地鐵車站深基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設(shè)計研究

0 引言

深基坑支護是保證地下工程施工安全的關(guān)鍵技術(shù)，其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計參數(shù)直接影響工程質(zhì)量和施工安全。以往的支護設(shè)計往往依賴經(jīng)驗數(shù)據(jù)，缺乏系統(tǒng)的優(yōu)化分析，難以實現(xiàn)安全性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。

近年來，隨著城市地下工程的增加，深基坑工程規(guī)模不斷擴大，支護結(jié)構(gòu)面臨更加復雜的地質(zhì)條件和環(huán)境約束，基于經(jīng)驗的設(shè)計方法已難以滿足工程建設(shè)需求。為此，需要深入研究支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性機理，建立科學的優(yōu)化設(shè)計方法，以提高支護結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，保障施工安全，降低工程造價。

1工程概況

位于某市中央商務(wù)區(qū)核心地段的地鐵車站為矩形設(shè)置、東西向貫通。其深基坑總長度為 185m ，寬度為23.6m，開挖深度為18.5m，總建筑面積約為 12600m² 。

該地鐵車站施工區(qū)域地質(zhì)自上而下主要為：厚度為1.5＼～2.8m的素填土，厚度為 3.2～4.5m 的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，厚度為 5.6～7.2m 的粉細砂層，厚度為 8.5～10.2m 的中粗砂層和砂巖層，地下水位埋深 3.2m 。

該地鐵車站工程周邊環(huán)境復雜，北側(cè) 12m 處為一棟25層框架結(jié)構(gòu)辦公樓，南側(cè)8m為城市主干道，西側(cè)15m處有一條DN800給水管線，東側(cè)為在建地鐵區(qū)間隧道。因場地位于繁華的商圈，周邊建筑密集，對基坑變形控制要求嚴格，建筑物允許沉降值控制在 30mm 以內(nèi)，道路及管線變形控制在 20mm 以內(nèi)。

2深基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

2.1 支護方案設(shè)計

基于該地鐵車站工程地質(zhì)條件和周邊環(huán)境要求，其深基坑采用地下連續(xù)墻 + 內(nèi)支撐體系的支護方案。地下連續(xù)墻厚度為 ，深度為 35m ，采用C35防水混凝土、HRB400熱軋帶肋鋼筋。內(nèi)支撐體系采用四道鋼管支撐：第一道支撐采用2根 Φ609×16mm 鋼管，標高 -2.5m 。第二、三道支撐采用2根 Φ720×16mm 鋼管，標高分別為 -6.5m 和 -10.5m 。第四道支撐采用3根 Φ820×1 6mm鋼管，標高為 -14.5m 。支撐間距均為 4.0m ，縱向設(shè)置2根 Φ377×10mm 腹桿。

深基坑開挖采用臺階法，分為8個步驟進行，每次開挖深度控制在2.5m以內(nèi)。支撐預(yù)加軸力按理論軸力的 50% 設(shè)計，通過千斤頂施加[1]。深基坑頂部設(shè)置（24號 1.0m×1.2m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土冠梁，混凝土標號為C30。

支撐結(jié)構(gòu)軸力設(shè)計值的計算公式如下：

N=γf（k₀hγd+q）LS

式中： N 為支撐結(jié)構(gòu)軸力設(shè)計值， γf 為荷載分項系數(shù)， k₀ 為靜止土壓力系數(shù)， γ 為土體重度；h為計算深度，d 為影響寬度，為 q 地表荷載， L 為支撐跨度， s 為支撐間距。

2.2穩(wěn)定性計算

研究團隊采用彈塑性有限元法進行支護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗算。地下連續(xù)墻抗彎驗算采用結(jié)構(gòu)力學方法，將墻體簡化為豎向連續(xù)梁，支撐簡化為彈性支座。土體采用莫爾－庫侖本構(gòu)模型，通過現(xiàn)場原位測試和室內(nèi)試驗確定土體強度參數(shù)。深基坑整體穩(wěn)定性采用Bishop法進行驗算，最不利工況下的深基坑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35，滿足規(guī)范要求。

地下連續(xù)墻水平位移量通過曲線積分法計算，其計算公式如下：

式中： δ 為水平位移量， M 為彎矩，為 E 混凝土彈 性模量， I 為墻體截面慣性矩。計算結(jié)果表明，墻體最 大水平位移出現(xiàn)在開挖深度 13.2m 處，水平位移量計算 值為 38.6mm ，位移量在受控范圍之內(nèi)。

2.3數(shù)值模擬分析

研究團隊采用PLAXIS3D軟件建立三維有限元模型，模型尺寸長 210m ，寬 100m ，深 60m 。土體采用HardeningSoil本構(gòu)模型，能更好地模擬土體的應(yīng)力-應(yīng)變硬化特性。地下連續(xù)墻采用Plate單元，支撐采用節(jié)點到節(jié)點錨桿單元。網(wǎng)格劃分采用中等密度，關(guān)鍵部位局部加密。

模擬分析考慮到地下水的影響，采用疏水降水方案[2]。施工過程模擬分為：初始應(yīng)力場生成、地下連續(xù)墻施工、第一道支撐及開挖、第二道支撐及開挖等8個步驟。土體-結(jié)構(gòu)相互作用通過界面單元模擬，界面強度折減系數(shù)Rinter取值0.67。結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算采用Mohr一Coulomb準則：

3深基坑支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

3.1 確定優(yōu)化目標

研究團隊根據(jù)支護結(jié)構(gòu)初步設(shè)計方案的穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)合工程特點和環(huán)境要求，從安全性、環(huán)境影響和經(jīng)濟性3個維度確定優(yōu)化目標。在安全性方面，研究團隊針對前期分析發(fā)現(xiàn)的墻體水平位移接近控制標準和支撐軸力分布不均勻的問題，將墻體的最大變形控制值優(yōu)化到30mm以內(nèi)，支撐軸力利用率控制在 75% 以下，并要求相鄰支撐軸力差異不超過 15% 。在環(huán)境影響方面，研究團隊考慮到北側(cè)25層辦公樓和南側(cè)市政道路的安全，將地表最大沉降控制在 20mm 以內(nèi)，沉降槽影響范圍控制在開挖深度的1.5倍以內(nèi)，并對西側(cè)給水管線制定專門的變形控制措施。在經(jīng)濟性方面，通過優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，改進施工工藝，設(shè)定工程總造價較原方案降低 15% 以上的目標，同時計劃縮短工期15d。深基坑支護優(yōu)化目標如圖1所示。

安全性 環(huán)境影響 經(jīng)濟性·墻體水平位移 ·地表沉降 ·工程造價降低≤30mm ≤20mm ≥15% ·支撐軸力利用率 ·沉降影響范圍 ·工期縮短≤75% ≤開挖深度的 ≥15d·相鄰支撐軸力差 1.5倍≤15%

τ_t=c+σtanφ

式中： τ_f 為極限剪應(yīng)力， c 為粘聚力， σ 為法向應(yīng)力，φ 為內(nèi)摩擦角。模擬結(jié)果顯示支護結(jié)構(gòu)各項指標均在控制范圍內(nèi)。

2.4穩(wěn)定性評價

基于計算分析和數(shù)值模擬結(jié)果，對支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行綜合評價。墻體最大水平位移量為 38.6mm ，接近控制標準（ 40mm? ，變形曲線呈典型的鼓肚形。第四道支撐軸力達到 1856kN ，利用率為 85% ，高于其他支撐。地表最大沉降出現(xiàn)在距離深基坑邊緣6.5m處，沉降值為28.5mm ，沉降槽影響范圍約為開挖深度的2倍。

通過深基坑整體穩(wěn)定性驗算，最危險滑動面通過第三道支撐位置，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35。支護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，但局部存在優(yōu)化空間，主要表現(xiàn)在：支撐軸力分布不均勻，墻體變形接近控制值，地表沉降影響范圍較大[3]。

深基坑變形預(yù)測采用灰色預(yù)測模型，具體公式如下：

式中： X（1）（k+1） 為預(yù)測值， X（0） （1）為初始值，a為發(fā)展系數(shù)， b 為灰作用量。預(yù)測結(jié)果表明深基坑變形發(fā)展趨勢總體可控。

3.2制定優(yōu)化方案

3.2.1優(yōu)化地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)參數(shù)

針對地下連續(xù)墻原方案存在的變形量過大問題，研究團隊對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了系統(tǒng)優(yōu)化。將地下連續(xù)墻厚度由1m增加至 1.2m ，以提高抗彎剛度。將墻體入巖深度由原來的1m增加至 2m ，以提高嵌固效果。考慮到第四道支撐處應(yīng)力集中現(xiàn)象，將此處地下連續(xù)墻配筋率由原方案的 0.8% 提升至 1.2% ，主筋直徑由 28mm 加大到32mm ，間距由 200mm 調(diào)整為 150mm 。

將冠梁斷面尺寸優(yōu)化為 1.2m×1.5m ，以增大橫向剛度，從而滿足大直徑支撐管安裝要求[4]。為改善止水效果，將地下連續(xù)墻混凝土標號由C35提高到C40，將防水劑摻量增加至 1.2% 。地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，通過FLAC3D軟件驗證，地下連續(xù)墻最大水平位移從原方案的38.6mm降低到31.5mm，止水效果提升了 30% 。

3.2.2優(yōu)化支撐體系

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，需重點優(yōu)化支撐體系。將第一道支撐位置上調(diào)0.5m，標高由 -2.5m 調(diào)整至 -2m ，并將支撐斷面由2根 Φ609×16mm 調(diào)整為2根 Φ720× 16mm鋼管，以適應(yīng)上部土層較大側(cè)壓力。第二、三道支撐間距由原方案的 4m 優(yōu)化為 3.5m ，支撐規(guī)格維持2根Φ720×16mm 不變，但增設(shè)一道 Φ377×10mm 斜撐加強。第四道支撐處設(shè)置3根 Φ820×16mm 鋼管，間距從 4m 減小到 3.2m ，并在支撐端部設(shè)置 0.6m×0.8m 的分散力墩，以有效改善其應(yīng)力集中現(xiàn)象。

將縱向腹桿由原方案2根 Φ377×10mm 增加至3根，間距調(diào)整為 3m 。支撐體系根據(jù)土壓力分布規(guī)律優(yōu)化后，第一道支撐預(yù)加軸力為設(shè)計軸力的 60% ，二、三道為55% ，第四道為 50% ，實現(xiàn)了支撐軸力的均勻分布。支撐體系優(yōu)化示意如圖2所示。

3.2.3 優(yōu)化施工工序

針對原施工方案中存在的工序銜接不緊湊問題進行優(yōu)化。將基坑開挖由原來的8個步驟優(yōu)化為6個步驟，每步開挖深度仍控制在2.5m以內(nèi)，但采用交錯式開挖方式，將基坑縱向劃分為5個區(qū)段，相鄰區(qū)段高差控制在2.5m^[5] 。支撐安裝采用流水作業(yè)方式，配備3個施工班組，實現(xiàn)24h連續(xù)施工。

地下連續(xù)墻成槽采用兩臺成槽機同時作業(yè)，成槽段落長度由6m調(diào)整為 8m ，同時優(yōu)化泥漿配比，提高槽壁穩(wěn)定性。混凝土灌注改用2臺混凝土泵車同時作業(yè)，單幅墻體連續(xù)澆筑時間由8h縮短至 6h 。針對可能出現(xiàn)的突涌情況，在第一道支撐施工時增設(shè)臨時鋼管支撐，并優(yōu)化了降水方案，采用三級降水井，加快降水速度。

3.3優(yōu)化效果分析

3.3.1使支護結(jié)構(gòu)性能得到改善

通過優(yōu)化地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化支撐體系和優(yōu)化施工工序，支護結(jié)構(gòu)的整體性能得到顯著提升。優(yōu)化后的支護結(jié)構(gòu)位移得到有效控制，其中墻體最大水平位移由原方案的 38.6mm 降至 31.5mm ，降幅達18.4%。地表最大沉降從28.5mm減小到 20.8mm ，降幅為 27.0% 。支撐體系受力更加均勻，第四道支撐最大軸力從1856kN降至1628kN，降幅為 12.3% 。止水效果明顯改善，基坑涌水量減少 35% ，為確?；邮┕ぐ踩峁┯辛ΡＵ?。支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后性能對比如表1所示。

3.3.2縮短了施工工期

通過優(yōu)化施工方案，調(diào)整施工工序、優(yōu)化機械設(shè)備配置，縮短了施工工期。將開挖步序由8步優(yōu)化為6步，采用分段交錯開挖模式，各區(qū)段高差控制在2.5m內(nèi)。按照開挖深度將基坑分為5個區(qū)段交錯開挖，避免機械設(shè)備閑置。將施工班組由2個增加至3個，實現(xiàn)24h連續(xù)作業(yè)。增加成槽機至2臺，使地下連續(xù)墻施工效率提高28% 。采用專用吊裝設(shè)備，使支撐安裝速度提升 35% 。優(yōu)化運輸路線，使深基坑開挖效率增加 25% 。

施工總工期從180d縮短到165d。其中地下連續(xù)墻通過優(yōu)化泥漿制備和鋼筋籠預(yù)制，施工工期縮短了6d。支撐體系采用預(yù)制拼裝和機械化安裝，施工工期縮短了5d。深基坑采用大型機械設(shè)備開挖，施工工期縮短了4d。通過精細化管理，制定專項施工方案和應(yīng)急預(yù)案，提高了施工質(zhì)量，降低了施工風險。

4結(jié)論

基于深基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析和優(yōu)化設(shè)計研究，研究團隊得出如下主要結(jié)論：

采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護體系，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、支撐體系調(diào)整和施工工序改進，實現(xiàn)了支護結(jié)構(gòu)安全性、環(huán)境影響和經(jīng)濟性的綜合優(yōu)化。支護結(jié)構(gòu)性能方面，優(yōu)化后墻體最大水平位移由38.6mm降至31.5mm ，降低了 18.5% 。地表最大沉降由28.5mm減至20.8mm ，減少了 27.0% 。支撐軸力分布更加均勻，第四道支撐最大軸力由1856kN降至1628kN，降低了 12.3% 。工期方面，通過優(yōu)化施工工藝，實現(xiàn)工期壓縮15d。

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