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*

梁爾斌

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，250014，濟(jì)南∥高級(jí)工程師)

基于國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，在新時(shí)代網(wǎng)絡(luò)化地下空間建設(shè)需求下，我國既有地下結(jié)構(gòu)的擴(kuò)建工程不斷涌現(xiàn)。地鐵換乘車站的上蓋增層擴(kuò)建雖具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但基坑內(nèi)大體積土體卸載會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，且基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分與既有結(jié)構(gòu)相連，其施工力學(xué)效應(yīng)與常規(guī)基坑不同，設(shè)計(jì)和施工比鄰近建筑物基坑更為復(fù)雜。文獻(xiàn)[1]基于有限差分?jǐn)?shù)值模擬和極限平衡法，提出基坑失穩(wěn)模式更接近于圓弧滑動(dòng)面，工程樁能有效限制基坑塑性剪切帶的延伸。此類研究多針對(duì)天然場(chǎng)地基坑展開，同周圍環(huán)境及建筑物的相互影響較少。當(dāng)有鄰近既有結(jié)構(gòu)時(shí)，基坑與既有結(jié)構(gòu)間會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的相互影響。文獻(xiàn)[2]基于Plaxis有限元軟件建立數(shù)值模型，對(duì)近接淺基礎(chǔ)建筑物深基坑施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近建筑物的變形影響進(jìn)行研究，并基于潛在失穩(wěn)破壞區(qū)對(duì)基坑后方土體進(jìn)行主次影響區(qū)域劃分。

目前，地下結(jié)構(gòu)擴(kuò)建相關(guān)研究尚不深入，尤其對(duì)于上蓋增層基坑與既有結(jié)構(gòu)的相互作用影響分析尚屬空白，理論尚不成熟，亟待展開相關(guān)研究分析。

本文依托北京地鐵6號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“6號(hào)線”)蘋果園站擴(kuò)建工程項(xiàng)目，對(duì)基坑嵌固樁和無嵌固樁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)展開分析，研究不同參數(shù)條件下圍護(hù)樁和既有車站的受力變形規(guī)律，并給出合理的參數(shù)優(yōu)化建議，為今后類似的擴(kuò)建工程提供理論依據(jù)。

1 工程概況

如圖1所示，6號(hào)線蘋果園站斜交70°密貼下穿既有北京地鐵1號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“1號(hào)線”)車站結(jié)構(gòu)。該站主體結(jié)構(gòu)采用洞樁法+明挖法施工。車站增層擴(kuò)建的2個(gè)明挖基坑分別位于既有1號(hào)線東西兩側(cè)。增層擴(kuò)建部分的地下2、3層采用洞樁法施工，在下部結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行地下1層的上蓋增層明挖擴(kuò)建。2個(gè)明挖基坑尺寸相同，東西向長(zhǎng)39.8 m，南北向?qū)?7.9 m，深12.2 m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm人工挖孔樁+3道內(nèi)支撐形式，樁間距為1.6 m，樁間采用100 mm厚掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)。豎向設(shè)3層內(nèi)支撐(自上而下分別為L(zhǎng)1,L2及L3)，其中L1的角撐為混凝土支撐，截面尺寸為0.6 m×1.0 m；其余支撐結(jié)構(gòu)均為鋼支撐，采用直徑為0.8 m、壁厚為16 mm的鋼管。

圖1 蘋果園站平面位置圖

增層結(jié)構(gòu)位于既有結(jié)構(gòu)上方，東西兩端圍護(hù)樁直接落于車站頂拱。該部分圍護(hù)樁為無嵌固樁，屬于吊腳樁。南北兩側(cè)圍護(hù)樁嵌入土體一定深度，為嵌固樁。圍護(hù)樁鄰近既有車站結(jié)構(gòu)導(dǎo)洞側(cè)壁，最小凈距離僅為0.2 m。對(duì)不同支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編號(hào)?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)平面圖見圖2。

注：A為無嵌固樁；B為嵌固樁。

2 上蓋增層明挖基坑的有限元模型

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，無嵌固樁對(duì)基坑外側(cè)土體的影響范圍約為1.5He(He為基坑開挖深度)。本文在此基礎(chǔ)上考慮一定富余量，水平方向取3.3He，豎向從車站底部向下取2He，建立三維有限元模型，具體尺寸為119 m×105 m×55 m(見圖3)。有限元模型邊界條件包括應(yīng)力位移和滲流[4-5]，因本工程地下水位于車站底板以下10.4 m，故不考慮滲流影響。模型上表面為自由面，不設(shè)置約束；四周限制水平方向約束；底部限制水平和豎直方向約束。在有限元模型中，施加荷載除材料自重外，根據(jù)基坑周圍堆載和施工機(jī)械放置情況，在圍護(hù)樁后2～10 m范圍內(nèi)施加20 kPa的均布荷載模擬施工荷載。

圖3 蘋果園站明挖上蓋增層項(xiàng)目的有限元模型

2.2 參數(shù)的選取

根據(jù)實(shí)際受力特征，土體和既有車站主體結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，初襯結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，圍護(hù)樁、冠梁、混凝土支撐和鋼管柱采用梁?jiǎn)卧M，鋼支撐采用桁架單元模擬。通過修改單元屬性實(shí)現(xiàn)注漿加固區(qū)土體到漿土混合體的材料性質(zhì)轉(zhuǎn)換。模型中，除土體外均采用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。有限元模型主要部位的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型主要部位的物理力學(xué)參數(shù)

由于基坑開挖涉及到大體積土體卸載問題，對(duì)變形參數(shù)較為敏感[6]，故本模型中的粉質(zhì)黏土和卵石層采用Hardening-SoiL本構(gòu)模型。車站范圍內(nèi)主要為卵石。根據(jù)PLAXIS用戶手冊(cè)和已有研究的經(jīng)驗(yàn)值[2,7]，卵石取3Eoed=3E50=Eur(其中，Eoed為主固結(jié)模量，E50為割線模量，Eur為回彈模量)，粉質(zhì)黏土取2Eoed=2E50=Eur，根據(jù)位移反分析可確定，E50=3E0(E0為初始?jí)嚎s模量)。砂巖采用Mohr-Coulomb模型，各參數(shù)取值見表2。

表2 土體主要材料力學(xué)參數(shù)

2.3 模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和參數(shù)的合理性，需對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定。圖4為無嵌固樁A2開挖至12.2 m時(shí)，樁體水平位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比曲線。從圖4可以看出：模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變形規(guī)律基本一致；水平位移最大值均出現(xiàn)在埋深4 m左右位置，分別為1.41 mm和1.89 mm，且兩者數(shù)值相近。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線與模擬值曲線的形狀和大小均相近。由此可見，該模型的準(zhǔn)確性滿足研究要求。

圖4 圍護(hù)樁樁體水平位移對(duì)比曲線

3 有限元模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 無嵌固樁與車站連接情況的影響

圖5為樁體與既有車站結(jié)構(gòu)連接關(guān)系不同情況下的A3樁樁體水平位移曲線。從圖5可以看出，當(dāng)He較小時(shí)，樁底是否連接對(duì)樁體的水平位移影響不大，主要是樁后被動(dòng)區(qū)土體對(duì)樁體的約束作用[8]；隨著基坑內(nèi)部土體開挖量增大，當(dāng)拆除第3道支撐(L3)后，樁底不連接時(shí)的水平位移增量更大，最大增量約為2.02 mm，水平位移值增加約2.7倍，樁體產(chǎn)生踢腳式破壞[9]。拆除第3道鋼支撐后，He=4.0 m以下樁體缺乏約束，對(duì)樁體水平位移產(chǎn)生不利影響。此時(shí)的最大水平位移約為2.82 mm，位于He=8.7 m處，最大位移位置出現(xiàn)上移。

圖5 A3無嵌固樁樁體水平位移對(duì)比曲線

3.2 嵌固樁關(guān)鍵參數(shù)

由于增層部分的明挖基坑嵌固樁一側(cè)鄰近既有車站結(jié)構(gòu)，且嵌固樁樁體與既有車站導(dǎo)洞凈距Lp僅為0.2 m，故其受力模式與常規(guī)基坑存在區(qū)別，勢(shì)必產(chǎn)生較為顯著的相互作用。嵌固樁樁體與既有車站導(dǎo)洞關(guān)系見圖6。對(duì)不同Lp情況下的對(duì)圍護(hù)樁B1樁進(jìn)行受力和變形數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖7所示。

圖6 嵌固樁與既有車站結(jié)構(gòu)距離示意圖

由圖7可知：當(dāng)He較小時(shí)，不同Lp對(duì)樁體水平位移曲線形狀和大小影響不大；當(dāng)He=12.2 m時(shí)，Lp由0.7 m增至4.7 m，樁體最大水平位移增加0.82 mm，增幅約39.4%；當(dāng)Lp由4.7 m增至6.7 m時(shí)，樁體水平位移幾乎無增加；隨著Lp增加，既有車站結(jié)構(gòu)對(duì)嵌固樁的約束效果逐漸減弱，導(dǎo)致樁體下部位移增大；當(dāng)Lp增大到一定值后，不再產(chǎn)生約束作用，樁體水平位移趨于穩(wěn)定。

圖7 不同近接距離B1嵌固樁樁體水平位移曲線

3.3 嵌固圍護(hù)樁嵌固深度的影響規(guī)律

本工程Lp僅為0.2 m，嵌固樁深度Hp對(duì)整個(gè)增層基坑的穩(wěn)定性有顯著影響。針對(duì)不同Hp研究對(duì)比圍護(hù)樁受力變形情況如圖8所示。

圖8 不同HP下的B1嵌固樁樁體水平位移曲線

由圖8可知：隨著He的增加，當(dāng)基坑拆除第3道支撐后，Hp由1.0 m增加至4.0 m時(shí)，樁體最大水平位移由5.08 mm減少至4.22 mm，減少約16.9%；當(dāng)Hp>4.0 m時(shí)，樁體水平位移幾乎不再隨著Hp的增加而減少；隨著Hp的增加，土體與既有車站結(jié)構(gòu)對(duì)嵌固樁底部的約束作用增大，限制了樁底水平位移；當(dāng)Hp增加到一定值后，樁底約束作用不再增加，樁體變形趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文以蘋果園站增層擴(kuò)建基坑為研究背景，建立有限元模型，模擬基坑動(dòng)態(tài)開挖過程，并對(duì)基坑圍護(hù)樁與既有車站結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的相互影響展開分析，得出以下結(jié)論:

1)同無嵌固樁與車站結(jié)構(gòu)連接時(shí)相比，如無嵌固樁與車站結(jié)構(gòu)不連接，則樁體水平位移會(huì)顯著增大，且最大位移量增加約2.7倍，可見樁底連接和樁后注漿加固具有良好的工程效果。

2)在Lp=4.7 m時(shí)，樁體最大水平位移增加39.4%；隨著Lp的繼續(xù)增加，樁身位移變化趨于緩慢，說明Lp越大，樁體受既有車站結(jié)構(gòu)約束越小，并在Lp足夠大后不再受既有車站約束。

3)Hp對(duì)樁體受力變形的影響，主要體現(xiàn)在樁體的下半部分：當(dāng)Hp由1.0 m增至4.0 m時(shí)，樁體最大位移降幅約為16.9%；當(dāng)Hp超過4.0 m后樁體變形基本不再變化，故建議類似工程Hp取4.0 m左右。