劉召剛

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，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號線王家墩中心站為例

劉召剛

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，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方案。建立載荷-結(jié)構(gòu)法三維有限元模型，對采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為水平支撐的大基坑支護方案進行了計算，并將計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。工程實踐證明：對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，常用的鋼支撐無法提供足夠的支撐剛度，一般采用多道鋼筋混凝土對撐或桁架撐。對于面積較大的深基坑，采用多道鋼筋混凝土支撐有以下問題：1)支撐達到設(shè)計強度后基坑才能繼續(xù)開挖，工效低；2)支撐鑿除產(chǎn)生大量建筑垃圾，不環(huán)保；3)臨時結(jié)構(gòu)費用較高，經(jīng)濟效益差。

若采用常規(guī)的蓋挖逆作法，各層板留出土孔采用點式出土，出土效率低且開挖環(huán)境差，必要時還需設(shè)置通風(fēng)照明設(shè)備來改善開挖環(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)板支護體系，既能解決多道鋼筋混凝土支撐帶來的問題，又能克服常規(guī)蓋挖逆作法開挖環(huán)境差、出土效率低等缺點。

環(huán)板支撐方案的研究重點在于環(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)生過量變形而開裂的風(fēng)險；環(huán)板寬度增大，水平向支撐剛度隨之增大，但增加蓋挖范圍會影響開挖工效。

合理的環(huán)板支撐方案設(shè)計需對支護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。在深基坑支護結(jié)構(gòu)三維有限元分析方面已有較多文獻，有些是通過建立地層結(jié)構(gòu)模型，選擇理想塑性本構(gòu)模型進行開挖過程數(shù)值模擬分析[1-3],有些是建立三維載荷結(jié)構(gòu)模型對基坑支護結(jié)構(gòu)進行整體分析[4-7]。這些方法多為傳統(tǒng)蓋挖逆作法支護體系，而對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例較少。本文結(jié)合武漢地鐵王家墩中心站基坑工程，對采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板支撐的大基坑支護體系進行三維有限元計算，并與圍護結(jié)構(gòu)實測數(shù)據(jù)進行對比分析；結(jié)合實際工程，說明利用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板作為基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案能使基坑開挖更加安全、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號線和7號線十字側(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；地下3層為3號線(標(biāo)準(zhǔn)段寬32.9 m)與7號線(標(biāo)準(zhǔn)段寬52 m)十字交叉基坑；地下4層為7號線站臺層(標(biāo)準(zhǔn)段寬52 m)，黃海路隧道位于7號線站臺層兩側(cè)，與車站合建。地下1層采用放坡開挖；地下2層采用主體結(jié)構(gòu)環(huán)板支撐的盆式開挖法，其支護方案是本文的研究對象；地下3層和地下4層采用蓋挖逆作法施工。場地周邊環(huán)境良好，無交通疏解及管線改移。

1.2 地質(zhì)及水文環(huán)境

工程位于長江一級階地，屬長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，無統(tǒng)一自由水面?？紫冻袎核饕x存于〈4-1〉層粉砂中，與長江有水力聯(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〉層粉砂為強透水層，其滲透穩(wěn)定性差。坑底位于〈3-4〉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 基坑支護方案設(shè)計

基坑在3號線方向?qū)挾葹?38.8 m，在7號線方向?qū)挾葹?58 m。地下1層采用放坡開挖，開挖深度4.5 m，地下2層采用環(huán)板支撐開挖，開挖深度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?；?個方向環(huán)板寬度均取3跨，3號線方向環(huán)板寬度約21 m，7號線方向環(huán)板寬度約23 m。工程地處長江一級階地，軟土層較厚，為防止環(huán)板側(cè)向變形開裂，增加4個鋼筋混凝土斜向桁架撐控制環(huán)板變形。方案1見圖1(a)。

2)方案2基坑2個方向環(huán)板寬度均取4跨，取消鋼筋混凝土桁架撐。3號線方向環(huán)板寬度約28 m，7號線方向環(huán)板寬度約30 m。通過增加環(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，混凝土等級為C40，鋼筋等級為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，混凝土等級為C60。

2 三維模型的建立

2.1 計算方法

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)的選取對計算結(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化為土彈簧，計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于簡化的缺點。對于寬大基坑的環(huán)板支撐體系，建立支護結(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)變梁單元，基于Timoshenko梁理論，包括剪切變形影響，適合分析細(xì)長至中等細(xì)長的梁結(jié)構(gòu)。

選取的殼單元與梁單元均為線性單元，滿足變形協(xié)調(diào)條件。模型不考慮梁的偏置，對環(huán)板水平向剛度的影響可忽略不計。殼單元與梁單元共用節(jié)點，無需建立2種單元聯(lián)結(jié)的多點約束方程，且梁單元與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，單元剛度系數(shù)Kh根據(jù)巖土詳勘報告提供的基床系數(shù)計算得到。

Kh=khbh。

式中：kh為地基土的水平向基床系數(shù)，kN/m3；b和h為基坑被動區(qū)地下連續(xù)墻shell單元水平向與豎向長度，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、施工時間長，所以按靜止土壓力荷載進行計算，黏性土采用水土合算，砂土采用水土分算。被動區(qū)施加彈簧單元模擬被動區(qū)土層約束，連續(xù)墻及鋼管柱底端采用鉸接約束，不考慮土體對鋼管柱的水平向約束作用，盡量減小柱對支護體系水平向剛度的影響。由于結(jié)構(gòu)基本對稱，根據(jù)工程經(jīng)驗判斷4個角點的位移接近于0，為防止模型產(chǎn)生剛體位移，對4個角點進行水平約束。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號線方向為8.2 mm(見圖3(a))；桁架撐軸力標(biāo)準(zhǔn)值達到4 700 kN，2個方向環(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號線方向為5.5 mm(見圖3(b))。

計算結(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個斜向鋼筋混凝土桁架撐，相對于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根中間臨時立柱及立柱樁基礎(chǔ)；4個象限的桁架撐對基坑出土棧橋的設(shè)置及開挖效率也有一定影響；桁架撐軸力較大，在結(jié)構(gòu)板上會產(chǎn)生應(yīng)力集中，節(jié)點的處理使問題復(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挖環(huán)境。方案2較方案1可進一步節(jié)約造價約200萬元，節(jié)約工期約2個月，能確?；邮┕じ影踩?、高效、環(huán)保。

(a) 方案1

(b) 方案2

4 基坑開挖方案

大基坑常采用分區(qū)開挖的方法，合理的開挖順序是控制圍護結(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13.1萬m2，開挖應(yīng)充分考慮對稱、減跨、平衡的原則，分2個階段進行開挖。地下1層環(huán)板混凝土達到設(shè)計強度后，首先進行核心土開挖，然后進行盆邊土開挖。為進一步控制環(huán)板變形，將環(huán)板下土方分成8個開挖區(qū)域，如圖4所示。首先，開挖3號線方向(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，以同樣的順序開挖另一邊環(huán)板下土體；最后，在3號線方向兩側(cè)底板封閉形成“對撐”后，開挖7號線方向(寬158 m)跨中土體(7區(qū)和8區(qū))。合理的開挖順序?qū)Νh(huán)板可以起到減跨的作用，可進一步減小環(huán)板的水平向變形。

5 實施效果

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)墻整體變形量與計算值有一定差異，但頂部變形量與計算值基本相當(dāng)(見圖5)。連續(xù)墻跨中計算值比實測值偏大可能有2方面原因：1)計算時偏保守地假定地下2層一次性開挖到底，而實際開挖時對盆邊土進行分區(qū)分部開挖，對控制連續(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)板下基坑開挖分區(qū)圖

圖5 實測曲線與計算曲線對比

從工程實施效果來看，采用三維載荷-結(jié)構(gòu)法有限元模型對環(huán)板支撐方案進行分析預(yù)測效果較好。分析后進一步簡化了支撐，直接采用4跨環(huán)板方案，環(huán)板及連續(xù)墻的實測變形值均在計算值范圍內(nèi)。超大基坑實現(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，對武漢地鐵王家墩中心站大基坑采用環(huán)板支撐方案進行了計算，通過結(jié)構(gòu)分析及工程實踐，有以下認(rèn)識：

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算原理基本相同，模型簡單明確。建立支護結(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于簡化的缺點，尤其對于大基坑的環(huán)板支撐體系，能從整體上分析環(huán)板的支護剛度，把握環(huán)板結(jié)構(gòu)的受力及變形特征。

2)對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。本工程地處長江一級階地軟土地層，地下2層138.8 m×158 m的大基坑沒有使用一根臨時支撐，但也安全、高效地完成了基坑開挖。

目前，地鐵與物業(yè)相結(jié)合的大基坑越來越多，實踐證明，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效益。今后可進一步研究環(huán)板預(yù)留寬度、厚度、開孔形狀等參數(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)板作為水平支護體系的設(shè)計與施工更加科學(xué)合理。

[1]鄧子勝.深基坑空間效應(yīng)分析方法研究與應(yīng)用進展[J].巖土工程界,2005,8(2):29-30.

[2]陸新征,宋二祥,吉林,等.某特深基坑考慮支護結(jié)構(gòu)與土體共同作用的三維有限元分析[J].巖土工程學(xué)報,2003(4):104-107.(LU Xinzheng,SONG Erxiang,JI Lin，et al.3-Dimensional FEA for the interaction between supporting structure of excavation and soil in a very deep pit[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2003(4):104-107.(in Chinese))

[3]張鴻儒，侯永峰.深基坑逆作開挖的三維效應(yīng)數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報，2006(S1):17-19.( ZHANG Hongru,HOU Yongfeng.Numerical analysis of 3D-effect of a deep excavation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006(S1):17-19.(in Chinese))

[4]芮瑞，夏元友.基于三維有限元的地下連續(xù)墻深基坑逆作法施工方案設(shè)計[J].巖土力學(xué)，2008，29(5):248-252.(RUI Rui,XIA Yuanyou.Construction scheme design for deep foundation pit constructed by “top-down” method based on 3D FEM[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(5):248-252.(in Chinese))

[5]徐營營，徐中華，王建華，等.采用逆作法的超大型深基坑三維有限元分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2005(5)：143-146.(XU Yingying,XU Zhonghua,WANG Jianhua，et al.Three dimensional FEM analysis of a specially big & deep excavation using top-down method[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2005(5):143-146.(in Chinese))

[6]沈建，王建華，高紹武.基于 “m” 法的深基坑支護結(jié)構(gòu)三維分析方法 [J].地下空間與工程學(xué)報，2005(4):50-53.(SHEN Jian，WANG Jianhua，GAO Shaowu.3-D analysis method of retaining structure of deep excavation based on “M” method[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2005 (4):50-53.(in Chinese))

[7]王建華,范巍，王衛(wèi)東，等.空間m法在深基坑支護結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報，2006(S1):24-27.(WANG Jianhua,FAN Wei,WANG Weidong，et al.Application of 3D m-method in analysis of retaining structures of deep excavation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006(S1):24-27.(in Chinese))

“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，河北省按順時針方向?qū)⒂芯┏?、密涿、承平、京秦、京哈、京臺、大廣、京港澳、京昆、京新和京藏11條高速公路呈聚合狀直達北京。京冀交通一體化進程全面提速，環(huán)首都經(jīng)濟圈加速形成。

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?、張承高速張家口至崇禮段、承唐高速承德至興隆段和張涿高速張家口段，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，跨越北運河、潮白河后，線位進入河北省，穿過廊坊市北三縣，從平谷區(qū)向北進入北京市界內(nèi)，再向北至市界與河北段線位相接。

北京市規(guī)劃部門表示，媒體報道中經(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 中國土木工程學(xué)會 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)計工作。

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

U 45

A

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