趙天光 邊步榮 朱軍

摘要：南京某地鐵車站深基坑采用“地連墻+內(nèi)支撐”的支撐體系，為了研究地連墻的剛度對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和內(nèi)支撐受力的影響，以車站深基坑的標(biāo)準(zhǔn)段為研究載體，建立二維數(shù)值分析模型，對(duì)比分析并且總結(jié)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度變化引起地下連續(xù)墻側(cè)向位移，內(nèi)支撐彎矩變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度增加后，地下連續(xù)墻水平側(cè)移最大值所在位置下移，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度提升對(duì)于減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移效果不顯著；混凝土支撐正彎矩值隨著圍護(hù)墻剛度的增大而減小，負(fù)彎矩值隨著圍護(hù)墻剛度增大而增大，設(shè)計(jì)時(shí)通過增加圍護(hù)墻剛度來控制混凝土支撐彎矩是不經(jīng)濟(jì)的。

關(guān)鍵詞：圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度；地下墻側(cè)移；數(shù)值分析；內(nèi)支撐彎矩

0? ?引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，交通擁堵問題成為限制城市發(fā)展的重要瓶頸之一，為了緩解這一問題，以地鐵為代表的城市公共交通因旅客運(yùn)輸量大、準(zhǔn)點(diǎn)率高和環(huán)境影響效應(yīng)低等優(yōu)勢，在我國大中型城市得到了快速發(fā)展[1]。

地鐵車站通成修筑在城市中心區(qū)域或近郊，周邊環(huán)境復(fù)雜，各種構(gòu)建筑物和道路交通給地鐵車站的修建帶來了諸多挑戰(zhàn)。地鐵車站規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序繁瑣，也給地鐵車站修筑過程中的變形控制帶來了諸多困難[2]，尤其是軟土高壓縮性、強(qiáng)度低、承載力低的土體特性，更是給地鐵車站的施工帶來了很多困擾，因此在地鐵車站基坑開挖的過程中需要加強(qiáng)基坑的變形監(jiān)測與控制[3]。

為了給車站基坑提供強(qiáng)有力的安全保障，需要在基坑施工前，根據(jù)項(xiàng)目的工程地質(zhì)條件、支撐形式和施工工序，準(zhǔn)確預(yù)測基坑的變形和受力形式。近年來眾多學(xué)者對(duì)基坑開挖引起的地表變形規(guī)律進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的成果。

路林海等[4]建立了考慮土與結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的三維數(shù)值模型，研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計(jì)方案下基坑的圍護(hù)樁側(cè)移、坑外地表土體沉降和坑底土體回彈規(guī)律，為類似工程的設(shè)計(jì)提供了理論支撐。慕煥東等[5]對(duì)基坑開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化規(guī)律開展3組小比尺模型試驗(yàn)，探討基坑開挖后基坑支護(hù)樁身位移變化規(guī)律，對(duì)地鐵車站深基坑工程理論和施工具有重要指導(dǎo)意義。任建西等以西安黃土地區(qū)首個(gè)半幅鋪蓋法地鐵車站基坑為工程背景，對(duì)中立柱的變形機(jī)理及變形規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)坑底土體隆起影響最為顯著。采用鋼筋混凝土支撐加路面板組成的臨時(shí)路面系統(tǒng)和分八步實(shí)施的施工工序，可減小中立柱沉降值。

上述研究內(nèi)容為本文車站深基坑車站維護(hù)結(jié)構(gòu)的分析提供了良好參考。但我國地域廣闊，各地區(qū)地質(zhì)條件差異大，本文以南京市某地鐵車站深基坑進(jìn)行規(guī)律進(jìn)行施工模擬，得到了不同工況下深基坑的變形規(guī)律。在模型中對(duì)地連墻剛度進(jìn)行了多種情況對(duì)比，以分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，研究結(jié)果可為地連墻設(shè)計(jì)提供良好的理論基礎(chǔ)。

1? ?工程概況

南京某地鐵車站為地下二層標(biāo)準(zhǔn)車站，車站外包總長169m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度19.7m，基坑開挖深度16.7～18.2m。開挖范圍內(nèi)土層主要是黏土和粉質(zhì)黏土。車站開挖施工采用半蓋挖法施工，共設(shè)置29根格構(gòu)柱。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm地下連續(xù)墻，較基坑底部深28.46～30.05m。標(biāo)準(zhǔn)段及端頭井采用4道支撐加一道換撐，第一道采用800mm×1200mm混凝土支撐，標(biāo)準(zhǔn)段第二至四道采用Φ609、16mm厚鋼管撐，水平間距3m。

2? ?有限元模型分析

2.1? ?計(jì)算模型建立

對(duì)應(yīng)于車站基坑實(shí)際開挖方法，取地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段作為分析對(duì)象，建立2D有限元分析模型如圖1所示。模型分析先施工地連墻和格構(gòu)柱，然后依次進(jìn)行基坑開挖。

為了模擬方便，將實(shí)際第一層土方開挖從冠梁底部改為從地面開始開挖，每一次開挖都隨挖隨撐。第一次開挖至1.6m，第二次開挖到6.58m，第三次開挖到10.3m，第四次開挖到12.5m，第五次開挖到基坑底。模型選取范圍與基坑的開挖深度，土層的性質(zhì)以及基坑的形狀有關(guān)[6-7]，一般情況下對(duì)模型豎向的取值范圍約在1～2倍的基坑開挖深度[8]。

基坑的開挖深度為16.9m。取模型的尺寸為56.5m×

90m×16.9m。對(duì)于模型進(jìn)行如下假設(shè)：

土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料為各向同性，土體的本構(gòu)模型選用修正摩爾庫倫，混凝土和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置為彈性模型[9]。

定義土體屬性為2D實(shí)體單元，地下連續(xù)墻及鋼筋混凝土水平支撐為1D梁單元，水平鋼支撐為1D桁架單元[10-11]。不考慮排水固結(jié)及地下水滲流的影響。

2.2? ?參數(shù)選取

現(xiàn)場的地質(zhì)情況較為復(fù)雜，現(xiàn)結(jié)合開挖現(xiàn)場地質(zhì)報(bào)告，將模型的土體進(jìn)行合理簡化，得到土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.3? ?方案設(shè)計(jì)

設(shè)置3種不同的圍護(hù)墻剛度，來研究圍護(hù)墻剛度對(duì)基坑變形的影響。該基坑地連墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，連續(xù)墻厚度為800mm，將剛度設(shè)置為EI，設(shè)置以下3種工況研究地連墻剛度對(duì)基坑變形的影響。

方案一：地連墻選用C35混凝土，厚度為800mm。剛度為EI；方案二：地連墻選用C30混凝土，厚度為650mm。剛度約為0.75EI；方案三：地連墻選用C35混凝土，厚度為1000mm。剛度為1.25EI。

3? ?結(jié)果分析

3.1? ?不同剛度下圍護(hù)墻側(cè)移分析

不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移如圖2所示。在第五次開挖完成后，各個(gè)方案下地連墻水平側(cè)移最大值位于基坑開挖深度0.9～1.1倍之間。在原剛度EI條件下，地下連續(xù)墻最大水平偏移值為10.38mm。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻剛度變成原來的0.75倍時(shí)，地下連續(xù)墻最大水平偏移值為12.2mm，與原剛度下結(jié)果相比增大了約10.53%。而當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻的剛度變成原來的1.25倍時(shí)，地下連續(xù)墻最大水平側(cè)移值為9.58mm，比原剛度結(jié)果小了7.7%。且隨著地連墻剛度的增加，地連墻最大水平側(cè)移值所在位置下移。

3.2? ?不同剛度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力在不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下有著不同的分布狀況，通過上述3種圍護(hù)墻剛度下的數(shù)值分析模型，分析開挖完成后標(biāo)準(zhǔn)段某處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。各圍護(hù)墻剛度下混凝土支撐彎矩分布如圖3所示。

從圖3可以看出，混凝土支撐的正彎矩隨著圍護(hù)墻剛度的增大而減小，混凝土支撐負(fù)彎矩則隨著圍護(hù)強(qiáng)度增加而增大。但是3種圍護(hù)墻剛度下混凝土支撐正負(fù)彎矩最大值絕對(duì)值之和變化很小。可以近似的認(rèn)為，混凝土支撐彎矩分布隨著圍護(hù)墻剛度的增大，彎矩曲線沿著彈性混凝土支撐單元截面上移。

當(dāng)圍護(hù)墻剛度為0.75EI時(shí)，跨中彎矩為2441.42kN·m。原圍護(hù)墻剛度為EI時(shí)，跨中彎矩為2398.06kN·m。而當(dāng)圍護(hù)墻剛度變?yōu)?.25EI時(shí)，跨中彎矩為2257.57kN·m。

4? ?結(jié)束語

為了研究地連墻的剛度對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和內(nèi)支撐受力的影響，以車站深基坑的標(biāo)準(zhǔn)段為研究載體，建立二維數(shù)值分析模型，對(duì)比分析并且總結(jié)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度變化引起地下連續(xù)墻側(cè)向位移，內(nèi)支撐彎矩變化規(guī)律。得到研究結(jié)果如下：

1.25EI圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下的水平位移與原剛度EI下相比的減小了7.7%左右，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度增大25%時(shí)，變化幅度很小。圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度增加后，水平側(cè)移最大值所在位置會(huì)下移。由此說明，只增大圍護(hù)墻剛度來調(diào)整圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移是不經(jīng)濟(jì)的。在實(shí)際施工中還應(yīng)考慮其他影響因素，并結(jié)合工程實(shí)際情況注重調(diào)整整個(gè)支護(hù)體系的布置以達(dá)到控制基坑變形的目的。

混凝土支撐正彎矩值隨著圍護(hù)墻剛度的增大而減小，負(fù)彎矩值隨著圍護(hù)墻剛度增大而增大。EI下混凝土支撐跨中彎矩比0.75EI下的結(jié)果降低1.81%，1.25EI下混凝土支撐跨中彎矩比EI下的結(jié)果降低5.88%，圍護(hù)墻剛度的增加對(duì)減少混凝土支撐彎矩影響很小。設(shè)計(jì)時(shí)可通過增加圍護(hù)墻剛度，來控制混凝土支撐彎矩是不經(jīng)濟(jì)的。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉浩，種記鑫，李甲森，等. 地鐵盾構(gòu)施工對(duì)鄰近區(qū)域的擾

動(dòng)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2022，18（S1）：312-317.

[2] 臧延偉.軟土層厚度和基坑寬度對(duì)地鐵車站基坑變形的影

響[J].城市軌道交通研究，2022，25（9）： 105-110.

[3] 劉方明，郭幪.軟土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境下帶聯(lián)絡(luò)線地鐵車站深基

坑支護(hù)方案研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2021，41（S2）： 421-

428.

[4] 路林海，孫紅，王國富，等.地鐵車站支護(hù)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)

合深基坑變形[J].中國鐵道科學(xué)，2021，42（1）： 9-14.

[5] 慕煥東，鄧亞虹，張文棟，等.洛陽地鐵車站基坑支護(hù)變形

特性模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2021.43（S1）：198-203.

[6] 余剛剛.深基坑工程支護(hù)方案優(yōu)選與可靠性分析研究[D].

西安：西安建筑科技大學(xué)，2014.

[7] 丁聲敏，康愛群.巖土工程施工中深基坑支護(hù)問題探究[J].

世界有色金屬，2016（1）： 34-35.

[8] 王明.建筑深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].建筑技術(shù)開發(fā)，

2021，48（18）：142-144.

[9] 尹光明.城市隧道臨近建筑物超深基坑支護(hù)理論與安全控

制技術(shù)研究[D].武漢：中南大學(xué)，2012.

[10] 崔廣芹，徐煌華.承壓水深大基坑不同降水及支護(hù)數(shù)值模

擬分析[J].工程建設(shè)，2022，54（9）： 8-12.

[11] 梁爾斌.既有暗挖車站上蓋增層基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)研

究[J].城市軌道交通研究，2022，25（4）： 70-74.