耿東陽(yáng),趙 文,周永偉,李 藝

暗挖車站基坑在開挖過(guò)程中,穩(wěn)定性受多種因素共同制約,且各種因素之間又相互影響[1]。車站開挖在拱圈二襯已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,中隔板已經(jīng)形成且能起支撐作用的前提下,分步開挖下部土體過(guò)程中,隨開挖深度的增加圍護(hù)樁承受的彎矩必定不斷的變化,樁身的水平位移也會(huì)發(fā)生改變,這些都是極易導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞或整體失穩(wěn)的因素[2～6]。目前這方面的研究比較少[7],本文以沈陽(yáng)地鐵工程實(shí)例為背景,運(yùn)用 GTS軟件,通過(guò)數(shù)值模擬可以獲得圍護(hù)樁的彎矩、位移,從而較系統(tǒng)地分析出施工對(duì)導(dǎo)洞內(nèi)護(hù)樁的影響方式和影響水平,確定鋼支撐的間距和位置,為后續(xù)地鐵車站施工提供科學(xué)的依據(jù)[8]。

1 力學(xué)模型與參數(shù)

模型模擬的是在拱圈二次襯砌已經(jīng)完成,中板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求且已起支撐作用的情況下,開挖中板下部土體的施工過(guò)程,研究在不加鋼支撐與加鋼支撐情況下開挖土體過(guò)程中圍護(hù)樁所受的內(nèi)力和變形的對(duì)比。斷面選取了其中的 2個(gè)斷面:第一斷面為同仁堂藥店—女人世界斷面,跨度為 23.5 m,開挖深度為 10.15 m,分 4個(gè)施工段開挖,開挖深度分別為 2.5、2.7、2.2、2.75 m;第二斷面為商業(yè)城—0101流行館斷面,跨度為 19.7 m,開挖深度為 8.56 m,分 3個(gè)施工段開挖,開挖深度分別為 3.0、2.45、3.11 m。計(jì)算模型如圖 1,主要參數(shù)見表 1。

圖1 計(jì)算模型圖

表1 模型中物理參數(shù)取值表

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 第一斷面分析

第一斷面在開挖完成后,由模擬數(shù)據(jù)可知圍護(hù)樁的最大彎矩值發(fā)生在左側(cè)樁體為 1459.99 kN·m,大于設(shè)計(jì)彎矩,在開挖過(guò)程中應(yīng)該架設(shè)鋼支撐。分別取鋼支撐的間距為 1.5、2、2.5 m,模擬不同間距下鋼支撐承受的軸力,模擬得到的軸力分別為 -913.07、-1536.8和 -2279 kN,通過(guò)對(duì)比選擇合適的鋼支撐間距。

從鋼支撐所受的軸力圖分析可知:當(dāng)鋼支撐間距為 2.5 m時(shí),在開挖土體結(jié)束后,鋼支撐所受軸力為 2279.04 kN,大于設(shè)計(jì)能力 1395 kN,鋼支撐在開挖過(guò)程中會(huì)發(fā)生失穩(wěn),最終會(huì)導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂;當(dāng)鋼支撐的間距為 2 m時(shí),開挖完成后鋼支撐所受軸力為 1536.83 kN,略大于設(shè)計(jì)軸力,所以理論上應(yīng)該選擇鋼支撐的間距為 1.5 m?？紤]豎直面與水平面各構(gòu)件剛度的匹配問(wèn)題,加上上方建筑的荷載偏于安全的加載會(huì)使模擬的結(jié)果比實(shí)際值偏大,再考慮施工的便易性,實(shí)際工程中可以將鋼支撐的間距適當(dāng)放大到 2 m。

2.1.1 彎矩

將鋼支撐的間距設(shè)置為 2 m,模擬施工過(guò)程,得到開挖完成后圍護(hù)樁所受的彎矩,與不加鋼支撐時(shí)圍護(hù)樁所受的彎矩進(jìn)行比較。得出鋼支撐的間距為2 m和不加鋼支撐時(shí)左、右側(cè)樁體受到的彎矩曲線圖 (如圖 2所示)。圖 2(a)為左側(cè)樁體彎矩比較圖,圖 2(b)為右側(cè)樁體彎矩比較圖。

彎矩的符號(hào)代表其方向,正值代表開挖一側(cè),負(fù)值則是車站外側(cè)。最大正彎矩出現(xiàn)在拱腳處 (樁頂),右側(cè)樁體反之。最大彎矩值發(fā)生在第五施工階段,大小為 1459.99 kN·m,大于圍護(hù)樁的抗彎承載力M值,架設(shè)鋼支撐后,左側(cè)圍護(hù)樁所受最大彎矩處所受彎矩為 1053.67 kN·m,比不架設(shè)鋼支撐時(shí)減少 27.8%。右側(cè)圍護(hù)樁所受最大彎矩為863.014 kN·m,比不架設(shè)鋼支撐時(shí)減少近 31.7%。

圖2 加撐與不加撐彎矩比較圖

2.1.2 位移

將鋼支撐的間距設(shè)置為 2 m,模擬得到開挖完成后圍護(hù)樁的位移,與不加鋼支撐時(shí)圍護(hù)樁的位移進(jìn)行比較,得出鋼支撐的間距為 2 m和不加鋼支撐時(shí)左、右側(cè)樁體在開挖完成后位移曲線比較圖 (如圖 3所示)。圖 3(a)為左側(cè)樁體位移比較圖,圖 3(b)為右側(cè)樁體位移比較圖。

圖3 加撐與不加撐位移比較圖

從圖 3可見,當(dāng)基坑在開挖過(guò)程中無(wú)鋼支撐支護(hù)時(shí),第一斷面?zhèn)认蛭灰谱畲笾?16.339 mm,發(fā)生在左側(cè)樁身,為基坑開挖深度的 0.08%。第二斷面最大側(cè)向位移發(fā)生在右側(cè)樁身,大小為 22.29 mm,為基坑開挖深度的 0.13%,符合規(guī)范的建議最大值(0.3%～0.5%)。架設(shè)鋼支撐后,左側(cè)樁體最大偏移量比不架設(shè)鋼支撐的最大偏移量要減少 5.19 mm。右側(cè)樁體最大偏移量比不架設(shè)鋼支撐的最大偏移量要減少 6.18 mm。

2.2 第二斷面分析

從工程概況中可知第二斷面在開挖完成后右側(cè)圍護(hù)樁發(fā)生最大彎矩為 1446.21 kN,大于設(shè)計(jì)彎矩,開挖過(guò)程中必須架設(shè)鋼支撐。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,鋼支撐的預(yù)加軸力取設(shè)計(jì)軸力的 30%～50%,本工程中預(yù)加軸力取 500 kN。在模擬時(shí)分別取鋼支撐的間距為 3、4 m,得到開挖下部土體完成后所受軸力分別為 -710.78 kN和 -1151.13 kN。當(dāng)鋼支撐間距為 4 m時(shí),在開挖結(jié)束后,鋼支撐所受軸力達(dá)2503.59 kN,大于其設(shè)計(jì)承載力 1710 kN,即鋼支撐在開挖過(guò)程中會(huì)發(fā)生失穩(wěn),而鋼支撐間距取 3 m時(shí),開挖完成后,鋼支撐的內(nèi)力為 1547.19 kN,小于鋼支撐的極限承載力,所以在本斷面應(yīng)該控制鋼支撐的間距為 3 m。

2.2.1 彎矩

將鋼支撐的間距設(shè)置為 3 m,模擬得到開挖完成后圍護(hù)樁所受的彎矩,與不加鋼支撐時(shí)圍護(hù)樁所受的彎矩進(jìn)行比較,得出鋼支撐時(shí)左、右側(cè)樁體受到的彎矩曲線圖 (如圖 4所示)。圖 4(a)為左側(cè)樁體彎矩比較圖,圖 4(b)為右側(cè)樁體彎矩比較圖。

圖4 加撐與不加撐彎矩比較圖

從圖 4可見,架設(shè)鋼支撐后,左側(cè)圍護(hù)樁所受最大彎矩為 885.759 kN·m,比不架設(shè)鋼支撐時(shí)減少21.2%。右側(cè)圍護(hù)樁所受最大彎矩為 1093.7 kN·m,比不架設(shè)鋼支撐時(shí)減少 10.2%。由此可見彎矩在中隔板位置都發(fā)生突變。隨開挖深度的增加,最大彎矩值不斷變大,且該值發(fā)生在開挖結(jié)束后。

2.2.2 位移

將鋼支撐的間距設(shè)置為 3 m,模擬得到開挖完成后圍護(hù)樁的位移,與不加鋼支撐時(shí)圍護(hù)樁的位移進(jìn)行比較,得出鋼支撐的間距為 3 m和不加鋼支撐時(shí)左、右側(cè)樁體在開挖完成后曲線比較圖 (如圖 5所示)。圖 5(a)為左側(cè)樁體位移比較圖,圖 5(b)為右側(cè)樁體位移比較圖。

圖5 加撐與不加撐位移比較圖

由圖 5可見,架設(shè)鋼支撐后,左側(cè)樁體最大偏移量與不架設(shè)鋼支撐時(shí)的最大偏移量相比變化不大(有少量增加)。右側(cè)樁體最大偏移量比不架設(shè)鋼支撐的最大偏移量減小 2.25 mm。

3 結(jié)論

(1)在開挖過(guò)程中圍護(hù)樁受到的彎矩和側(cè)向位移隨開挖深度的增加而增加,在開挖完成后圍護(hù)樁的彎矩達(dá)到最大值,且該數(shù)值大于圍護(hù)樁本身的抗彎承載力,所以在開挖過(guò)程中必須及時(shí)架設(shè)鋼支撐。

(2)對(duì)第一斷面,宜按 2 m間距架設(shè)鋼支撐,加撐后左側(cè)圍護(hù)樁的最大彎矩減少 27.8%,側(cè)向偏移減少 31.7%;右側(cè)圍護(hù)樁最大彎矩減少 23.7%,側(cè)向偏移減少 51.5%。

(3)對(duì)第二斷面,宜按 3 m間距架設(shè)鋼支撐,與不加鋼支撐相比減少 21.2%,但側(cè)向位移變化不大;右側(cè)圍護(hù)樁側(cè)向位移與不加撐時(shí)相比減少10.2%,最大樁身彎矩減小 24.3%。鋼支撐作用較明顯。

[1] 趙文,李慎剛,徐巖.地鐵基坑施工穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)分析[J].巖石力學(xué),2007,10(S1):643-646.

[2] 李慎剛,趙文,杜嘉鴻.微硅粉應(yīng)用于砂性地層注漿工程的可行性分析[J].探礦工程 (巖上鉆掘工程),2009,36(2):21-23.

[3] 徐巖,趙文,李慎剛.地鐵建設(shè)中的環(huán)境巖土工程問(wèn)題分析[J].工程勘察,2007,(7):11-13.

[4] 孫海霞,趙文,趙文贊.地鐵車站施工方案模糊決策研究[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(5):438-441.

[5] Richard.J.Finno,Michele Alvello.Analysis and Performance of the Excavation for the Chicago-State Subway Renovation Project and its Effects on Adjacent Structures[D].Northwestern University,2002.

[6] Wolfgang Krajewski.Ability and limits of numerical methods for the design of deep construction pits[J].Computers and Geotechnics,2001:425-444.

[7] R.Kerry.Rowe,Graeme.D.kinner.Numerical analysis of geosynthetic reinforced retaining wall constructed on a layered soil foundation[J].Geotextiles and Geomembranes,2001,19:387-412.

[8] Ou CY,Chiou DC,Wu TS.Three dimensional finite element analysis of deep excavation[J].Journal of geotechnical engineering,ASCE,122(5):337-345.

[9] D.K.H,Smith. I.M.Analysis of Construction Processes in Braced excavations[J].Proceedings of the International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering,1991,(1):213-217.