劉建軍

（中鐵合肥建筑市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 231600）

我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，城市人口規(guī)模不斷攀升，傳統(tǒng)城市公共交通所面臨的壓力逐漸增大，地鐵成為許多城市必要的交通基礎(chǔ)設(shè)施。地鐵站由于地下埋深相對(duì)較大，基坑開(kāi)挖難度明顯較高，必須要保證基坑支護(hù)體系的可靠度[1]。灌注樁作為一種常見(jiàn)的擋土結(jié)構(gòu)在地鐵站基坑支護(hù)中也存在著較為廣泛的應(yīng)用。基于此種情況，在本文的研究當(dāng)中，筆者結(jié)合自己的設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)“灌注樁+鋼管內(nèi)支撐”類(lèi)型的支撐式支擋結(jié)構(gòu)在地鐵站深基坑支護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究與分析[2]。

1 工程概況

1.1 地鐵站工程概況

該地鐵站位于我國(guó)西北地區(qū)某城市，地形較為平坦，基坑長(zhǎng)度約為68m，寬7.2m，標(biāo)準(zhǔn)段的基坑底埋深大約為11m，基坑周邊存在大量多層、高層建筑。

1.2 基坑支護(hù)方案

在該地鐵站基坑工程中，結(jié)合附屬結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件與周邊既有建筑物對(duì)基坑周邊土體沉降要求，決定采用“灌注樁+鋼管內(nèi)支撐”支護(hù)體系，圍護(hù)灌注樁樁徑均采用800mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，布樁間距采用1600mm，內(nèi)支撐鋼管管徑為609mm，厚度16mm，沿基坑水平與豎向均勻布置，具體位置位于坑底上方2.6m、7.6m 處，鋼管水平間距為3.5m，預(yù)加軸力分別為300KN、350KN，灌注樁樁間采取噴射混凝土擋土措施。同時(shí)需要在灌注樁頂部設(shè)置冠梁，冠梁規(guī)格800mm×800mm，鋼圍檀采用45b 工字鋼組合型鋼，規(guī)格為群235b[3]。

2 有限元模擬分析

為進(jìn)一步分析上述基坑支護(hù)方式在地鐵站基坑支護(hù)中的實(shí)際應(yīng)用效果，在本文的研究當(dāng)中選擇采用Midas GTS 軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析，并驗(yàn)證此種支護(hù)方式的可靠度。在該工程當(dāng)中，由于在基坑開(kāi)挖之前就已經(jīng)采取了基坑降水措施，并經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)該基坑坑底1m 范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯地下水。為此，在此次有限元分析中忽略地下水的影響[4]。

2.1 有限元模型與相關(guān)計(jì)算參數(shù)

Midas GTS 所建立的三維模型為整體三維模型，根據(jù)彈性力學(xué)基本原理，為更真實(shí)地模擬基坑周邊土體的受力與變形情況，開(kāi)挖區(qū)域應(yīng)選擇為開(kāi)挖尺寸的3～5倍最為合適，為此，在建立三維有限元模型時(shí)，最終的尺寸選擇采用170m×115m×38m。經(jīng)建模之后的軟件檢查，整個(gè)模型最終被劃分為148289 個(gè)網(wǎng)格單元，25632 個(gè)節(jié)點(diǎn)。在該模型中所涉及的單元類(lèi)型有實(shí)體單元、梁?jiǎn)卧c桁架單元三種不同類(lèi)型，其中實(shí)體單元主要是土層、梁?jiǎn)卧獮楣嘧?、冠梁與鋼梁，桁架單元?jiǎng)t為鋼支撐。由于在該基坑周邊存在一定的交通荷載，再考慮施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的施工堆載等問(wèn)題，將基坑周邊的超載設(shè)定為15kPa。土體結(jié)構(gòu)按照勘察報(bào)告所提供的情況輸入，并輸入材料屬性，梁?jiǎn)卧c桁架單元也應(yīng)按照實(shí)際情況輸入模型[5]。

2.2 施工步驟分析

該基坑施工采用明挖法，按照現(xiàn)場(chǎng)條件、設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)施工大致可以分為如下四個(gè)步驟：

1.完成鉆孔、成孔、清孔工作，灌注泥漿，澆筑鉆孔灌注樁。

2.開(kāi)挖到第一道鋼支撐位置完成鋼支撐安裝，施加的預(yù)應(yīng)力大小為300KN。

3.開(kāi)挖到第二道鋼支撐位置完成鋼支撐安裝，施加的預(yù)應(yīng)力大小為350KN。

4.開(kāi)挖到基坑底部。

3 計(jì)算結(jié)果分析

完成建模之后對(duì)模型進(jìn)行了計(jì)算分析，下面將結(jié)合計(jì)算結(jié)果對(duì)上述支護(hù)方案的可靠度展開(kāi)分析，具體主要包含基坑周邊沉降、樁體水平位移、鋼支撐軸力以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系所受到的影響等內(nèi)容。

3.1 基坑周邊地表沉降

隨著基坑的開(kāi)挖，基坑周邊地層邊界發(fā)生變化，基坑底土層應(yīng)力釋放回彈，同時(shí)隨著擋土結(jié)構(gòu)外側(cè)地層土體應(yīng)力逐步釋放，此過(guò)程中支護(hù)樁會(huì)對(duì)周邊土體形成一定約束作用，伴隨擋土結(jié)構(gòu)水平受力變形，分層土體在上部荷載作用下逐漸被壓實(shí)，逐層累積導(dǎo)致基坑周邊地表生沉降變化。在該工程當(dāng)中隨著基坑開(kāi)挖的逐步推進(jìn)，基坑周邊土體也出現(xiàn)了豎向變形，模型計(jì)算結(jié)果如顯示在設(shè)置鋼支撐之前，基坑地表沉降量與距離基坑的距離呈現(xiàn)明顯的反比關(guān)系。在增設(shè)鋼支撐之后，基坑地表沉降量最大值則出現(xiàn)在距離基坑具有一定距離的位置[6]。隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷加大，基坑周邊地表的最大沉降量與整體沉降都在不斷加大，同時(shí)基坑開(kāi)挖所影響的周邊土體范圍也在持續(xù)擴(kuò)大，最大沉降值出現(xiàn)在距離基坑邊緣大約15m 處的位置，沉降值約為8.5mm。

3.2 樁體水平位移

支護(hù)樁由于會(huì)受到土體的側(cè)向壓力，必然會(huì)出現(xiàn)水平位移。由于支護(hù)樁的抗剪承載力不高，水平位移不宜過(guò)大，同時(shí)樁體水平位移也會(huì)對(duì)周邊土體的變形產(chǎn)生不利影響。為此，必須要對(duì)樁體水平位移加以控制。從模型計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在完成第一道鋼支撐的布置之后，樁頂水平位移最大值為0.7mm，完成第二道鋼支撐的布置之后，樁頂最大水平位移值為2.8mm，其位置大約出現(xiàn)在距離坑頂位置5m 處。當(dāng)開(kāi)挖深度到達(dá)基坑底部位置時(shí)，則基坑的最大沉降量為6.6mm，其位置則處于距離樁頂5m 處[7]。此外，從圖2 中的數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷加大，樁身的整體水平位移也會(huì)持續(xù)增大，但是由于鋼支撐的支擋作用，在布置鋼支撐的位置水平位移會(huì)突然間變小。

3.3 鋼支撐軸力

隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷加大，樁后的主動(dòng)土壓力勢(shì)必會(huì)持續(xù)增加，從而導(dǎo)致支護(hù)樁會(huì)向基坑一側(cè)水平移動(dòng)，附加鋼支撐就是為了控制支護(hù)樁的位移，但這也會(huì)對(duì)鋼支撐施加反向約束力。因此，隨著基坑開(kāi)挖深度的持續(xù)增加，作用在鋼支撐上的軸力也勢(shì)必會(huì)不斷加大，最終最大軸力必然會(huì)出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖至最深處時(shí)。在該工程當(dāng)中計(jì)算所得到的最大鋼支撐軸力位于基坑開(kāi)挖至最深處時(shí)的第二道鋼支撐之上，其值為386KN，計(jì)算結(jié)果與理論分析存在一致性[8]。

3.4 鋼支撐對(duì)圍護(hù)結(jié)果的影響分析

在“灌注樁+鋼支撐”支護(hù)方案中，確定鋼支撐最佳位置具有重要意義，合理的支撐位置既能有效控制支護(hù)樁的水平位移與周邊土體的沉降，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)成本方面也更為合理。為了對(duì)原支護(hù)方案鋼支撐位置的合理性進(jìn)行計(jì)算分析，在上文所建模型的基礎(chǔ)之上還對(duì)鋼支撐的位置進(jìn)行了調(diào)整，從而展開(kāi)對(duì)比分析，其中方案1 是在上文所建的模型基礎(chǔ)之上將兩道鋼支撐的位置均向上移動(dòng)1m，方案2 則是在上文所建的模型基礎(chǔ)之上將兩道鋼支撐的位置均向下移動(dòng)1m[9]。三種方案的軸力對(duì)比分析如圖1、圖2 中所示。

圖1 三種方案第一道鋼支撐軸力對(duì)比

圖2 三種方案第二道鋼支撐軸力對(duì)比

從圖1 中可以發(fā)現(xiàn)，方案1 中第一道鋼支撐的軸力為365KN，方案2 中第一道鋼支撐的最大軸力為322KN，原設(shè)計(jì)方案中的最大軸力也為322KN；從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，方案1 中第二道鋼支撐的最大軸力為363KN；方案2 中第二道鋼支撐的最大軸力則為425KN，原設(shè)計(jì)方案中的第二道鋼支撐最大軸力則為380KN。

通過(guò)上文的模型計(jì)算結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，從基坑周邊土體變形、鋼支撐受力方面來(lái)進(jìn)行綜合對(duì)比，原設(shè)計(jì)方案的支護(hù)方式是最合適的[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷提升，地鐵將成為許多城市公共交通的主要方式，地鐵建設(shè)在未來(lái)也必然會(huì)變得更為頻繁，基坑支護(hù)作為地鐵站建設(shè)的重要分部分項(xiàng)，關(guān)系到工程建設(shè)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、進(jìn)度等諸多要素。為了探索地鐵站基坑支護(hù)的合理方式，在本文的研究當(dāng)中以具體工程項(xiàng)目為例分析了“灌注樁+鋼支撐”此種支護(hù)方式在地鐵站支護(hù)中的具體應(yīng)用。通過(guò)三維有限元建模計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)此種支護(hù)方式具有一定的合理性，能夠有效控制基坑周邊土體沉降與樁體位移，可以在實(shí)際工程中進(jìn)行大力推廣。但需要注意的是，鋼支撐的軸力與鋼支撐的作用位置存在著緊密的聯(lián)系，必須要結(jié)合基坑周邊土體物理力學(xué)性能、支護(hù)樁參數(shù)等綜合確定鋼支撐位置計(jì)算參數(shù)，從而計(jì)算出鋼支撐的最佳位置。