某明挖地铁车站支护结构地震响应分析

2022-05-25李雪梅

四川建材 2022年5期

李雪梅

(四川建筑职业技术学院土木工程系，四川德阳 618000)

0 前言

近些年，大型建筑工程呈现井喷式发展，频发的地震使得工程建设的各个阶均需要解决抗震的问题。学者针对建筑工程地震灾变的研究主要集中在上部结构地震响应[1]、结构-岩土体相互作用[2]等方面，涉及波动理论、土动力学、地震工程学等诸多学科的交叉[3]，研究方法多为理论分析法[4]、室内振动台物理模拟[5]、数值计算分析[6]等，在结构使用期间结构的抗震性能和减震防震手段等方面取得了有意义的成果[3,7]。但是，基坑临时性支护体系设计的等级远不及永久结构，基坑一旦失稳，会对基坑、周边的道路、临近房屋等造成破坏。因此，学者已对基坑的土钉支护[8]、锚喷支护[9]、地下连续墙[10]、支护桩[11]等从结构位移、坑内隆起等方面展开研究并获得认识，对于大型建筑工程基坑地震稳定性处于初级阶段。尤其是城市轨道交通工程中车站深基坑常用的预应力钢支撑来说，其对于地铁支撑围护结构的地震影响的研究相对匮乏。本文以某站地铁车站的基坑为例，研究预应力钢支撑对基坑地震响应的影响，以探讨现行规程设计方法中设计思路的可靠性。

1 工程概况及地质条件

某站地铁车站基坑平面上呈长方形，有基坑1区、基坑2区组成，长向约240 m，短向约25 m，开挖深度约20 m，基坑等级为1级。场地地层主要由第四系全新统人工填土、第四系中～下更新统冰水沉积层，下伏白垩系中统灌口组组成。各层岩土的构成和特征分述如下，岩土体的物理力学参数见表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

1)第四系全新统人工填土:素填土①：以黏性土、风化泥岩岩屑为主，该层在坡顶普遍分布。层厚0.50～1.0 m。

2)第四系中更新统冰水沉积层:中砂②：松散，夹少量粉细砂及粉土，场地均匀分布，层厚0.5～4 m；粉质黏土③：可塑～硬塑，网状裂隙较发育，层厚0.80～1.80 m；粉土④：密实，夹少量粉质黏土及粉细砂，强度低，厚度3.0～5.0 m；粉砂⑤：黑灰色，夹少量黏土及粉砂，在场地内均匀分布，厚度在3.0～5.0 m；含卵石黏土⑥：可塑～硬塑，以黏土为主，局部含有少量卵石的团状粉土土体富集。卵砾石粒径多在1～8 cm，卵砾石含量一般在16%～45%。层厚0.50～7.50 m。

根据场地工程地质条件、基坑开挖条件等，采用地下连续墙墙+预应力钢支撑+混凝土支撑联合支护形式，其中，地下连续墙厚度为1.0 m，混凝土强度等级为C40；混凝土支撑间距8 m，截面宽0.8 m，高1.3 m，混凝土等级为C40，在地面±0 m、地面下-8 m、地面下-13 m分设3道；预应力钢支撑间距4 m，为圆钢管支撑，支撑所施加的预应力为800 kN。支护设计依据文献[12]进行。

2 预应力钢支撑的设计

地铁车站基坑在经历地震后，要求基坑围护结构位移、基坑周边土体位移仍在1级基坑所限要求之内。需探讨，对于设有预应力钢支撑的深基坑，现行规范设计是否合理。基于此，采用PLAXIS3D有限元软件对该基坑开展地震时程响应的数值分析，研究在满足静力条件的标准下，在遭受地震荷载作用时，不同预应力等级时，基坑附近地表沉降、基坑围护结构的变形和应力状态，以说明预应力钢支撑的设计方法的优劣。

2.1 模型的建立及边界条件

1)模型建立。根据场地岩土体条件、基坑规模、支挡防护措施建立模型，模型边界取为基坑开挖深度3倍，确定模型尺寸的长、宽、高分别为170、130、50 m。

支护结构按实际尺寸采用板单元进行模拟，并考虑与周围岩土体的界面关系建立接触面，分析一定受力条件下产生的错点滑移、分开、闭合。

混凝土内支撑采用梁单元进行模拟、钢支撑采用点对点锚杆单元进行模拟。所建立的模型如图1所示。

图1 计算模型

2)计算中模型边界条件的处理遵循以下原则：底部边界设定水平和竖直方向位移约束；侧向边界设定水平向位移约束；顶部边界为自由边界；桩板墙为不透水界面，开挖过程中基坑即已完成工程降水。

3)地震荷载。地震波采用汶川地震卧龙波，地震历时0～10 s，地震最大峰值加速度为2 m/s2，如图2所示。在模型底部以面位移方式x向水平输入。不考虑水平和竖向地震波的耦合作用。

图2 地震波曲线

4)计算过程。

场地地应力平衡→地下连续墙施工→地表第一层混凝土支撑施工，进行第一次开挖(-4 m)→预应力钢支撑施工，施加预应力→第二次开挖(-8 m)→第二层混凝土支撑施工(-8 m)，进行第三次开挖(-13 m)→第三层混凝土支撑施工(-13 m)，进行第四次开挖(-18 m)→开挖完成后，施加地震荷载。岩土体计算本构模型采用HSS模型，结构本构模型采用弹塑性模型。参见文献[13]。

2.2 现行规范设计计算结果分析

根据标准《建筑基坑工程监测技术标准》(GB50497—2019)[14]对基坑的评判，结果分析如下。

1)基坑周边土体变形计算结果，基坑周边土体水平、竖向位移云图见图3所示。从图3中可见以下内容。

(1)基坑顶部的变形应最为明显，向深部变形逐渐减小，由于地震是从模型底部的基础中输入的，故而基坑的周围土体的底部的变形反应是可以很明显地看出的。

(2)基坑周边土体的水平位移在4 s以后的响应较为明显，竖向变形则在8 s以后的响应较为明显，且随着时间的延长，变形的影响区逐渐扩展。

(3)地震作用后，基坑周边土体水平位移最大值约为5 cm；基坑周边土体竖向位移最大值约为3 cm。小于文献[14]对于基坑位移预警要求。

(4)预应力钢支撑施加800 kN预应力的设计可满足抗震需求。

(a)地震后水平位移云图

2)采用现行规范进行预应力钢支撑设计，除了可以承受计算的静载荷外，仍有一定的能力承受地震荷载作用，并维持基坑的稳定性。

2.3 预应力大小对基坑地震响应的影响

进一步分析钢支撑的预应力大小的影响，考虑力为500、600、800 kN，其他条件不变。当钢支撑施加的预应力小于设计预应力(800 kN)时，无论是基坑周边土体的变形还是基坑围护墙体的变形均呈现增大的趋势，且随着预应力施加等级的降低，变形是逐渐呈近似线性增大的(见图4)，且在预应力600 kN时，其变形的标准已超过了规范[12]的相关要求，故而，可以认为，现行规范设计标准[12]在面对地震荷载时，优化空间有限，需严格按照既有规范进行基坑支护设计。