劉召剛

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為水平支撐的地鐵深基坑分析
——以武漢地鐵3號(hào)線王家墩中心站為例

劉召剛

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

研究了大基坑采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為水平支撐的支護(hù)方案。建立載荷-結(jié)構(gòu)法三維有限元模型，對(duì)采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為水平支撐的大基坑支護(hù)方案進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。工程實(shí)踐證明：對(duì)于大基坑采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為水平支撐可提供較大的支護(hù)剛度，基坑施工安全、高效、環(huán)保。

武漢地鐵；深基坑；有限元分析；主體結(jié)構(gòu)環(huán)板；水平支撐

0 引言

明挖地鐵車站深基坑寬度一般為22 m左右，支撐體系通常為鋼筋混凝土支撐+鋼支撐。鋼支撐可提供較理想的支撐剛度，但基坑寬度若在50 m以上，常用的鋼支撐無(wú)法提供足夠的支撐剛度，一般采用多道鋼筋混凝土對(duì)撐或桁架撐。對(duì)于面積較大的深基坑，采用多道鋼筋混凝土支撐有以下問(wèn)題：1)支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后基坑才能繼續(xù)開(kāi)挖，工效低；2)支撐鑿除產(chǎn)生大量建筑垃圾，不環(huán)保；3)臨時(shí)結(jié)構(gòu)費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)效益差。

若采用常規(guī)的蓋挖逆作法，各層板留出土孔采用點(diǎn)式出土，出土效率低且開(kāi)挖環(huán)境差，必要時(shí)還需設(shè)置通風(fēng)照明設(shè)備來(lái)改善開(kāi)挖環(huán)境。若采用一部分主體結(jié)構(gòu)梁板作為基坑水平向支撐的環(huán)板支護(hù)體系，既能解決多道鋼筋混凝土支撐帶來(lái)的問(wèn)題，又能克服常規(guī)蓋挖逆作法開(kāi)挖環(huán)境差、出土效率低等缺點(diǎn)。

環(huán)板支撐方案的研究重點(diǎn)在于環(huán)板的縱向跨度和橫向?qū)挾鹊暮侠砣≈怠－h(huán)板寬度小有利于基坑開(kāi)挖，但水平向支撐剛度小，存在主體結(jié)構(gòu)梁、板、柱產(chǎn)生過(guò)量變形而開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)；環(huán)板寬度增大，水平向支撐剛度隨之增大，但增加蓋挖范圍會(huì)影響開(kāi)挖工效。

合理的環(huán)板支撐方案設(shè)計(jì)需對(duì)支護(hù)體系建立有限元模型，研究主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為水平向支撐的整體剛度及變形。在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)三維有限元分析方面已有較多文獻(xiàn)，有些是通過(guò)建立地層結(jié)構(gòu)模型，選擇理想塑性本構(gòu)模型進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值模擬分析[1-3],有些是建立三維載荷結(jié)構(gòu)模型對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析[4-7]。這些方法多為傳統(tǒng)蓋挖逆作法支護(hù)體系，而對(duì)地鐵深基坑采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為水平向支撐方案的研究和工程實(shí)例較少。本文結(jié)合武漢地鐵王家墩中心站基坑工程，對(duì)采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板支撐的大基坑支護(hù)體系進(jìn)行三維有限元計(jì)算，并與圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析；結(jié)合實(shí)際工程，說(shuō)明利用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案能使基坑開(kāi)挖更加安全、高效、環(huán)保。

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

車站位于王家墩商務(wù)區(qū)，為3號(hào)線和7號(hào)線十字側(cè)-島換乘車站。車站地下共4層。地下1層和地下2層為138.8 m×158 m 的矩形基坑，地下1層中間為下沉式廣場(chǎng)；地下3層為3號(hào)線(標(biāo)準(zhǔn)段寬32.9 m)與7號(hào)線(標(biāo)準(zhǔn)段寬52 m)十字交叉基坑；地下4層為7號(hào)線站臺(tái)層(標(biāo)準(zhǔn)段寬52 m)，黃海路隧道位于7號(hào)線站臺(tái)層兩側(cè)，與車站合建。地下1層采用放坡開(kāi)挖；地下2層采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板支撐的盆式開(kāi)挖法，其支護(hù)方案是本文的研究對(duì)象；地下3層和地下4層采用蓋挖逆作法施工。場(chǎng)地周邊環(huán)境良好，無(wú)交通疏解及管線改移。

1.2 地質(zhì)及水文環(huán)境

工程位于長(zhǎng)江一級(jí)階地，屬長(zhǎng)江堆積平原地貌單元，地層由全新統(tǒng)黏性土、砂性土及砂卵石層構(gòu)成。土層依次為〈1-2〉層填土、〈3-1〉層黏土、〈3-2〉層黏土、〈3-3〉層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、〈3-4〉層粉質(zhì)黏土夾粉土、〈3-5〉層粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉土及〈4-1〉層粉砂。

上層滯水主要賦存于〈1-2〉層中，其水量受大氣降水和人工排水的影響，無(wú)統(tǒng)一自由水面。孔隙承壓水主要賦存于〈4-1〉層粉砂中，與長(zhǎng)江有水力聯(lián)系。

〈3-3〉層和〈3-4〉層力學(xué)性能及自穩(wěn)性很差，〈3-5〉層和〈4-1〉層粉砂為強(qiáng)透水層，其滲透穩(wěn)定性差?？拥孜挥凇?-4〉和〈3-5〉層，連續(xù)墻嵌固8 m，墻底位于〈4-1〉層。地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soil layers

1.3 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基坑在3號(hào)線方向?qū)挾葹?38.8 m，在7號(hào)線方向?qū)挾葹?58 m。地下1層采用放坡開(kāi)挖，開(kāi)挖深度4.5 m，地下2層采用環(huán)板支撐開(kāi)挖，開(kāi)挖深度6.8 m，連續(xù)墻厚0.6 m，嵌固深度為8 m。坡底施工平臺(tái)超載取20 kPa。

地下2層基坑支撐考慮2種方案。

1)方案1采用3跨環(huán)板+鋼筋混凝土桁架撐方案?；?個(gè)方向環(huán)板寬度均取3跨，3號(hào)線方向環(huán)板寬度約21 m，7號(hào)線方向環(huán)板寬度約23 m。工程地處長(zhǎng)江一級(jí)階地，軟土層較厚，為防止環(huán)板側(cè)向變形開(kāi)裂，增加4個(gè)鋼筋混凝土斜向桁架撐控制環(huán)板變形。方案1見(jiàn)圖1(a)。

2)方案2基坑2個(gè)方向環(huán)板寬度均取4跨，取消鋼筋混凝土桁架撐。3號(hào)線方向環(huán)板寬度約28 m，7號(hào)線方向環(huán)板寬度約30 m。通過(guò)增加環(huán)板寬度控制其水平向變形。方案2如圖1(b)所示，剖面圖如圖1(c)所示。

環(huán)板厚度為300 mm。由于層高所限，設(shè)置1 000 mm×800 mm井字寬扁梁，混凝土等級(jí)為C40，鋼筋等級(jí)為HRB400；主體結(jié)構(gòu)柱采用直徑為 600 mm、壁厚為14 mm的鋼管混凝土柱，鋼管采用Q345鋼板卷制，混凝土等級(jí)為C60。

2 三維模型的建立

2.1 計(jì)算方法

地層結(jié)構(gòu)模型和載荷結(jié)構(gòu)模型是地下結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算的2種常用模型。前者可模擬地層與結(jié)構(gòu)的相互作用，商業(yè)程序較多，但計(jì)算結(jié)果的可靠性往往較差。巖土本構(gòu)模型及地層相關(guān)力學(xué)參數(shù)的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果有非常大的影響。

三維載荷結(jié)構(gòu)有限元模型將地層約束簡(jiǎn)化為土彈簧，計(jì)算原理與常用的豎向平面彈性地基梁法基本相同，但克服了豎向平面彈性地基梁法過(guò)于簡(jiǎn)化的缺點(diǎn)。對(duì)于寬大基坑的環(huán)板支撐體系，建立支護(hù)結(jié)構(gòu)全三維載荷結(jié)構(gòu)法有限元模型，能從整體上更好地把握環(huán)板結(jié)構(gòu)的受力及變形特征。

2.2 計(jì)算模型及邊界條件

結(jié)構(gòu)板及連續(xù)墻采用的shell63單元為4節(jié)點(diǎn)彈性殼單元，具有彎曲和膜特性，能承受面內(nèi)和法向荷載。梁及柱采用的beam188單元為3D線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧?，基于Timoshenko梁理論，包括剪切變形影響，適合分析細(xì)長(zhǎng)至中等細(xì)長(zhǎng)的梁結(jié)構(gòu)。

選取的殼單元與梁?jiǎn)卧鶠榫€性單元，滿足變形協(xié)調(diào)條件。模型不考慮梁的偏置，對(duì)環(huán)板水平向剛度的影響可忽略不計(jì)。殼單元與梁?jiǎn)卧灿霉?jié)點(diǎn)，無(wú)需建立2種單元聯(lián)結(jié)的多點(diǎn)約束方程，且梁?jiǎn)卧c殼單元的單剛矩陣可直接疊加。

地層土體約束采用Combin14彈簧單元模擬，單元?jiǎng)偠认禂?shù)Kh根據(jù)巖土詳勘報(bào)告提供的基床系數(shù)計(jì)算得到。

Kh=khbh。

式中：kh為地基土的水平向基床系數(shù)，kN/m3；b和h為基坑被動(dòng)區(qū)地下連續(xù)墻shell單元水平向與豎向長(zhǎng)度，m。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 1-1(2-2)剖面圖

由于結(jié)構(gòu)大部分處于較厚的軟土地層，且工程規(guī)模大、施工時(shí)間長(zhǎng)，所以按靜止土壓力荷載進(jìn)行計(jì)算，黏性土采用水土合算，砂土采用水土分算。被動(dòng)區(qū)施加彈簧單元模擬被動(dòng)區(qū)土層約束，連續(xù)墻及鋼管柱底端采用鉸接約束，不考慮土體對(duì)鋼管柱的水平向約束作用，盡量減小柱對(duì)支護(hù)體系水平向剛度的影響。由于結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷4個(gè)角點(diǎn)的位移接近于0，為防止模型產(chǎn)生剛體位移，對(duì)4個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行水平約束。方案1和方案2的有限元模型如圖2所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

3 有限元計(jì)算結(jié)果

采用3跨環(huán)板+角部鋼筋混凝土桁架撐方案，3號(hào)線方向環(huán)板及鋼管混凝土柱的水平向變形最大值(連續(xù)墻頂部位移)為4 mm，7號(hào)線方向?yàn)?.2 mm(見(jiàn)圖3(a))；桁架撐軸力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到4 700 kN，2個(gè)方向環(huán)板跨中位置出現(xiàn)1 500 kN的拉力。采用4跨環(huán)板支撐方案，3號(hào)線方向環(huán)板水平向變形最大值(連續(xù)墻頂部位移)為2.3 mm，7號(hào)線方向?yàn)?.5 mm(見(jiàn)圖3(b))。

計(jì)算結(jié)果表明：方案1控制變形的效果明顯不如方案2；增加的4個(gè)斜向鋼筋混凝土桁架撐，相對(duì)于138.8 m×158 m跨度的基坑，能提供的支撐剛度是有限的。

鋼筋混凝土桁架撐跨度較大，總共需要增加24根中間臨時(shí)立柱及立柱樁基礎(chǔ)；4個(gè)象限的桁架撐對(duì)基坑出土棧橋的設(shè)置及開(kāi)挖效率也有一定影響；桁架撐軸力較大，在結(jié)構(gòu)板上會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，節(jié)點(diǎn)的處理使問(wèn)題復(fù)雜化。

方案2采用4跨環(huán)板作為水平向支撐，環(huán)板及鋼管混凝土柱水平向變形非常小。4跨環(huán)板能提供足夠的支撐剛度，而且取消桁架撐后能為大面積基坑提供寬闊的開(kāi)挖環(huán)境。方案2較方案1可進(jìn)一步節(jié)約造價(jià)約200萬(wàn)元，節(jié)約工期約2個(gè)月，能確?；邮┕じ影踩?、高效、環(huán)保。

(a) 方案1

(b) 方案2

4 基坑開(kāi)挖方案

大基坑常采用分區(qū)開(kāi)挖的方法，合理的開(kāi)挖順序是控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵?；悠矫鏋?38.8 m×158 m，地下2層土方共計(jì)13.1萬(wàn)m2，開(kāi)挖應(yīng)充分考慮對(duì)稱、減跨、平衡的原則，分2個(gè)階段進(jìn)行開(kāi)挖。地下1層環(huán)板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，首先進(jìn)行核心土開(kāi)挖，然后進(jìn)行盆邊土開(kāi)挖。為進(jìn)一步控制環(huán)板變形，將環(huán)板下土方分成8個(gè)開(kāi)挖區(qū)域，如圖4所示。首先，開(kāi)挖3號(hào)線方向(寬138.8 m)角部(1區(qū)和2區(qū))土體，澆筑角部地下2層底板；然后，開(kāi)挖短邊跨中土體(3區(qū))，迅速將1，2，3區(qū)底板封閉；接著，以同樣的順序開(kāi)挖另一邊環(huán)板下土體；最后，在3號(hào)線方向兩側(cè)底板封閉形成“對(duì)撐”后，開(kāi)挖7號(hào)線方向(寬158 m)跨中土體(7區(qū)和8區(qū))。合理的開(kāi)挖順序?qū)Νh(huán)板可以起到減跨的作用，可進(jìn)一步減小環(huán)板的水平向變形。

5 實(shí)施效果

連續(xù)墻頂部的水平向變形即為主體結(jié)構(gòu)環(huán)板的水平向變形，盡管連續(xù)墻整體變形量與計(jì)算值有一定差異，但頂部變形量與計(jì)算值基本相當(dāng)(見(jiàn)圖5)。連續(xù)墻跨中計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏大可能有2方面原因：1)計(jì)算時(shí)偏保守地假定地下2層一次性開(kāi)挖到底，而實(shí)際開(kāi)挖時(shí)對(duì)盆邊土進(jìn)行分區(qū)分部開(kāi)挖，對(duì)控制連續(xù)墻的變形更有利；2)土壓力偏保守，采用的是靜止土壓力。

圖4 環(huán)板下基坑開(kāi)挖分區(qū)圖

圖5 實(shí)測(cè)曲線與計(jì)算曲線對(duì)比

從工程實(shí)施效果來(lái)看，采用三維載荷-結(jié)構(gòu)法有限元模型對(duì)環(huán)板支撐方案進(jìn)行分析預(yù)測(cè)效果較好。分析后進(jìn)一步簡(jiǎn)化了支撐，直接采用4跨環(huán)板方案，環(huán)板及連續(xù)墻的實(shí)測(cè)變形值均在計(jì)算值范圍內(nèi)。超大基坑實(shí)現(xiàn)了安全、高效、環(huán)保的施工目標(biāo)。

6 結(jié)論與討論

建立三維載荷-結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)武漢地鐵王家墩中心站大基坑采用環(huán)板支撐方案進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析及工程實(shí)踐，有以下認(rèn)識(shí)：

1)三維載荷-結(jié)構(gòu)法有限元模型與當(dāng)前常用的豎向平面彈性地基梁法計(jì)算原理基本相同，模型簡(jiǎn)單明確。建立支護(hù)結(jié)構(gòu)全三維有限元模型，能克服二維彈性地基梁法模型過(guò)于簡(jiǎn)化的缺點(diǎn)，尤其對(duì)于大基坑的環(huán)板支撐體系，能從整體上分析環(huán)板的支護(hù)剛度，把握環(huán)板結(jié)構(gòu)的受力及變形特征。

2)對(duì)于面積較大的深基坑，采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為水平支撐可以提供較大的支撐剛度。本工程地處長(zhǎng)江一級(jí)階地軟土地層，地下2層138.8 m×158 m的大基坑沒(méi)有使用一根臨時(shí)支撐，但也安全、高效地完成了基坑開(kāi)挖。

目前，地鐵與物業(yè)相結(jié)合的大基坑越來(lái)越多，實(shí)踐證明，大基坑采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為水平支撐具有良好的社會(huì)效益。今后可進(jìn)一步研究環(huán)板預(yù)留寬度、厚度、開(kāi)孔形狀等參數(shù)與環(huán)板內(nèi)力分布及基坑變形的關(guān)系，使大基坑采用環(huán)板作為水平支護(hù)體系的設(shè)計(jì)與施工更加科學(xué)合理。

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“北京大外環(huán)”最晚2016年通車

“北京大外環(huán)”高速公路，又稱首都地區(qū)環(huán)線高速公路，含張涿高速、張承高速、承平高速、密涿高速和廊涿高速等，規(guī)劃總里程約940 km，其中河北省境內(nèi)約850 km。目前部分路段還存在“斷頭路”現(xiàn)象。而在北京境內(nèi)包括密云至涿州高速北京段、承德至平谷高速北京段，只有近90 km。京津冀將交通一體化作為京津冀區(qū)域協(xié)同發(fā)展的先行領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)區(qū)域規(guī)劃“一張圖”，“北京大外環(huán)”高速公路最遲2016年全線貫通。

屆時(shí)，河北省按順時(shí)針?lè)较驅(qū)⒂芯┏?、密涿、承平、京秦、京哈、京臺(tái)、大廣、京港澳、京昆、京新和京藏11條高速公路呈聚合狀直達(dá)北京。京冀交通一體化進(jìn)程全面提速，環(huán)首都經(jīng)濟(jì)圈加速形成。

據(jù)悉，北京大外環(huán)高速公路，河北省境內(nèi)目前已建成通車?yán)确恢龄弥荻巍⒕┬赂咚俸颖倍?、張承高速?gòu)埣铱谥脸缍Y段、承唐高速承德至興隆段和張涿高速?gòu)埣铱诙?，共約335 km。建成公里數(shù)大約是北京大外環(huán)高速公路總里程的1/3。

“大外環(huán)”中途經(jīng)北京境內(nèi)的密涿高速已經(jīng)啟動(dòng)前期建設(shè)，涉及大興區(qū)、通州區(qū)、平谷區(qū)和密云縣。

規(guī)劃線位從大興區(qū)南部與廊坊市交界處，向東北經(jīng)京滬高速公路、京津高速公路，跨越北運(yùn)河、潮白河后，線位進(jìn)入河北省，穿過(guò)廊坊市北三縣，從平谷區(qū)向北進(jìn)入北京市界內(nèi)，再向北至市界與河北段線位相接。

北京市規(guī)劃部門(mén)表示，媒體報(bào)道中經(jīng)常提到的“新七環(huán)”就是指規(guī)劃建設(shè)中的“大外環(huán)”。

(摘自 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì) http://www.cces.net.cn/guild/sites/tmxh/read_zhxw_39402.html 2014-05-05)

AnalysisonComplicatedDeepMetroFoundationPitSupportedbyRingPlateSubstructuresCaseStudyonWangjiadunCenterStationonLine3ofWuhanMetro

LIU Zhaogang

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Ring plate substructures have been used as the bracing of the deep foundation pit of Wangjiadun Center Station on Line 3 of Wuhan Metro.In the paper,3D load structure model is established and analysis is made on the deep Metro foundation pit supported by ring plate substructures,and the measured data are compared with the simulation results.The engineering practice shows that the ring plate support system can provide high support rigidity and the construction of the deep foundation pit can be completed safely,efficiently and environment-friendly.

Wuhan Metro; deep foundation pit; finite element analysis; ring plate substructure; lateral bracing

2014-02-24;

2014-04-14

大型地鐵車站蓋挖逆作法關(guān)鍵技術(shù)研究(隧研合2012-11)

劉召剛(1980—)，男，陜西岐山人，2007年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，港口、海岸及近海工程專業(yè)，碩士，工程師，從事巖土工程設(shè)計(jì)工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.006

U 45

A

1672-741X(2014)05-0423-05