[摘要]結(jié)合武漢地鐵3號(hào)線某換乘車站基坑，采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法分析坑中坑偏壓基坑的變形機(jī)理，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)，提出改善坑中坑受力措施及支撐體系設(shè)計(jì)方法。結(jié)果表明：不對(duì)稱坑中坑在開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)體系的變形與常規(guī)對(duì)稱基坑不同，受內(nèi)坑開(kāi)挖影響，基坑左右側(cè)圍護(hù)樁的變形不對(duì)稱，總體而言樁體上部水平位移向外坑側(cè)偏移；內(nèi)、外坑之間未開(kāi)挖土體應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中應(yīng)重視該區(qū)域，通過(guò)調(diào)整施工工序，先施做外掛底板再進(jìn)行內(nèi)坑開(kāi)挖能有效改善基坑變形；在偏壓作用下，基坑支撐設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)支撐體系進(jìn)行整體平面計(jì)算，分析支撐的受力及變形，應(yīng)對(duì)支撐水平向鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)。

[關(guān)鍵詞]地鐵換乘站；偏壓基坑；變形；數(shù)值分析

1、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)城市化進(jìn)程越來(lái)越快，但隨之而來(lái)的交通擁堵問(wèn)題已經(jīng)成為了許多城市在發(fā)展過(guò)程中面臨的難題。城市軌道交通具有快速、大運(yùn)量、方便、準(zhǔn)時(shí)、舒適、節(jié)能等特點(diǎn)，在解決交通擁堵問(wèn)題上有著其它交通工具不可代替的作用，隨著地鐵線路的日益增多，線網(wǎng)之間的換乘站也日益增多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜。換乘節(jié)點(diǎn)基坑一般存在形狀不規(guī)則、深淺坑等特點(diǎn)，給基坑支護(hù)設(shè)計(jì)帶來(lái)新的難題。

目前，已有學(xué)者對(duì)坑中坑的受力及變形特點(diǎn)做了研究。申明亮等分析了內(nèi)坑影響的基坑被動(dòng)土壓力疊加算法并對(duì)基坑應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了參數(shù)化分析；田亞光結(jié)合工程實(shí)踐，提出了坑中坑基坑工程在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意的問(wèn)題；唐文鵬結(jié)合實(shí)例給出了偏壓基坑設(shè)計(jì)的基本思路和具體的計(jì)算過(guò)程，并通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果提出偏壓基坑需要注意的事項(xiàng)。盡管坑中坑已逐漸引起工程設(shè)計(jì)人員的重視，并開(kāi)展了相關(guān)研究，取得了有益的成果，但當(dāng)前的主要研究?jī)?nèi)容集中在基于對(duì)稱基坑的開(kāi)挖，而基于整體考慮的非對(duì)稱坑中坑的開(kāi)挖對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性分析較少，特別是針對(duì)偏壓基坑的受力及變形特點(diǎn)尚未提出較好的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及改善措施，現(xiàn)有研究成果難以運(yùn)用于實(shí)際工程。

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)坑中坑偏壓基坑進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析偏壓基坑在開(kāi)挖過(guò)程中的受力及變形特點(diǎn)，指出偏壓基坑設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)，為以后換乘車站偏壓基坑的設(shè)計(jì)提供參考。

2、坑中坑偏壓基坑變形機(jī)理分析

基坑工程的特殊性在于開(kāi)挖卸荷，對(duì)于坑中坑，基坑開(kāi)挖一般分為2個(gè)階段，第一階段挖除外坑（5區(qū)）的全部土體，第二階段挖除內(nèi)坑（6區(qū)）的土體。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，不同部位的土體在卸荷時(shí)的應(yīng)力路徑是不一樣的，詳見(jiàn)附圖1所示。

1、4區(qū)（側(cè)向卸荷）：在基坑開(kāi)挖前，這一區(qū)土體豎直方向的自重應(yīng)力是大主應(yīng)力a1，水平方向的靜止土壓力是小主應(yīng)力a3，隨著基坑的開(kāi)挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)移，基坑壁的水平位移不斷增大，土體側(cè)應(yīng)力減小，豎向應(yīng)力變化幅度很小，可認(rèn)為其保持不變。水平向應(yīng)力介于靜止土壓力和主動(dòng)土壓力之間；

2區(qū)（軸向卸荷）：坑底土體由于上部土體被挖除，上覆土壓力減小，土體發(fā)生軸向卸荷。

3區(qū)（過(guò)渡區(qū)域）：該區(qū)域的土體既有側(cè)向卸荷也有軸向卸荷，屬于卸荷過(guò)渡區(qū)，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，土體水平向和豎向應(yīng)力都改變，主應(yīng)力的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜。

3、工程概況

武漢市軌道交通3號(hào)線某換乘站位于東風(fēng)大道與車城北路交匯處，為3、6號(hào)線換乘站，換乘方式為T形換乘，3號(hào)線為地下三層站，6號(hào)線為地下兩層站，換乘節(jié)點(diǎn)與外掛風(fēng)亭合建。車站長(zhǎng)約187m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1m，換乘節(jié)點(diǎn)段基坑外包寬度約46.7m，主體結(jié)構(gòu)基坑深度約24.6m，換乘節(jié)點(diǎn)外掛段基坑深度約18.2m。換乘節(jié)點(diǎn)與主體結(jié)構(gòu)一同開(kāi)挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1200@1500鉆孔灌注樁+五道內(nèi)支撐體系，其中1-4道為鋼筋砼支撐，第5道為鋼支撐。換乘節(jié)點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型橫斷面如圖2所示。

根據(jù)地勘報(bào)告，本站場(chǎng)區(qū)地層從上到下主要為1-2素填土、10-3粉質(zhì)粘土、侶黏土、15a-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、15a-2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、15a-a泥質(zhì)粗砂巖。

4、有限元計(jì)算模型

本次研究采用有限元計(jì)算軟件Plaxis 2D進(jìn)行計(jì)算分析。3層段基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬23.4m，深24.6m，外掛段基坑寬46.7m，深18.2m，計(jì)算模型長(zhǎng)110m，高55m。基坑的位移邊界為：模型頂部為自由邊界；模型的左、右邊界采取法向約束；模型的下邊界為固定約束。地面超載取20kPa，作用寬度為10m。土體采用硬化土模型（HS）模擬，支護(hù)樁用板單元來(lái)模擬，支撐用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿來(lái)模擬，計(jì)算參數(shù)按表1～表3取值。計(jì)算模型如圖3所示。

5、計(jì)算結(jié)果

基坑開(kāi)挖過(guò)程就是土體卸荷的過(guò)程，對(duì)于普通基坑，由于土體卸荷，支護(hù)樁向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)；對(duì)于坑中坑引起的偏壓基坑，由于受內(nèi)坑開(kāi)挖的影響，支護(hù)樁的受力及變形與常規(guī)的基坑不同，現(xiàn)結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)坑中坑支護(hù)樁的水平位移進(jìn)行分析。支護(hù)樁的水平位移如圖4所示。

（1）對(duì)于左側(cè)支護(hù)樁，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，樁體水平位移呈“鼓肚狀”，且隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，最大水平位移值不斷加大，最大位移的位置也不斷下移，且由于開(kāi)挖3區(qū)土體既有側(cè)向卸荷，也有軸向卸荷，內(nèi)坑開(kāi)挖過(guò)程中，樁體位移變化較大，最大位移值由17.6mm增大到25.3mm，最大位移的位置變化較小，稍有下移。

（2）對(duì)于右側(cè)支護(hù)樁，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，樁體的水平位移不斷加大，但變化趨勢(shì)與左側(cè)樁差別較大。當(dāng)基坑開(kāi)挖較淺時(shí)（圖中施做第二道支撐工況），兩側(cè)支護(hù)樁嵌固深度均較長(zhǎng)，左右兩側(cè)樁體的變形基本一致；隨著基坑開(kāi)挖深度的加大，左右兩側(cè)樁體由于不對(duì)稱受力，左側(cè)樁體持續(xù)向坑內(nèi)變形，右側(cè)樁體受上部支撐傳力影響，樁身上部和下部發(fā)生反向傾斜，上部向坑外變形，下部向坑內(nèi)變形。

（3）對(duì)于中間支護(hù)樁，前期上部基坑開(kāi)挖對(duì)樁體位移基本無(wú)影響，隨著內(nèi)坑的開(kāi)挖，3區(qū)土體應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，首先上部基坑開(kāi)挖導(dǎo)致軸向卸荷，其次內(nèi)側(cè)基坑開(kāi)挖導(dǎo)致側(cè)向卸荷，同時(shí)受到左側(cè)及中間支護(hù)樁和其間內(nèi)支撐作用，中間支護(hù)樁上部向坑外發(fā)生較大變形，下部向基坑內(nèi)側(cè)變形。

鑒于內(nèi)坑開(kāi)挖時(shí)，三個(gè)位置的支護(hù)樁變形較大，且有向右側(cè)偏移的趨勢(shì)，考慮在開(kāi)挖到淺坑基底時(shí)，先將外掛段底板施做完成后，與第四道支撐形成傳力體系，進(jìn)一步分析樁體的水平位移。外掛段底板采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿模擬。

開(kāi)挖到深坑底時(shí)，兩個(gè)工況下的樁體水平位移如圖5所示。由計(jì)算結(jié)果可知，開(kāi)挖到淺坑基底后，先施做淺坑底板，與第四道支撐形成傳力體系，同時(shí)，限制了3區(qū)土體后續(xù)的基底隆起，左側(cè)支護(hù)樁的水平位移在內(nèi)坑開(kāi)挖過(guò)程中得到了有效控制，最大位移值由25.3mm減小至17.6mm；右側(cè)支護(hù)樁下部位移也得到了控制，“踢腳”趨勢(shì)明顯減?。恢虚g支護(hù)樁因外側(cè)土體軸向卸荷得到了控制，樁頂位移減小，內(nèi)坑開(kāi)挖對(duì)樁的影響減小。加強(qiáng)3區(qū)土體被動(dòng)區(qū)抗力、控制3區(qū)土體隆起對(duì)控制基坑的整體變形效果較為明顯。

6、支撐設(shè)計(jì)

換乘節(jié)點(diǎn)基坑一般形狀不規(guī)則，規(guī)模相對(duì)較大，且存在坑中坑。由前文研究結(jié)果可知，深淺坑的存在，會(huì)對(duì)整個(gè)支撐體系的受力產(chǎn)生影響，內(nèi)外側(cè)不平衡的土壓力會(huì)產(chǎn)生偏壓，導(dǎo)致支撐兩端受力不均衡，僅根據(jù)理正斷面計(jì)算結(jié)果，采用單根對(duì)撐或斜撐計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行支撐設(shè)計(jì)是不妥當(dāng)?shù)?，還應(yīng)根據(jù)偏壓受力，對(duì)支撐體系進(jìn)行平面分析計(jì)算，不同位置應(yīng)根據(jù)計(jì)算施加不同的支撐力。

設(shè)計(jì)思路為采用理正深基坑支護(hù)計(jì)算軟件根據(jù)內(nèi)外側(cè)不同基坑斷面進(jìn)行計(jì)算，得到不同斷面支撐的每延米支撐軸力，之后將該軸力作為均布荷載加到支撐平面體系的腰梁上，邊界條件為不相交于一點(diǎn)的3根鏈桿，支撐體系受力分析采用有限元計(jì)算軟件MIDAS GEN2014。

理正深基坑計(jì)算可參見(jiàn)文獻(xiàn)相關(guān)內(nèi)容，本文不再贅述，同時(shí)，受篇幅影響，本文僅以第三道支撐體系分析計(jì)算為例作為說(shuō)明。計(jì)算模型如圖6所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，支撐體系在偏壓作用下，受力并不均衡，支撐出現(xiàn)了較大的水平彎矩，支撐的最大水平彎矩994KN，在支撐設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮豎向壓彎作用，尚應(yīng)考慮水平向彎矩，加強(qiáng)支撐水平向鋼筋；同時(shí)，角部位置應(yīng)力集中，彎矩及變形較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)角部支撐。支撐體系平面計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

目前3號(hào)線已通車，基坑施工過(guò)程中位移控制效果較好，不同位置支護(hù)樁變形及受力與計(jì)算較吻合。

結(jié)論：

（1）坑中坑內(nèi)坑開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)整個(gè)基坑支護(hù)體系的受力及變形有影響，總體而言，深坑支護(hù)樁水平位移均向坑內(nèi)，淺坑支護(hù)樁及中間支護(hù)樁上部位移向坑外，下部位移向坑內(nèi)，呈現(xiàn)“踢腳”變形趨勢(shì)。

（2）內(nèi)坑與外坑之間未開(kāi)挖土體在側(cè)向卸荷和軸向卸荷雙重作用下應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，加強(qiáng)該區(qū)域土體的抗力，限制該區(qū)域土體的隆起變形，對(duì)整個(gè)基坑的受力及變形較為有利，在內(nèi)坑開(kāi)挖過(guò)程中可根據(jù)地層對(duì)該區(qū)土體進(jìn)行加固改良，或先將外掛段底板澆筑完成與內(nèi)坑支撐形成傳力體系后再進(jìn)行內(nèi)坑開(kāi)挖是較為可行的措施。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的監(jiān)測(cè)，做到信息化施工。

（3）在偏壓基坑作用下，支撐設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單的按照普通的對(duì)撐或斜撐設(shè)計(jì)，尚應(yīng)結(jié)合整體平面計(jì)算，分析支撐體系在偏壓作用下的受力及變形，應(yīng)對(duì)支撐水平向鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)。