台阶后退式开挖对基坑围护桩的变形影响分析

2021-08-19张天成方诗圣应克忠

建筑施工 2021年4期

关键词：端头台阶计算结果

张天成方诗圣应克忠赵旭

1.合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥 230002；

2.中铁四局集团第四工程有限公司安徽合肥 230011

对于地铁深基坑的研究而言，数值模拟是一个重要的方法。

王峰等[1]以成都某地铁深基坑为实例建立了二维数值模型，采用分层开挖方法。结果表明桩体变化曲线呈现弓形，桩体最大位移值也随着开挖深度的增加而下降。

吴意谦等[2]以兰州市某地铁深基坑为依托，采用分层开挖方法并将围护桩等效成地下连续墙建立三维数值模型。结果表明钻孔灌注桩＋内支撑能够有效地抑制基坑的变形，同时也提出了如何改进计算精度、提高结果的真实性是今后需要进一步解决的问题。

深基坑工程是一个三维空间结构，具有空间效应特性[3]，因此采取二维数值模拟，无法很好地反映其围护结构的空间效应变化。同时学者在建立基坑围护桩时大多利用等效刚度法将其替换成地下连续墙，且对于地铁开挖方式的模拟大多采用的是将土体分层开挖，与实际工程有一定的区别[4-7]。

本文结合合肥某地铁深基坑，利用Midas/GTS有限元软件对比了围护桩在土体分层开挖和土体台阶后退式开挖下的区别，同时结合监测数据进行对比分析，得出一些关于围护结构随台阶后退式开挖的变形规律。

1 工程概述

1.1 工程概况

合肥某地铁车站主体为地下三层三跨岛式站台车站，结构形式为三层三跨矩形框架结构。车站主体总长度167.1 m，标准段总宽度22.9 m，标准段基坑深度25.03～25.14 m。其中南方端头处与另一条地铁线路相汇，本文中不对其进行讨论。车站位置和尺寸如图1所示，其中1、2、3、4代表4个断面。

图1 地铁车站结构平面示意

1.2 工程地质条件

结合区域地质资料，根据沿线勘察揭露的地层沉积年代、成因类型和岩性特征，将本勘察单元范围内的岩土层划分为6个单元层和若干个亚层（表1）。

表1 岩土层物理力学参数

1.3 支护方案

支护结构采用钻孔灌注桩＋内支撑。基坑围护桩采用φ1 200 mm@1 500 mm钻孔灌注桩，围护桩间采用网喷混凝土（砂浆）护壁，基坑两侧围护桩上方采取钢筋混凝土挡土墙围护。内支撑采用钢支撑与混凝土支撑，第1道为混凝土支撑，第2、3、4、5道为钢支撑（其中，第2、3、5道为φ609 mm、壁厚16 mm的钢管支撑，第4道为φ800 mm、壁厚18 mm的钢管支撑。

第1道混凝土支撑位于地下－1 m处，基坑两侧有挡土墙；第2道钢支撑位于地下－6 m处；第3道钢支撑位于地下－9.8 m处；第4道钢支撑位于地下－13.6 m处；第5道钢支撑位于地下－19.4 m处。钢支撑预加轴力如表2所示，围护结构剖面如图2所示。

图2 标准断围护结构剖面示意

表2 钢支撑预加轴力

2 计算模型

2.1 模型的建立

采用有限元软件Midas/GTS对此地铁站深基坑开挖过程进行三维数值模拟分析。圣维南原理和目前大量工程经验表明：地铁车站基坑开挖对周围土体影响的范围大致为3～5倍开挖宽度、3倍开挖深度。所以取土体边界长为187 m、宽为220 m、深度为75 m。有限元计算模型如图3所示。边界条件为土体模型侧面约束法向位移和底部约束3个方向的位移。

图3 有限元计算模型

土的本构模型采用修正摩尔-库仑模型，围护桩、钢支撑、混凝土支撑、格构柱和钢围檩均采用梁单元来模拟；抗拔桩采用直插式梁单元来模拟；挡土墙以及桩间喷射的混凝土采用板单元来模拟；土体采用实体单元来模拟。

2.2 施工工况模拟

实际施工时，首先将基坑开挖至地下－1 m处，进行钻孔灌注桩、格构柱、抗拔桩、冠梁、混凝土支撑和挡土墙施工。第1层土体开挖完成后，剩余采用台阶后退式开挖方法施工，钢支撑随挖随撑。实际开挖步骤如图4所示。

图4 实际开挖步骤（单位：m）

针对本工程的开挖方案，在数值模拟中将其简化为分层开挖和台阶后退式开挖这2种方式，以研究不同开挖方式下围护结构的受力性能空间效应。

2.2.1 分层开挖

1）工况0：初始地应力平衡，计算完成后将位移清零。

2）工况1：开挖至地下－1 m处，钻孔灌注桩、格构柱、抗拔桩、冠梁、混凝土支撑和挡土墙开始施工。

3）工况2：开挖至地下－6 m处，将整层土体全部挖完，同时激活第2道钢支撑和钢围檩并施加预应力。

4）工况3；开挖至地下－11 m处，将整层土体全部挖完，同时激活第3道钢支撑和钢围檩并施加预应力。

5）工况4：开挖至地下－16 m处，将整层土体全部挖完，同时激活第4道钢支撑和钢围檩并施加预应力。

6）工况5：开挖至地下－21 m处，将整层土体全部挖完，同时激活第5道钢支撑和钢围檩并施加预应力。

7）工况6：开挖至地下－25.1 m处，将整层土体全部挖完。

2.2.2 台阶后退式开挖

将基坑土体分成12个开挖部分，具体如图5所示。其中网喷混凝土护壁随挖随喷，钢支撑随挖随撑，预应力随撑随加。

图5 基坑简化开挖示意（单位：m）

1）工况0：初始地应力平衡，计算完成后将位移清零。

2）工况1：开挖第1部分土体至地下－1 m处，将整层土体全部挖完，钻孔灌注桩、格构柱、抗拔桩、冠梁、混凝土支撑和挡土墙开始施工。

3）工况2：开挖第2部分土体至地下－6 m处，基坑向后开挖长度为8.5 m。

4）工况3：开挖第3部分土体至地下－11 m处，基坑向后开挖长度为8.5 m。

5）工况4：开挖第4部分土体至地下－16 m处，基坑向后开挖长度为8.5 m。

6）工况5：开挖第5部分土体至地下－21 m处，基坑向后开挖长度为8.5 m。

7）工况6：开挖第6部分土体至地下－25.1 m处，基坑向后开挖长度为8.5 m。

8）工况7：开挖第7部分土体，基坑向后开挖长度为8.5m。

9）工况8：开挖第8部分土体，基坑向后开挖长度为16m。

10）工况9：开挖第9部分土体。

11）工况10：开挖第10部分土体。

12）工况11：开挖第11部分土体。

13）工况12：开挖第12部分土体。

3 数值计算结果与监测对比

3.1 2种开挖方案的对比

监测点位置分布如图6所示。

图6 监测点位置分布

图7为围护桩在2种模拟开挖方案下的ZQT12侧移计算结果与监测数据的对比曲线。设沿基坑长度方向为y方向，沿基坑宽度方向为x方向。当开挖完成后，测点ZQT12监测最大值为18.65 mm，所处深度为－13 m；围护桩分层式开挖的最大侧移值为27.38 mm，误差为46.8%，所处深度为－12.55 m，误差为3.5%；围护桩台阶后退式开挖的最大侧移值为17.66 mm，误差为5.3%，所处深度为－12.52 m，误差为3.7%。

图7 ZQT12侧移计算结果与监测数据的对比曲线

结果表明：在数值模拟中围护桩采用分层式开挖的侧移峰值和其所处深度要远大于采用台阶后退式开挖，这说明土体卸载量大小对于围护桩的影响十分明显；采用台阶后退式开挖的数值模拟结果曲线与实际监测曲线趋势相近，因此下文的数值分析中采用的是围护桩台阶后退式开挖。

3.2 围护桩y方向侧移分析

图8为端头井处ZQT12各工况下数值计算结果与监测数据的对比曲线。从图8中可以看出：当开挖的土体距离未开挖处的围护桩较远时，未开挖处的围护桩所受到的影响较小；随着开挖土体逐渐靠近未开挖处的围护桩，围护桩的侧移值逐渐增大，侧移的峰值深度逐渐增大，直至未开挖处的围护桩周围土体全部开挖完成后达到最大值。当开挖完成后，ZQT12监测值最大值为18.65 mm，最大值位于－13 m处，计算值最大值为17.66 mm，最大值位于－12.52 m处。结果表明：端头井处围护桩监测值曲线与计算值曲线趋势相近。说明该数值计算模型、参数的选取和开挖方式的简化是合理的，并且精确程度高的计算结果可以更好地优化支护结构，确保施工的安全性。

图8 ZQT12各工况下数值计算结果与监测数据的对比曲线

图9为基坑两侧y方向上的侧移云图，图10为标准段围护桩同一深度y方向上的侧移曲线（深度为－10.5 m）。

图9 基坑两侧y方向上的侧移云图

图10 标准段围护桩同一深度y方向上的侧移曲线

结果表明：围护桩随着台阶后退式开挖呈现明显的时空效应。随着开挖的进行，围护桩存在y方向上的侧移，且侧移方向与台阶后退式开挖的方向相反，侧移的最大值随着台阶后退式开挖向后移动，同时当开挖的土体远离已开挖完成的围护桩时，y方向上的侧移达到最大值并趋于稳定。

两侧围护桩y方向侧移呈现椭圆形分布，椭圆形中间处侧移最大并随后退开挖方向移动，直至开挖至端头井处，椭圆形分布变为半椭圆形分布。

3.3 围护桩x方向侧移分析

图11为标准段ZQT10关键工况下数值计算结果与监测数据的对比曲线。当开挖完成后，监测值最大值为16.89 mm，深度为－11.5 m，数值计算结果中x方向最大侧移值为15.92 mm，深度为－10 m，通过对比曲线可以看出数值计算结果与监测曲线的趋势相近。

图11 ZQT10关键工况下数值计算结果与监测数据的对比曲线

图12为标准段围护桩同一深度x方向上的侧移曲线（深度为－10.5 m），图13为标准段围护桩x方向上的侧移云图。结果表明：围护桩随着台阶后退式开挖呈现明显的时空效应。随着开挖的进行，基坑两侧围护桩x方向侧移呈半椭圆形扩散，其侧移值随着周围土体开挖深度的增加而增加，直至周围土体全部挖完，开挖土体远离该围护桩时趋于稳定。