張濤

摘 要：以西安某地鐵站明挖深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為背景，基于有限元分析對(duì)明挖深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，深基坑開(kāi)挖引起的地表豎向變形為 -11.8～-10.2mm，混凝土灌注樁頂側(cè)向最大變形 10.9mm，符合西安地區(qū)濕陷性黃土地鐵車站深基坑開(kāi)挖引起的地表及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性;在基坑開(kāi)挖階段，除第 3 道直撐外，內(nèi)支撐軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，存在較大的優(yōu)化空間;內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)安全可行，可為類似基坑的施工借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵;深基坑;支護(hù)結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性分析

中圖分類號(hào)：TU753

地鐵明挖車站深基坑設(shè)計(jì)與施工開(kāi)挖中，既要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又要考慮在施工過(guò)程中不同階段土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)相互影響的問(wèn)題[1]，這就需要對(duì)基坑工程施工力學(xué)行為進(jìn)行分析研究。目前，支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用研究處于起步階段，基坑開(kāi)挖的理論模型計(jì)算和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理還不完善[2]，大多應(yīng)用半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法[3]，多采用二維模型模擬[4]，不能全面反應(yīng)基坑不同部位支撐受力與變形。本文以西安地鐵某車站明挖深基坑工程為依托，建立三維有限元模型對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移、樁體水平位移、內(nèi)直撐、斜撐軸力和地表沉降進(jìn)行分析，以期為后續(xù)工程提供依據(jù)。

1 工程概況

西安某地鐵車站為11 m島式車站，兩端為擴(kuò)大端，標(biāo)準(zhǔn)段采用單柱、雙跨的地下二層現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，車站基坑長(zhǎng)225 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬19.7 m，深15.69 m。車站支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼管支撐的支護(hù)方式，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁，嵌固深度為基坑底以下6 m。基坑豎向設(shè)置3道支撐，采用609 mm的鋼管直撐，鋼管壁厚16 mm，第1道直撐水平間距6 m，第2、第3道直撐水平間距3m，直撐段和斜撐段均采用鋼圍檁（圖1）。

車站所處地層主要由第四系人工填土，場(chǎng)地地層自上而下劃分為素填土、黃土狀土、粉質(zhì)黏土、中砂、圓礫、粉質(zhì)黏土、中砂，共8層。

場(chǎng)地地下水位介于-15.58～-18.40 m之間，屬第四系松散層孔隙性潛水，含水層主要為全新統(tǒng)沖積砂土、碎石土，上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、砂土地層中無(wú)明顯隔水層，勘察深度內(nèi)無(wú)承壓地下水。

2 有限元模型及計(jì)算工況

2.1 基本假設(shè)

進(jìn)行建模時(shí)，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)、土層性質(zhì)等按照以下假設(shè)處理：

（1）假定在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)土體是均勻、各向同性的彈塑性體，土體的應(yīng)力應(yīng)變滿足摩爾庫(kù)侖模型[4];鉆孔灌注樁、鋼直撐和鋼圍檁均為理想彈性體;將樁孔灌注樁等效為600 mm厚的理想彈性地下連續(xù)墻;

（2）不考慮施工混凝土灌注樁時(shí)對(duì)土體應(yīng)力和性狀的影響，將開(kāi)挖階段的地層位移場(chǎng)清零，保留應(yīng)力場(chǎng);

（3）不考慮基坑開(kāi)挖動(dòng)態(tài)施工過(guò)程對(duì)土體力學(xué)特性的影響;

（4）基坑開(kāi)挖前降水已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不考慮土體中的滲流作用。

2.2 有限元模型

本文地鐵車站基坑有限元模型基坑寬20 m，深18.2 m，東西擴(kuò)大端長(zhǎng)14.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)225 m。按基坑手冊(cè)，基坑影響范圍為挖深的3～4倍[6]，故將模型水平尺寸設(shè)為 180 m×180 m，豎向土體取60 m，所選尺寸滿足基坑手冊(cè)要求，結(jié)合車站所在位置地質(zhì)縱剖圖，土層厚度自上而下分別取1 m、1.2 m、7 m、4.8 m、1.2 m、5m、10.2 m、29.6 m;土體本構(gòu)選取摩爾庫(kù)侖模型;鋼支撐和鋼圍檁采用一維梁?jiǎn)卧M，鋼材為Q235B;鉆孔灌注樁等效地下連續(xù)墻按板單元模擬，材料為C35混凝土;坑底墊層材料為C20混凝土。模型共包含節(jié)點(diǎn)145 532個(gè)、單元453 828個(gè)，三維應(yīng)變單元以六面體單位為主（圖2）。

2.3 模擬計(jì)算工況

按照“分區(qū)，分類，定性，定量”的原則對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，模擬計(jì)算分析基坑施工過(guò)程對(duì)土體應(yīng)力、應(yīng)變的影響，根據(jù)基坑施工方案，基坑開(kāi)挖模擬計(jì)算工況按6個(gè)開(kāi)挖階段分為6個(gè)工況。

階段1（工況CS1），初始地應(yīng)力分析，勾選位移清零，模擬土體固結(jié)過(guò)程。

階段2（工況CS2），支護(hù)樁施工。

階段3（工況CS3），開(kāi)挖至地表以下2.1 m，并在地表以下 1.4 m 處施工第1道鋼直撐，直撐施加300 kN預(yù)應(yīng)力。

階段4（工況CS4），開(kāi)挖至地表以下 9.2 m，并在地表以下 8.4 m 處施工第2道鋼直撐，直撐施加500 kN預(yù)應(yīng)力。

階段5（工況CS5），開(kāi)挖至地表以下14.0 m，并在地表以下13.2m處施工第3道鋼直撐，直撐施加400kN

預(yù)應(yīng)力，斜撐施加450 kN預(yù)應(yīng)力。

階段6（工況CS6），開(kāi)挖至地表以下18.2 m，并在18.0 m處做200 mm厚的C20混凝土墊層。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基坑水平位移

圖 3給出了不同工況下基坑水平位移與基坑深度關(guān)系曲線，由圖3可見(jiàn)，基坑最大水平位移發(fā)生在工況CS6，工況CS6時(shí)的基坑水平位移云圖如圖4所示，圖4表明，基坑在南北向中部深度-18.2 m處產(chǎn)生最大水平位移為10.9 mm，基坑在東西向中部-16.7 m處產(chǎn)生最大水平位移為9.3 mm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，該基坑深度-10～-21.3 m的土層為圓礫層，黏聚力為0，抗剪能力與相鄰的土體相差很大，承受相同剪力時(shí)產(chǎn)生側(cè)向位移較大。

3.2 基坑豎向位移

（1）基坑開(kāi)挖過(guò)程中的基坑豎向位移曲線如圖5所示，圖5數(shù)據(jù)表明，基坑坑底最大豎向位移發(fā)生在工況CS6，為47 mm（隆起），最小豎向位移為-6.9 mm（沉降），基坑坑邊位移在-10.2～-11.8 mm之間（沉降），可見(jiàn)，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，坑底豎向位移起伏較大，基坑邊豎向位移變化不大，基坑底部需采取必要的技術(shù)措施，防止因坑底局部過(guò)大隆起變形給基坑施工帶來(lái)危害。

（2）圖6給出了工況CS6時(shí)基坑周邊地表豎向位移云圖，由圖6可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖完成后，基坑周邊地表豎向位移（沉降）隨坑壁距離的增加而減小，基坑邊30m外地表沉降變化速率趨近于0。具體表現(xiàn)為，與坑壁距離為0～30 m范圍內(nèi)基坑周邊地表沉降呈線性變化，由19.4 mm減小到8.2 mm，直至在距離坑壁80 m時(shí)為-7.8 mm?；又苓叺乇沓两抵禎M足警戒值30 mm要求。

3.3 圍護(hù)樁水平位移

圖7給出了不同工況下圍護(hù)樁水平位移與樁深關(guān)系曲線，由圖7可見(jiàn)，圍護(hù)樁最大水平位移發(fā)生在工況CS6，工況CS6時(shí)的圍護(hù)樁水平位移云圖如圖8所示，圖7、圖8表明，圍護(hù)樁最大水平位移為10.9 mm，發(fā)生在樁深18.2 m處，小于預(yù)警值24 mm;工況CS5進(jìn)行到工況CS6時(shí)，樁頂水平位移變化為0，基坑周邊土體已基本穩(wěn)定，這說(shuō)明基坑鋼支撐起到了積極作用，較大抑制了土體及樁向基坑內(nèi)的移動(dòng)，保障了基坑的穩(wěn)定，也使得土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)直撐達(dá)到受力平衡。

3.4 土體應(yīng)力

基坑土體的破壞主要是剪切破壞，圖9給出了不同工況下基坑土體剪切應(yīng)力變化曲線，由圖9可見(jiàn)，基坑土體最大剪切應(yīng)力發(fā)生在工況CS6，工況CS6時(shí)的基坑土體剪切應(yīng)力云圖如圖10所示，圖9、圖10表明，隨著開(kāi)挖深度的增加，基坑土體最大剪切應(yīng)力逐漸減小，在工況CS5～工況CS6時(shí)增加為896.486kPa，滿足土體最大剪切應(yīng)力100 MPa要求。

3.5 支撐軸力

3.5.1 直撐和斜撐軸力

圖 11給出了不同工況下直撐軸力變化曲線，由圖11可知：

（1）第1道直撐在開(kāi)挖工況CS3時(shí)架設(shè);基坑開(kāi)挖到工況CS4時(shí)架設(shè)第2道直撐，此時(shí)第1道直撐的軸力有所下降;自工況CS4至CS6，第1道直撐軸力變化曲線基本保持水平。

（2）在第3道直撐架設(shè)后，第2道直撐的變化規(guī)律與第1道直撐的變化規(guī)律相似，軸力雖有小幅度變化，但整體趨于穩(wěn)定。

（3）進(jìn)行到工況CS6時(shí)由于基坑-10～-21.3m處土層為圓礫，其黏聚力為0，抗剪能力差，水平變形較大，這使得第3道直撐軸力由400 kN增加到1885.3kN，增加了1485.3kN，其余2道直撐軸力變化不大，說(shuō)明在工況CS6時(shí)，第3道直撐對(duì)限制基坑產(chǎn)生較大的水平位移發(fā)揮了重要的作用。

不同工況下斜撐軸力變化與直撐類似，這里不予贅述。

3.5.2 支撐軸力計(jì)算值與設(shè)計(jì)值比較

表1為基坑開(kāi)挖工況CS6時(shí)各道支撐計(jì)算最大值與設(shè)計(jì)值的統(tǒng)計(jì)表，由表1可知：

（1）3道直撐中，第2道直撐的計(jì)算軸力與設(shè)計(jì)軸力百分比較高，第3道支撐計(jì)算值超過(guò)設(shè)計(jì)軸力。說(shuō)明在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，第2道、第3道支撐抑制了支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)大的位移，充分發(fā)揮了直撐作用。

（2）第3道直撐軸力與超出設(shè)計(jì)值27.3%需引起注意，應(yīng)采取相關(guān)技術(shù)措施，可通過(guò)增加直撐密度防止在基坑施工過(guò)程中出現(xiàn)安全質(zhì)量事故。

（3）斜撐軸力計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的對(duì)比表明，斜撐軸力均未超過(guò)設(shè)計(jì)值。

4 結(jié)論與建議

（1）計(jì)算分析表明，西安地鐵某車站基坑施工引起的地表豎向沉降為-11.8～-10.2 mm，圍護(hù)樁頂最大水平位移10.9 mm，符合西安地區(qū)地鐵車站深基坑施工引起的地表沉降及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求。

（2）工況CS5～CS6時(shí)第3道直撐軸力增加了1485.3kN，因此應(yīng)著重優(yōu)化第3道直撐，提高其設(shè)計(jì)強(qiáng)度或增加直撐密度，預(yù)防基坑施工過(guò)程直撐產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致安全事故。

（3）支撐架設(shè)完成后開(kāi)挖下層土?xí)r，直撐軸力大幅度增加，在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)直撐軸力監(jiān)測(cè)，保證基坑的安全。

（4）在基坑開(kāi)挖階段，除第3道直撐外，支撐軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，存在較大的優(yōu)化空間。在設(shè)計(jì)階段可通過(guò)優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的布置方式、布設(shè)密度，或者減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面尺寸，降低工程造價(jià)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]黃凱，應(yīng)宏偉，謝康和.深基坑圈梁與圍護(hù)樁的相互作用分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（3）：481-486.

[2]黃茂松，王衛(wèi)東，鄭剛.軟土地下工程與深基坑研究進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012（6）：146-161.

[3]王江榮，梁永平，趙振學(xué).基于有限元分析的地鐵車站明挖深基坑邊坡穩(wěn)定性分析[J].工程質(zhì)量，2019（1）：54-58，64.

[4]潘星，周學(xué)良.微型樁與復(fù)合土釘墻聯(lián)合圍護(hù)的計(jì)算方法研究[J].工程與建設(shè)，2011（2）：252-254.

[5]李雨陽(yáng).黃土地區(qū)明挖隧道施工對(duì)相鄰地表建筑影響分析[D].陜西西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2017.

[6]蘇子升.地鐵車站深基坑施工方式對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（12）：37-41.

[7]梅源，袁一力，胡長(zhǎng)明，等.西安地鐵深基坑變形模式統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（3）：371-375.

[8]尉希成.支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.

[9]齊海燕.深層攪拌水泥土樁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].甘肅科技，2009，25（16）：117-118，120.

[10] 譚波.深基坑支護(hù)技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用分析 [J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（6）：54-55.

[11] 余志成.深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[12] 沈保漢.樁基與深基坑支護(hù)技術(shù)進(jìn)展[M].北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2006.

[13] 楊克己.實(shí)用樁基工程[M].北京：人民交通出版社，2004.

[14] 崔江余，梁仁旺.建筑基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算與施工[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1999.

收稿日期 2020-05-18

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明