地铁车站洞桩法开挖中板下土体的侧向作用研究

耿东阳,赵 文,周永伟,李 艺

暗挖车站基坑在开挖过程中,稳定性受多种因素共同制约,且各种因素之间又相互影响[1]。车站开挖在拱圈二衬已达到设计强度,中隔板已经形成且能起支撑作用的前提下,分步开挖下部土体过程中,随开挖深度的增加围护桩承受的弯矩必定不断的变化,桩身的水平位移也会发生改变,这些都是极易导致支护结构破坏或整体失稳的因素[2～6]。目前这方面的研究比较少[7],本文以沈阳地铁工程实例为背景,运用 GTS软件,通过数值模拟可以获得围护桩的弯矩、位移,从而较系统地分析出施工对导洞内护桩的影响方式和影响水平,确定钢支撑的间距和位置,为后续地铁车站施工提供科学的依据[8]。

1 力学模型与参数

模型模拟的是在拱圈二次衬砌已经完成,中板强度达到设计要求且已起支撑作用的情况下,开挖中板下部土体的施工过程,研究在不加钢支撑与加钢支撑情况下开挖土体过程中围护桩所受的内力和变形的对比。断面选取了其中的 2个断面:第一断面为同仁堂药店—女人世界断面,跨度为 23.5 m,开挖深度为 10.15 m,分 4个施工段开挖,开挖深度分别为 2.5、2.7、2.2、2.75 m;第二断面为商业城—0101流行馆断面,跨度为 19.7 m,开挖深度为 8.56 m,分 3个施工段开挖,开挖深度分别为 3.0、2.45、3.11 m。计算模型如图 1,主要参数见表 1。

图1 计算模型图

表1 模型中物理参数取值表

2 数据分析

2.1 第一断面分析

第一断面在开挖完成后,由模拟数据可知围护桩的最大弯矩值发生在左侧桩体为 1459.99 kN·m,大于设计弯矩,在开挖过程中应该架设钢支撑。分别取钢支撑的间距为 1.5、2、2.5 m,模拟不同间距下钢支撑承受的轴力,模拟得到的轴力分别为 -913.07、-1536.8和 -2279 kN,通过对比选择合适的钢支撑间距。

从钢支撑所受的轴力图分析可知:当钢支撑间距为 2.5 m时,在开挖土体结束后,钢支撑所受轴力为 2279.04 kN,大于设计能力 1395 kN,钢支撑在开挖过程中会发生失稳,最终会导致主体结构发生断裂;当钢支撑的间距为 2 m时,开挖完成后钢支撑所受轴力为 1536.83 kN,略大于设计轴力,所以理论上应该选择钢支撑的间距为 1.5 m。考虑竖直面与水平面各构件刚度的匹配问题,加上上方建筑的荷载偏于安全的加载会使模拟的结果比实际值偏大,再考虑施工的便易性,实际工程中可以将钢支撑的间距适当放大到 2 m。

2.1.1 弯矩

将钢支撑的间距设置为 2 m,模拟施工过程,得到开挖完成后围护桩所受的弯矩,与不加钢支撑时围护桩所受的弯矩进行比较。得出钢支撑的间距为2 m和不加钢支撑时左、右侧桩体受到的弯矩曲线图 (如图 2所示)。图 2(a)为左侧桩体弯矩比较图,图 2(b)为右侧桩体弯矩比较图。

弯矩的符号代表其方向,正值代表开挖一侧,负值则是车站外侧。最大正弯矩出现在拱脚处 (桩顶),右侧桩体反之。最大弯矩值发生在第五施工阶段,大小为 1459.99 kN·m,大于围护桩的抗弯承载力M值,架设钢支撑后,左侧围护桩所受最大弯矩处所受弯矩为 1053.67 kN·m,比不架设钢支撑时减少 27.8%。右侧围护桩所受最大弯矩为863.014 kN·m,比不架设钢支撑时减少近 31.7%。

图2 加撑与不加撑弯矩比较图

2.1.2 位移

将钢支撑的间距设置为 2 m,模拟得到开挖完成后围护桩的位移,与不加钢支撑时围护桩的位移进行比较,得出钢支撑的间距为 2 m和不加钢支撑时左、右侧桩体在开挖完成后位移曲线比较图 (如图 3所示)。图 3(a)为左侧桩体位移比较图,图 3(b)为右侧桩体位移比较图。

图3 加撑与不加撑位移比较图

从图 3可见,当基坑在开挖过程中无钢支撑支护时,第一断面侧向位移最大值 16.339 mm,发生在左侧桩身,为基坑开挖深度的 0.08%。第二断面最大侧向位移发生在右侧桩身,大小为 22.29 mm,为基坑开挖深度的 0.13%,符合规范的建议最大值(0.3%～0.5%)。架设钢支撑后,左侧桩体最大偏移量比不架设钢支撑的最大偏移量要减少 5.19 mm。右侧桩体最大偏移量比不架设钢支撑的最大偏移量要减少 6.18 mm。

2.2 第二断面分析

从工程概况中可知第二断面在开挖完成后右侧围护桩发生最大弯矩为 1446.21 kN,大于设计弯矩,开挖过程中必须架设钢支撑。根据经验值,钢支撑的预加轴力取设计轴力的 30%～50%,本工程中预加轴力取 500 kN。在模拟时分别取钢支撑的间距为 3、4 m,得到开挖下部土体完成后所受轴力分别为 -710.78 kN和 -1151.13 kN。当钢支撑间距为 4 m时,在开挖结束后,钢支撑所受轴力达2503.59 kN,大于其设计承载力 1710 kN,即钢支撑在开挖过程中会发生失稳,而钢支撑间距取 3 m时,开挖完成后,钢支撑的内力为 1547.19 kN,小于钢支撑的极限承载力,所以在本断面应该控制钢支撑的间距为 3 m。

2.2.1 弯矩

将钢支撑的间距设置为 3 m,模拟得到开挖完成后围护桩所受的弯矩,与不加钢支撑时围护桩所受的弯矩进行比较,得出钢支撑时左、右侧桩体受到的弯矩曲线图 (如图 4所示)。图 4(a)为左侧桩体弯矩比较图,图 4(b)为右侧桩体弯矩比较图。

图4 加撑与不加撑弯矩比较图

从图 4可见,架设钢支撑后,左侧围护桩所受最大弯矩为 885.759 kN·m,比不架设钢支撑时减少21.2%。右侧围护桩所受最大弯矩为 1093.7 kN·m,比不架设钢支撑时减少 10.2%。由此可见弯矩在中隔板位置都发生突变。随开挖深度的增加,最大弯矩值不断变大,且该值发生在开挖结束后。

2.2.2 位移

将钢支撑的间距设置为 3 m,模拟得到开挖完成后围护桩的位移,与不加钢支撑时围护桩的位移进行比较,得出钢支撑的间距为 3 m和不加钢支撑时左、右侧桩体在开挖完成后曲线比较图 (如图 5所示)。图 5(a)为左侧桩体位移比较图,图 5(b)为右侧桩体位移比较图。

图5 加撑与不加撑位移比较图

由图 5可见,架设钢支撑后,左侧桩体最大偏移量与不架设钢支撑时的最大偏移量相比变化不大(有少量增加)。右侧桩体最大偏移量比不架设钢支撑的最大偏移量减小 2.25 mm。

3 结论

(1)在开挖过程中围护桩受到的弯矩和侧向位移随开挖深度的增加而增加,在开挖完成后围护桩的弯矩达到最大值,且该数值大于围护桩本身的抗弯承载力,所以在开挖过程中必须及时架设钢支撑。

(2)对第一断面,宜按 2 m间距架设钢支撑,加撑后左侧围护桩的最大弯矩减少 27.8%,侧向偏移减少 31.7%;右侧围护桩最大弯矩减少 23.7%,侧向偏移减少 51.5%。

(3)对第二断面,宜按 3 m间距架设钢支撑,与不加钢支撑相比减少 21.2%,但侧向位移变化不大;右侧围护桩侧向位移与不加撑时相比减少10.2%,最大桩身弯矩减小 24.3%。钢支撑作用较明显。

[1] 赵文,李慎刚,徐岩.地铁基坑施工稳定性监测分析[J].岩石力学,2007,10(S1):643-646.

[2] 李慎刚,赵文,杜嘉鸿.微硅粉应用于砂性地层注浆工程的可行性分析[J].探矿工程 (岩上钻掘工程),2009,36(2):21-23.

[3] 徐岩,赵文,李慎刚.地铁建设中的环境岩土工程问题分析[J].工程勘察,2007,(7):11-13.

[4] 孙海霞,赵文,赵文赞.地铁车站施工方案模糊决策研究[J].沈阳工业大学学报,2003,25(5):438-441.

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