砂卵石地层地铁车站基坑咬合桩围护结构参数分析

张晓涛 贾方毅

车站基坑变形将受车站所处地层、开挖规模与围护结构形式等因素的影响，控制施工中的位移变形和减小对邻近建筑物的影响是学者们的研究热点。以洛阳轨道交通1号线塔湾站深基坑工程为依托，利用有限元软件GTS对基坑开挖过程进行数值模拟，对洛阳砂卵石地层车站基坑咬合桩直径和桩间距2个参数进行分析。研究结果表明：咬合桩直径对围护结构水平位移影响最大，基坑及地表位移次之。围护结构、基坑及地表最大位移与咬合桩直径大小负相关；相对于咬合桩直径，桩间距的变化对围护结构、基坑及地表最大位移变形的影響幅度相对较小，围护结构、基坑及地表最大位移与咬合桩桩间距大小负相关。

砂卵石地层； 车站基坑； 数值模拟； 咬合桩； 位移变形

TU94+2 A

［定稿日期］2021-12-26

［作者简介］张晓涛（1990—），男，本科，工程师，从事市政工程施工技术管理工作。

随着城市经济的快速发展和人口数量的增长，地铁建设的需求日益增大。大量的地铁建设使得更多的深基坑工程出现在城市建筑密集地区，而由于基坑开挖导致的地面塌陷和邻近建筑出现不均匀沉降甚至破坏的情况时有发生。通过大量事故分析，基坑支护结构变形过大是导致地表和邻近建筑物发生沉降的主要原因之一［1］。因此，针对车站基坑施工中结构变形过大以及减小开挖对邻近建筑物的影响，许多学者进行了研究。

在施工前或者施工过程中，对基坑变形做出预测并根据结果指导支护施工方案，可合理控制基坑变形。俞钦钦等［2-4］通过现场基坑施工监测数据和数值模拟，得到不同基坑施工中地表和周围建筑物的沉降规律，并给出了相应的沉降预测方法，可对类似工程提供一定参考；在基坑支护方案设计上，陈明［5］对昆明地区的典型基坑进行数值模拟研究，结果表明增大围护结构刚度和锚杆预应力可以有效控制地表沉降，减小基坑开挖对邻近建筑物的影响。孙学谨等［6］依托苏州市深基坑研究了基坑支护体系对基坑变形的影响，结果表明采用地连墙+5道内支撑是最合理的围护方案；柏挺等［7］以莞惠城际轨道工程深基坑为例，研究地下水位、钢支撑的预应力等因素对基坑变形的影响，给出了方案优化排序；徐杨青［8］对深基坑桩锚支护结构优化设计进行了研究，给出了主要优化途径；张昌桔［9］进行有限元分析并与基坑监测数据的对比，证明了坑内加桩组合桩撑支护结构的合理性和可靠性；李兵等［10］依托沈阳地铁深基坑工程进行数值模拟，发现围护桩埋深对建筑物变形影响较大，加大围护桩埋深可减小邻近建筑物变形。

由于钻孔咬合桩具有防水效果好、造价低等特点，开始被应用于我国地下工程围护结构中［11］。在不同地区地层，不同的围护结构参数对基坑开挖中的位移变形有明显影响，其中咬合桩直径和桩间距均是基本参数之一。由此，以洛阳轨道交通1号线塔湾站深基坑工程为依托，研究在洛阳砂卵石地层条件下，施工常见的咬合桩直径和桩间距对基坑开挖的影响。采用数值模拟的方法对车站基坑开挖过程进行模拟，分别对基坑开挖过程中围护桩墙的水平位移、基坑隆起及邻近地表位移进行对比分析，为今后类似工程提供一定参考。

1 工程概况

1.1 基坑概况

文章以洛阳轨道交通1号线塔湾站深基坑工程为背景。塔湾站为地下2层岛式车站，全长203.6 m，结构标准段总宽度20.7 m；基坑开挖深度为19.4 m。基坑与建筑物位置关系如图1所示。

根据钻探揭露，塔湾站内地层结构自上而下依次为：杂填土、黄土状粉质黏土、细砂、卵石土，黄土质粉土，基坑底部所在地层为密实卵石。各土层物理参数见表1。

塔湾站平均水位基本在基坑底部以上，开挖之前需降水至基坑底部开挖面以下。考虑降水前水头为地下9.6 m，经降水设计后，采用40口管井降水至地下24 m，满足降水要求。

1.2 基坑支护方案

基坑围护结构采用钻孔灌注桩和素混凝土止水桩咬合止水，盾构井处桩长度26 m，标准段桩长度24.5 m。钻孔灌

注桩桩径为1 m，间距1.5 m，桩间素混凝土桩桩长同钻孔灌注桩。其中钻孔灌注桩为C35钢筋混凝土桩，素混凝土桩为C20素混凝土桩。

基坑开挖遵循“分段分层、由上而下、先撑后挖”的原则。对于标准段，基坑竖向开挖分4层进行，开挖至每层设计标高，分别设置1道钢筋混凝土支撑、3道钢支撑；对于盾构井段，基坑竖向开挖分5层进行，分别设置1道钢筋混凝土支撑、3道钢支撑。

2 计算模型及参数

根据基坑与周围建筑物关系，建立三维数值模型如图2所示，模型尺寸为：135 m（沿隧道横向）×314 m（沿隧道纵向）×55.5 m（沿土层深度方向）。

模型建立时底面采用x、y、z 3方向均约束，与x轴垂直的两面均采用x方向约束，与y轴垂直两面均采用y方向约束，模型顶面无约束为自由面；模型中荷载均考虑各土层和构筑物的自重荷载；建筑物侧墙、围护结构采用线弹性模型，土体采用修正摩尔库仑模型。同时模型假定条件为：①土体和结构材料均是均质、连续及各项同性的；②地表面和各土层呈匀质水平层状分布，各土层厚度相同；③初始地应力只考虑土体的自重应力；④基坑开挖施工期间，既有结构考虑非地震组合工况；⑤假定基坑围护结构及土体之间符合变形协调原则；⑥将基坑支护结构的咬合桩利用等效抗弯刚度等效成地下连续墙［12］；⑦考虑降水流固耦合作用。

EAIA+EBIB=ECLh312（1）

EC=EAAA+EBABAA+AB（2）

式中：EA为咬合桩A桩弹性模量；EB为咬合桩B桩配筋后弹性模量；EC为等效桩墙弹性模量；IA、IB分别为咬合桩A桩、B桩桩截面惯性矩；AA、AB分别为咬合桩A桩、B桩桩截面面积；h为等效桩墙厚度（图3）。

计算模型中基坑围护结构与建筑外墙及底板采用板单元，混凝土支撑、钢支撑、立柱与降水井采用梁单元，止水帷幕采用界面单元。围护结构材料参数见表2。

本次模拟只改变围护结构，其余参数不变，在已有模型基础上，提取6种工况下的标准段基坑变形对咬合桩参数进行分析，工况参数见表3。基坑整体开挖模型见图4。

3 计算结果分析

为了对洛阳砂卵石地层基坑咬合桩围护结构参数进行分析，本文以工程实际为基础，在不同直径和桩间距下对基坑开挖过程中围护桩墙、基坑及邻近地表位移进行对比分析。

3.1 咬合桩直径对基坑开挖影响规律

以标准段基坑开挖模型为研究对象，提取工况1～工况3长边中点各个工况水平位移结果，各工况墙体水平位移对比曲线如图5所示。

由围护桩墙水平位移变形曲线可以看出，围护结构水平位移在顶部和墙趾处水平位移值较小，水平位移呈“弓”形分布，三工况水平位移最大值均出现在开挖深度13.7 m左右位置。随着咬合桩直径的减小，围护结构最大水平位移呈增大趋势，工况1为2.65 mm，工况2为3.57 mm，工况3为4.02 mm。工况3较工况1增大1.37 mm，增幅为51.7%。由图可知，地下连续墙体的水平位移随着咬合桩直径增加而减小，咬合桩直径对于限制围护结构水平位移具有显著作用。

提取工况1～工况3标准段模型基坑位移模拟结果，不同工况下基坑整体及地层竖向位移云图如图6所示。

由图6可知，基坑的竖向位移主要体现在基坑两侧沉降及坑底隆起。随着咬合桩直径的减小，基坑底部隆起最大值逐渐增大，工况1为2.13 mm，工况2为2.44 mm，工况3为2.61 mm。工况3相比工况1增加了0.48 mm，增幅为22.54%。

选取标准段模型中部垂直于基坑长边的一个断面，提取不同工况的周边地表沉降数据，绘制地表沉降变形曲线如图7所示。

由图7可知，随着咬合桩直径减小，邻近地表沉降最大值逐渐增大，工况1地表沉降最大值为2.3 mm，工况2地表沉降最大值2.6 mm，工况3地表沉降最大值2.72 mm。工况3相对工况1增大了0.42 mm，增幅为18.26%。三工况地表沉降最大值均在距基坑边缘9 m左右。

3.2 咬合桩间距对基坑开挖影响规律研究

以标准段基坑开挖模型为研究对象，提取长边中点各个工况水平位移结果，各工况墙体水平位移对比曲线如图8所示。

由图8可知，围护桩墙整体水平位移规律与上文分析一致。随着咬合桩桩间距的增大，围护结构最大水平位移呈增大趋势，工况4为2.65 mm，工况5为3.07 mm，工况6为3.50 mm。工况6相对于工况4增大了0.45 mm，增幅为16.7%。地下连续墙体的水平位移随着咬合桩桩间距增加而增大，这表明咬合桩桩间距对于限制围护结构的水平位移具有明显作用。

提取工况4～工况6标准段模型基坑位移模拟结果，不同工况下基坑整体及地层竖向位移云图如图9所示。

由图9可知，随着咬合桩间距的增大，基坑底部隆起最大值逐渐增大，工况4为2.13 mm，工况5为2.2 mm，工况6为2.3 mm。工况6相对于工况4增大了0.17 mm，增幅为7.98%。

选取标准段模型中部垂直于基坑长边的一个断面，提取不同工况的地表沉降数据，绘制地表沉降变形曲线如图10所示。

由图10可知，随着咬合桩桩间距增大，邻近地表沉降最大值逐渐增大，工况4地表沉降最大值为2.3 mm，工况5地表沉降最大值2.4 mm，工况6地表沉降最大值2.5 mm。工况6相对工况4增大了0.2 mm，增幅为8.70%。三工况地表沉降最大值均在距基坑边缘9 m左右。

4 结论

依托洛阳市轨道交通1号线塔湾站基坑工程，采用数值模拟的研究方法，在不同咬合桩参数下，对砂卵石地层基坑开挖过程中围护桩墙的水平位移，基坑隆起及邻近地表位移进行对比分析，得出几点主要结论：

（1）文中在对咬合桩的直径及间距进行分析时，利用等效抗弯刚度原理以连续墙进行等效表征，计算结果表明该种处理方式能够满足计算分析的精度需求。

（2）咬合桩直径对围护结构水平位移影响最大，基坑隆起及邻近地表沉降次之，随咬合桩直径减小，围护结构、基坑及地表最大位移变形由2.65 mm、2.13 mm、2.30 mm增大至4.02 mm、2.61 mm、2.72 mm，其中围护结构最大位移增幅最多为51.70%，基坑与邻近地表最大位移增幅分别为22.54%、18.26%。

（3）相对于咬合桩直径，桩间距的变化对围护结构、基坑及地表最大位移变形的影响幅度相对较小，随咬合桩桩间距增加，围护结构、基坑及地表最大位移变形由2.65 mm、2.13 mm、2.30 mm增大至3.50 mm、2.30 mm、2.50 mm，增幅分别为32.08%、7.98%、8.70%。

参考文献

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