軟土地區(qū)地鐵車站深基坑圍護結構剛度影響性分析

趙天光 邊步榮 朱軍

摘要：南京某地鐵車站深基坑采用“地連墻+內(nèi)支撐”的支撐體系，為了研究地連墻的剛度對于圍護結構側移和內(nèi)支撐受力的影響，以車站深基坑的標準段為研究載體，建立二維數(shù)值分析模型，對比分析并且總結圍護結構剛度變化引起地下連續(xù)墻側向位移，內(nèi)支撐彎矩變化規(guī)律。研究結果表明：圍護結構剛度增加后，地下連續(xù)墻水平側移最大值所在位置下移，圍護結構剛度提升對于減小圍護結構水平側移效果不顯著；混凝土支撐正彎矩值隨著圍護墻剛度的增大而減小，負彎矩值隨著圍護墻剛度增大而增大，設計時通過增加圍護墻剛度來控制混凝土支撐彎矩是不經(jīng)濟的。

關鍵詞：圍護結構剛度；地下墻側移；數(shù)值分析；內(nèi)支撐彎矩

0? ?引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷推進，交通擁堵問題成為限制城市發(fā)展的重要瓶頸之一，為了緩解這一問題，以地鐵為代表的城市公共交通因旅客運輸量大、準點率高和環(huán)境影響效應低等優(yōu)勢，在我國大中型城市得到了快速發(fā)展[1]。

地鐵車站通成修筑在城市中心區(qū)域或近郊，周邊環(huán)境復雜，各種構建筑物和道路交通給地鐵車站的修建帶來了諸多挑戰(zhàn)。地鐵車站規(guī)模大、結構復雜、工序繁瑣，也給地鐵車站修筑過程中的變形控制帶來了諸多困難[2]，尤其是軟土高壓縮性、強度低、承載力低的土體特性，更是給地鐵車站的施工帶來了很多困擾，因此在地鐵車站基坑開挖的過程中需要加強基坑的變形監(jiān)測與控制[3]。

為了給車站基坑提供強有力的安全保障，需要在基坑施工前，根據(jù)項目的工程地質(zhì)條件、支撐形式和施工工序，準確預測基坑的變形和受力形式。近年來眾多學者對基坑開挖引起的地表變形規(guī)律進行了研究，并取得了豐碩的成果。

路林海等[4]建立了考慮土與結構協(xié)同工作的三維數(shù)值模型，研究了支護結構與主體結構相結合設計方案下基坑的圍護樁側移、坑外地表土體沉降和坑底土體回彈規(guī)律，為類似工程的設計提供了理論支撐。慕煥東等[5]對基坑開挖過程中，支護結構側向位移變化規(guī)律開展3組小比尺模型試驗，探討基坑開挖后基坑支護樁身位移變化規(guī)律，對地鐵車站深基坑工程理論和施工具有重要指導意義。任建西等以西安黃土地區(qū)首個半幅鋪蓋法地鐵車站基坑為工程背景，對中立柱的變形機理及變形規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)坑底土體隆起影響最為顯著。采用鋼筋混凝土支撐加路面板組成的臨時路面系統(tǒng)和分八步實施的施工工序，可減小中立柱沉降值。

上述研究內(nèi)容為本文車站深基坑車站維護結構的分析提供了良好參考。但我國地域廣闊，各地區(qū)地質(zhì)條件差異大，本文以南京市某地鐵車站深基坑進行規(guī)律進行施工模擬，得到了不同工況下深基坑的變形規(guī)律。在模型中對地連墻剛度進行了多種情況對比，以分析圍護結構剛度對于圍護結構的側移和圍護結構內(nèi)力的影響，研究結果可為地連墻設計提供良好的理論基礎。

1? ?工程概況

南京某地鐵車站為地下二層標準車站，車站外包總長169m，標準段寬度19.7m，基坑開挖深度16.7～18.2m。開挖范圍內(nèi)土層主要是黏土和粉質(zhì)黏土。車站開挖施工采用半蓋挖法施工，共設置29根格構柱。主體圍護結構采用800mm地下連續(xù)墻，較基坑底部深28.46～30.05m。標準段及端頭井采用4道支撐加一道換撐，第一道采用800mm×1200mm混凝土支撐，標準段第二至四道采用Φ609、16mm厚鋼管撐，水平間距3m。

2? ?有限元模型分析

2.1? ?計算模型建立

對應于車站基坑實際開挖方法，取地鐵車站標準段作為分析對象，建立2D有限元分析模型如圖1所示。模型分析先施工地連墻和格構柱，然后依次進行基坑開挖。

為了模擬方便，將實際第一層土方開挖從冠梁底部改為從地面開始開挖，每一次開挖都隨挖隨撐。第一次開挖至1.6m，第二次開挖到6.58m，第三次開挖到10.3m，第四次開挖到12.5m，第五次開挖到基坑底。模型選取范圍與基坑的開挖深度，土層的性質(zhì)以及基坑的形狀有關[6-7]，一般情況下對模型豎向的取值范圍約在1～2倍的基坑開挖深度[8]。

基坑的開挖深度為16.9m。取模型的尺寸為56.5m×

90m×16.9m。對于模型進行如下假設：

土體和支護結構的材料為各向同性，土體的本構模型選用修正摩爾庫倫，混凝土和鋼結構設置為彈性模型[9]。

定義土體屬性為2D實體單元，地下連續(xù)墻及鋼筋混凝土水平支撐為1D梁單元，水平鋼支撐為1D桁架單元[10-11]。不考慮排水固結及地下水滲流的影響。

2.2? ?參數(shù)選取

現(xiàn)場的地質(zhì)情況較為復雜，現(xiàn)結合開挖現(xiàn)場地質(zhì)報告，將模型的土體進行合理簡化，得到土體物理力學參數(shù)如表1所示。

2.3? ?方案設計

設置3種不同的圍護墻剛度，來研究圍護墻剛度對基坑變形的影響。該基坑地連墻混凝土強度等級為C35，連續(xù)墻厚度為800mm，將剛度設置為EI，設置以下3種工況研究地連墻剛度對基坑變形的影響。

方案一：地連墻選用C35混凝土，厚度為800mm。剛度為EI；方案二：地連墻選用C30混凝土，厚度為650mm。剛度約為0.75EI；方案三：地連墻選用C35混凝土，厚度為1000mm。剛度為1.25EI。

3? ?結果分析

3.1? ?不同剛度下圍護墻側移分析

不同圍護結構剛度下圍護結構水平位移如圖2所示。在第五次開挖完成后，各個方案下地連墻水平側移最大值位于基坑開挖深度0.9～1.1倍之間。在原剛度EI條件下，地下連續(xù)墻最大水平偏移值為10.38mm。當?shù)叵逻B續(xù)墻剛度變成原來的0.75倍時，地下連續(xù)墻最大水平偏移值為12.2mm，與原剛度下結果相比增大了約10.53%。而當?shù)叵逻B續(xù)墻的剛度變成原來的1.25倍時，地下連續(xù)墻最大水平側移值為9.58mm，比原剛度結果小了7.7%。且隨著地連墻剛度的增加，地連墻最大水平側移值所在位置下移。

3.2? ?不同剛度下圍護結構內(nèi)力分析

圍護結構內(nèi)力在不同的圍護結構剛度下有著不同的分布狀況，通過上述3種圍護墻剛度下的數(shù)值分析模型，分析開挖完成后標準段某處圍護結構的內(nèi)力。各圍護墻剛度下混凝土支撐彎矩分布如圖3所示。

從圖3可以看出，混凝土支撐的正彎矩隨著圍護墻剛度的增大而減小，混凝土支撐負彎矩則隨著圍護強度增加而增大。但是3種圍護墻剛度下混凝土支撐正負彎矩最大值絕對值之和變化很小。可以近似的認為，混凝土支撐彎矩分布隨著圍護墻剛度的增大，彎矩曲線沿著彈性混凝土支撐單元截面上移。

當圍護墻剛度為0.75EI時，跨中彎矩為2441.42kN·m。原圍護墻剛度為EI時，跨中彎矩為2398.06kN·m。而當圍護墻剛度變?yōu)?.25EI時，跨中彎矩為2257.57kN·m。

4? ?結束語

為了研究地連墻的剛度對于圍護結構側移和內(nèi)支撐受力的影響，以車站深基坑的標準段為研究載體，建立二維數(shù)值分析模型，對比分析并且總結圍護結構剛度變化引起地下連續(xù)墻側向位移，內(nèi)支撐彎矩變化規(guī)律。得到研究結果如下：

1.25EI圍護結構剛度下的水平位移與原剛度EI下相比的減小了7.7%左右，即圍護結構剛度增大25%時，變化幅度很小。圍護結構剛度增加后，水平側移最大值所在位置會下移。由此說明，只增大圍護墻剛度來調(diào)整圍護結構的水平位移是不經(jīng)濟的。在實際施工中還應考慮其他影響因素，并結合工程實際情況注重調(diào)整整個支護體系的布置以達到控制基坑變形的目的。

混凝土支撐正彎矩值隨著圍護墻剛度的增大而減小，負彎矩值隨著圍護墻剛度增大而增大。EI下混凝土支撐跨中彎矩比0.75EI下的結果降低1.81%，1.25EI下混凝土支撐跨中彎矩比EI下的結果降低5.88%，圍護墻剛度的增加對減少混凝土支撐彎矩影響很小。設計時可通過增加圍護墻剛度，來控制混凝土支撐彎矩是不經(jīng)濟的。

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