某地铁深基坑支护结构分析

2022-07-27□□卜飞

建材技术与应用 2022年4期

□□ 卜飞

(山西省勘察设计研究院有限公司，山西太原 030000)

引言

随着国家经济的发展，城市建设是不可或缺的一部分，地铁在城市建设中起着举足轻重的作用。地铁可缓解城市的交通压力，改变人们的出行方式；其次，还可改变城市的格局，改变聚集区的位置；第三，还是城市风格的表现与城市展示的窗口。地铁车站的基坑一般较大而且比较深，如何选用造价低并且结构稳定的支护结构设计尤为重要。

近年来，国内很多专家针对地铁深基坑工程进行了研究，谢锡荣等[1]通过大量的数学分析，总结提出了两种预测支护桩水平位移的方案；张艳书等[2]通过数值模拟以及大量现场试验数据分析对比得出软土地区土层的地表沉降与基坑土层厚度的关系。本文以某地铁深基坑为研究背景，结合基坑周边环境及土层情况，通过理正软件和ADINA软件对基坑支护结构进行分析。

1 工程概况

地铁站位于哈尔滨市南通大街与宣化街交口处，其有效站台长度为120 m，中心里程为SK13+597.436，车站结构全长157.8 m。站体结构设计为双跨双层框架结构，车站主体标准段开挖深度约为14.5 m，宽为19.4 m，盾构端头井处开挖深度约为18 m，宽为29.8 m。共设3个出入口及2个风亭，基坑土层信息见表1。

表1 岩土信息

1.1 支护结构

该车站基坑支护结构采用钻孔灌注桩与钢支撑的支护体系，标准段主体围护结构采用桩径为Φ800 mm，标准段桩中心距为1 300 mm钻孔灌注桩，桩长为20.2 m，桩底穿过粉质黏土层，插入中砂层中，两端头井采用中心距为1 200 mm钻孔灌注桩，桩长为22.7 m，所有桩底穿过粉质黏土层，进入中砂层中。桩间采用Φ6@200×200钢筋挂网，并喷射200 mm厚C20混凝土封闭找平，桩顶设冠梁(800 mm×1 000 mm)，冠梁上部采用10 cm厚网喷C20混凝土护坡。

车站内支撑采用Φ609 mm，t为12 mm(第一道)及14 mm(第二、三道)钢管支撑，在局部基坑跨度较大处设置内格构柱，第一道支撑设于冠梁处，其余两道支撑通过水平钢围檩支撑在钻孔灌注桩上，水平间距为4 m，如支撑与主体结构中柱冲突，可适当调整支撑的水平位置。基坑开挖具体情况见表2，计算简图如图1所示。

表2 工况简表

图1 工程计算简图

1.2 结构内力

通过理正岩土软件计算[3-4]，在工况7时，分别提取支护桩的水平位移、弯矩以及剪力的计算结果，绘制计算结果包络图，如图2所示。

图2 包络图(水土分算,矩形荷载)

由图2可以看出，支护桩的水平位移呈现的是两端小中间大，在距离桩顶8 m和13 m处出现了桩身水平位移的最大值4.9 mm。桩身的弯矩在-272.8～385.5 kN·m范围内，其中弯矩最大值发生在距离桩顶8 m和13 m处，显然桩的水平位移最大处和弯矩最大处是桩的同一位置。桩身的剪力在-284.9～380.3 kN范围内，其中剪力最大值发生在钢支撑处，在第三道钢支撑处剪力最大，其值为380.3 kN。

1.3 基坑施工

车站采用明挖顺作法施工，围护结构采用钻孔灌注桩、桩间网喷、预应力钢支撑。车站土方开挖主要采用“纵向分段，竖向分层，中部拉槽”的方法。基坑施工支护充分考虑土的时空效应，支撑随挖随撑，快挖快撑。结合诱导缝及设计要求，每段长度控制在15～20 m之间。车站分为8个流水作业段从东向西进行土方开挖及结构施工。

钢支撑采用Φ609钢管(壁厚12 mm、14 mm)，为保证其加工质量，特在钢管厂内定做，分批加工并运到现场。钢围檩采用分批进钢板、工型钢和角钢在施工现场进行加工。钢支撑在现场组装成型，根据土方进度采用龙门吊进行安装。

车站土方开挖根据结构施工划分的区段，从基坑盾构端头井开始，从东向西倒退开挖，各段开挖由内马道出土。马道宽度为7～8 m，坡度为20°，坡道两侧放坡1∶0.75，保证坡面稳定。马道收土时采用两台挖掘机接力倒土，并尽量加大马道土方的收土，最后剩余土方采用长臂挖掘机配合龙门吊出土并装车外运。

2 数值模拟

根据工程情况以及计算结果绘制出支护结构施工图如图3所示。由于地铁工程基坑较深并且影响较大，所以采用有限元软件ADINA对基坑的支护结构进行数值模拟，其模拟过程与计算过程相同，共分7个过程，3 D模型如图4所示。

图3 支护结构施工图

图4 基坑3D模型图

模型中土层采用3D-solid单元，支护桩和钢支撑采用beam单元，工况采用生死单元设置[5]。

2.1 桩身位移分析

在模型中提取后处理结果，根据7个工况内桩身的水平位移和桩身的位置绘制桩的水平位移曲线图，如图5所示。

图5 支护桩水平位移曲线图

由图5可以看出，桩身水平位移在7个工况的时间内桩身的水平位移是在逐渐增大的。在工况1中桩身水平位移最大值为1.34 mm，发生在距离桩顶5 m处；在工况2中桩身水平位移最大值为1.98 mm，发生在距离桩顶6 m处；在工况3中桩身水平位移最大值为3.1 mm，发生在距离桩顶7 m处；在工况4中桩身水平位移最大值为3.98 mm，发生在距离桩顶8 m处；在工况5中桩身水平位移最大值为5.21 mm，发生在距离桩顶8.2 m处；在工况6中桩身水平位移最大值为6.32 mm，发生在距离桩顶9.5 m处；在工况7中桩身水平位移最大值为7.41 mm，发生在距离桩顶10 m处。

2.2 地表沉降分析

在模型中提取后处理结果，分别根据4次开挖的数据，提取地表的沉降值，根据地表沉降的数值与距离基坑的远近距离绘制相应的数值曲线如图6所示。

图6 地表沉降曲线图

由图6不难看出，地表沉降在逐渐增大，距离基坑由近及远地表沉降曲线呈现凹型[6-8]。在第1次开挖的时候地表最大沉降出现在距离基坑16.2 m处，其值为-15.67 mm，在基坑附近出现了基坑隆起；在第2次开挖的时候地表最大沉降出现在距离基坑17.4 m处其值为-19.84 mm，在基坑附近出现了基坑隆起；在第3次开挖的时候地表最大沉降出现在距离基坑17.6 m处其值为-23.98 mm，在基坑附近出现了基坑隆起。在第4次开挖的时候地表最大沉降出现在距离基坑17.9 m处其值为-30.35 mm，在基坑附近出现了基坑隆起。