利工況下最不利位置進行永久化設(shè)計；主體施工完成后進行覆土回填，本車站第1道混凝土支撐兩端通過冠梁與圍護樁頂部澆筑在一起并兼做頂板的一部分，因此頂板覆土回填使得樁頂負彎矩增大。

圖11 基坑開挖階段樁彎矩Fig.11 Pile bending moment during foundation excavation

圖12 主體施工階段樁彎矩Fig.12 Pile bending moment in main construction stage

正常使用階段止水帷幕泥化，圍護樁和主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻受力復(fù)雜，正常使用階段圍護樁、主體側(cè)墻彎矩對比如圖13所示，由圖3可知在樁長3～9m，樁和墻彎矩相差不大，而在9～16.8m，樁和墻荷載分擔(dān)比約為3∶1，表明支護樁在正常使用階段仍具有較強的承載能力，因此支護樁永久化設(shè)計有利于減小主體側(cè)墻厚度，降低工程造價。

圖13 正常使用階段樁-墻彎矩Fig.13 Bending moment of pile-wall in normal use stage

4.3 土壓力分布規(guī)律

深基坑支護結(jié)構(gòu)主要作用為抵抗周圍土體變形和承受側(cè)向水平荷載，土壓力是主要荷載之一，設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)時常采用理論土壓力作為外荷載，理論土壓力是按照擋土結(jié)構(gòu)達到極限位移時施加在擋土墻上的壓力值進行計算，而現(xiàn)場施工中圍護樁的水平位移為變量，樁后土壓力隨著圍護樁水平位移、內(nèi)支撐狀態(tài)而變化，因此土壓力是呈動態(tài)分布的?；娱_挖階段主動區(qū)土壓力分布曲線如圖14所示，在未開挖時土壓力呈三角形分布，隨著基坑開挖卸載，圍護樁承受基坑內(nèi)外土壓力差增大，主動區(qū)土壓力逐漸減小，開挖至-16.800m時，由于3道內(nèi)支撐約束作用增強，誘使樁體長度3～12m主動區(qū)土壓力增大，嵌固深度12～27m主動區(qū)土壓力減小。綜合分析可知，土壓力分布由三角形轉(zhuǎn)化為“R”形，土壓力分布規(guī)律與圍護樁水平位移、支撐狀態(tài)及土體參數(shù)指標(biāo)密不可分。

圖14 基坑開挖階段土壓力分布Fig.14 Earth pressure distribution during foundation excavation

基坑開挖至設(shè)計深度后，然后進行工況11～14施工，施工主體階段圍護樁主動區(qū)土壓力變化曲線如圖15,16所示。由圖15可知，底板施工完成后進行換撐、施工中板，此階段基坑外部側(cè)向水土壓力重分布，誘使第2道鋼支撐和底板支撐處土壓力變大，第3道鋼支撐與底板之間土壓力急劇減小。由圖16可知，頂板施工完畢后，進行覆土回填，第1道混凝土支撐通過冠梁與樁頂整澆在一起且兼作部分頂板，覆土荷載使得第1道混凝土內(nèi)支撐與圍護樁樁頂相交的固定端發(fā)生轉(zhuǎn)動，向坑外擠壓土體，誘使樁頂土壓力增大；長期使用階段，止水帷幕泥化，且地下水位恢復(fù)自然水位，使中板以下樁體承擔(dān)的側(cè)向壓力增大。

圖15 主體施工階段土壓力分布Fig.15 Earth pressure distribution in main construction stage

圖16 主體施工階段土壓力分布Fig.16 Earth pressure distribution in main construction stage

為分析正常使用階段樁-墻疊合結(jié)構(gòu)土壓力承擔(dān)情況，提取支護樁和主體側(cè)墻側(cè)向水平應(yīng)力值，如圖17所示，胡耘等指出地下主體結(jié)構(gòu)施工完成后，止水帷幕失效后，地下水直接作用在側(cè)墻上，土壓力仍然作用在圍護樁上，部分傳遞給地下室外墻；本文研究樁-墻疊合形式屬于緊貼型，樁和墻之間無傳力介質(zhì)，則在車站層間樁和墻水平應(yīng)力值呈“C”形分布，樁和墻承擔(dān)的水平應(yīng)力差值不顯著，表明可以共同受力；由于樓板水平剛度無限大，側(cè)墻與樓板兩端直接接觸，在樓板支撐處樁和墻承擔(dān)的水平應(yīng)力差值顯著，在頂板處樁-墻應(yīng)力比為1∶5，中、底板支撐處樁-墻應(yīng)力比為1∶2。

圖17 正常使用階段樁-墻水平應(yīng)力Fig.17 Horizontal stress of pile wall in normal service stage

5 結(jié)語

1)基坑開挖過程，地下水位降低，誘使基坑外部土體有效應(yīng)力增大，樁體水平位移增大，坑外地表沉降曲線呈“斜漏斗”形狀分布，隨著分步開挖、分層降水進行，坑外沉降范圍逐漸擴大，地下水在止水帷幕底端形成明顯繞流路徑，帷幕底端土層中地下水流速最大，且主要為水平向滲流；地表最大沉降值出現(xiàn)在距離基坑邊緣0.5h～0.6h處，地表沉降主要影響區(qū)域為3～4倍基坑開挖深度。

2) 圍護樁水平位移呈兩端小中間大的“紡錘形”變化，隨著基坑開挖深度增大，樁體水平位移逐漸變大，各工況下最大水平位移值出現(xiàn)在開挖面以上1m處，開挖至設(shè)計深度時，樁體最大水平位移值為18.1mm；主體結(jié)構(gòu)施工階段樁體最大水平位移位置呈上移趨勢，且水平位移增量占基坑開挖階段產(chǎn)生的水平位移的7.2%；樁彎矩隨著基坑內(nèi)外土壓力差增大而增大，反彎點逐漸下移，在正常使用階段樁-墻荷載分擔(dān)比為3∶1。

3) 樁外土壓力呈動態(tài)分布，隨基坑的分步開挖，土壓力分布由三角形轉(zhuǎn)化為“R”形，土壓力分布規(guī)律與樁身水平位移、支撐狀態(tài)具有相關(guān)性；正常使用階段，車站層間水平應(yīng)力呈“C”形分布，頂板支撐處樁-墻應(yīng)力比為1∶5，中板與底板支撐處樁-墻應(yīng)力比為1∶2。