地鐵車站異形基坑內(nèi)角撐優(yōu)化分析

王小剛， 馬凝宇， 郭岳雷， 郭 偉

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都610213； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，提高城市地下空間利用率得到越來(lái)越大的重視。在實(shí)際工程中，為達(dá)到主體的結(jié)構(gòu)功能需求，并防止對(duì)周邊建筑物的沉降產(chǎn)生影響。往往會(huì)選用形狀不規(guī)則的異形基坑。相對(duì)于常見的矩形基坑，為滿足異形基坑穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求，對(duì)內(nèi)支撐體系的選型和施工工藝都提出了更高的要求[1-3]。

在基坑工程建設(shè)中，角撐因其結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，可靈活布置施工，節(jié)省工期，因而在基坑工程中得到了大量的運(yùn)用。種正江等[4]采用環(huán)形支撐的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了環(huán)形支撐在軟土層異形深基坑中的作用。成守澤[5]對(duì)圓撐和角撐2種支撐體系下的基坑開挖過程進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，分析了兩者在實(shí)際施工時(shí)的利弊。路康康[6]采用在基坑拐角圈梁處加角撐，達(dá)到基坑結(jié)構(gòu)受力合理及減小變形的作用。但對(duì)異形基坑工程中角撐選用的分析研究較少。本文以洛陽(yáng)市區(qū)內(nèi)某深大異形基坑工程為背景，研究不同支護(hù)形式的角撐對(duì)基坑異形區(qū)受力產(chǎn)生的影響，得出適合于異形深基坑的角撐布置方法，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 模型建立

1.1 模型建立

首先利用CAD繪制二維基坑模型，基坑長(zhǎng)度為447m，兩側(cè)寬度分別為23.3m、32.3m，基坑深度為16m。其中，基坑模型右側(cè)部分為異形區(qū)域呈“三角”形狀，基坑右上角點(diǎn)向外凸起.。將繪制好的基坑模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，根據(jù)已有研究，基坑施工垂直影響范圍大約是2～3倍挖深。同時(shí)為解決邊界效應(yīng)，并保證計(jì)算方便、準(zhǔn)確，土體模型尺寸設(shè)定為600m×150m×40m。之后通過，擴(kuò)展、復(fù)制移動(dòng)等功能形成三維實(shí)體圖形。最后對(duì)各類區(qū)域進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，模型如圖1所示。

圖1 基坑模型

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

1.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)介紹

基坑采用灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，共設(shè)3道內(nèi)支撐，第1道為混凝土支撐設(shè)置于基坑表面，第2道、第3道為鋼支撐分別布設(shè)在深度6.6m、11.6m處。每次開挖完成后依次布置3道內(nèi)支撐。支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2.2 支護(hù)工況分類

內(nèi)支撐主要由橫撐、角撐、圍檁構(gòu)成，為了保證基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需對(duì)角撐支護(hù)間距的取值進(jìn)行相關(guān)研究。參照現(xiàn)有的角撐支護(hù)間距一般為2m左右[7]，本文根據(jù)異性區(qū)內(nèi)角撐分布間距的不同，模擬6類不同工況，為了比較不同參數(shù)條件下同一位置角撐的受力，本文約定以異形區(qū)中間位置角撐為參照標(biāo)準(zhǔn)，由此向兩側(cè)均勻布置下一節(jié)角撐，構(gòu)建了不同的基坑模型，各工況如表2所示。

表2 不同布置間距

當(dāng)角撐間距為2m時(shí)，異形區(qū)支撐布置如圖2所示。本文主要研究施工完成后，第2層內(nèi)支撐異形性區(qū)產(chǎn)生的影響。之后根據(jù)有限元分析的結(jié)果，進(jìn)而比選出最佳布置方案，并對(duì)類似工況提出施工建議。

圖2 角撐布置

1.3 土層參數(shù)

基坑分3次開挖，分別開挖6.6m、5m、4.4m。土層從上到下分別為粉質(zhì)黏土、細(xì)沙、卵石土。土層參數(shù)詳見表3。

表3 土層參數(shù)

1.4 本構(gòu)模型

基坑模型采用莫爾—庫(kù)倫模型，莫爾—庫(kù)倫模型適用范圍廣[8]，可應(yīng)用于對(duì)地基的實(shí)際承載能力的非線性分析計(jì)算，且結(jié)果比較可靠。劃分的土體單元為3D實(shí)體單元，地下連續(xù)墻為2D板單元，橫撐、圍檁、角撐、立柱、抗拔樁單元為1D梁?jiǎn)卧?，單元類型見?。

表4 單元類型

1.5 施工過程控制

模型建立后，為有效還原基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，采用動(dòng)態(tài)模擬施工步驟，具體施工步驟：

(1)進(jìn)行初始滲流場(chǎng)分析。

(2)進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)分析，施加自重，并進(jìn)行位移清零。

(3)模擬施加地連墻、格構(gòu)柱、止水帷幕。

(4)開挖第1層基坑，架設(shè)第1道混凝土支撐及圍檁。

(5)開挖第2層基坑，架設(shè)第2道鋼支撐及圍檁。

(6)模擬進(jìn)行基坑第1次降水及降水變形。

(7)開挖第3層基坑，架設(shè)第3道鋼支撐、圍檁及抗拔樁。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 角撐間距的影響分析

2.1.1 角撐間距對(duì)異形區(qū)腰梁水平位移的影響

異形區(qū)腰梁水平位移會(huì)對(duì)基坑穩(wěn)定性造成影響，現(xiàn)以第2層鋼支撐的右側(cè)異形區(qū)域腰梁為研究對(duì)象，計(jì)算腰梁在距離基坑角點(diǎn)1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m位置處的水平位移，見表5，并繪制腰梁水平位移，如圖3所示。

表5 腰梁水平位移 單位:mm

圖3 腰梁水平位移

由圖3可以清晰地看出，距基坑角點(diǎn)從1m增加到7m的過程中，角撐對(duì)異形區(qū)腰梁水平位移的約束作用逐漸減弱，且衰減速率整體呈增大趨勢(shì)。以第一類工況為例，從距基坑角點(diǎn)3m處起每個(gè)位置比上一位置水平位移分別減小10.22%、13.53%、37.65%。

距基坑角點(diǎn)1～3m的區(qū)間內(nèi)，各工況水平位移變化量非常小，說(shuō)明在此區(qū)間內(nèi)角撐間距對(duì)腰梁水平位移沒有太大的影響。距基坑角點(diǎn)3～7m的區(qū)間內(nèi)，異形區(qū)腰梁水平位移由正轉(zhuǎn)負(fù)值，且逐漸增大。距基坑角點(diǎn)7m處，每一類工況比下一類工況水平位移分別增大15.28%、13.6%、18.52%、22.22%、32.41%，由此可知變化幅度逐漸增大。

綜上，考慮到結(jié)構(gòu)的安全性及施工的經(jīng)濟(jì)性，角撐間距控制在2～3m之間是合適的。

2.1.2 角撐間距對(duì)角撐軸力的影響

除了腰梁位移，角撐軸力也會(huì)影響基坑的受力狀態(tài)，故以異形區(qū)中間角撐作為研究對(duì)象，繪制在各類工況下角撐所受最大軸力的關(guān)系，見圖4。

圖4 角撐最大軸力

由圖4可知，隨著角撐間距的增大，角撐中最大軸力逐漸減小，角撐間距從1m增加到3.5m的過程中，中間角撐最大軸力依次減小4.69%、12.88%、18.56%、24.08%、39.79%。當(dāng)角撐間距增大時(shí)，角撐數(shù)量減小，相應(yīng)的角撐所承受的最大軸力隨之增大。因?yàn)楫愋螀^(qū)空間有限，所以不能忽略由角撐數(shù)量不同而產(chǎn)生的影響，計(jì)算結(jié)果偏大。但有限元模擬的變化趨勢(shì)符合實(shí)際情況，隨著角撐間距的增加，角撐最大軸力增加的趨勢(shì)越顯著。因此，適當(dāng)增加角撐間距，能有效改善異形區(qū)角撐的最大軸力。

綜上，考慮增大趨勢(shì)，異形區(qū)角撐間距控制在2～2.5m是合適的。

2.2 角撐剛度的影響分析

2.2.1 角撐剛度對(duì)角撐水平位移的影響

除上述角撐間距外，角撐剛度的選擇對(duì)于基坑支護(hù)也是非常重要的影響因素，需要謹(jǐn)慎的選擇。由前文所述，角撐間距控制在2～2.5m是合適的，因此，這里取異形區(qū)角撐間距為2m進(jìn)行分析。

假設(shè)前文角撐剛度為K，通過改變異形區(qū)角撐的橫截面積進(jìn)行分析，下設(shè)6類工況，如表6所示。

表6 折算剛度

通過有限元軟件對(duì)上述6種不同的工況進(jìn)行有限元模擬分析。得到6類不同工況下，異形區(qū)角撐在1/10跨、1/4跨、2/5跨、1/2跨位置處的水平位移，如圖5所示。

圖5 角撐水平位移

由圖5可知，隨著角撐剛度的增加，異形區(qū)角撐水平位移的減小幅度逐漸放緩，以角撐1/10跨處為例，每一工況的水平位移比上一工況分別減小31.63%、24.21%、24.31%、12.69%、7.17%。

同時(shí)可以看出，異形區(qū)角撐越靠近跨中位置水平位移越小。并且隨著折算剛度的增加，水平位移減小趨勢(shì)逐漸放緩。因此從經(jīng)濟(jì)性和安全性的角度考慮，異形區(qū)角撐橫截面積采用600mm×600mm～700mm×700mm是合適的。

2.2.2 角撐剛度對(duì)腰梁彎矩的影響

角撐的彎矩影響著基坑的穩(wěn)定性，過大的彎矩會(huì)使支護(hù)變形，甚至導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。因此合理設(shè)置角撐，控制彎矩的大小尤為重要。圖6為角撐間距為2m時(shí)6類不同角撐剛度情況下，異形區(qū)腰梁最大彎矩圖。

圖6 腰梁彎矩

由圖6可以看出，腰梁上的3個(gè)不同位置處，隨著角撐剛度增加腰梁所受彎矩均呈線性減小的趨勢(shì)，且距離基坑角點(diǎn)越遠(yuǎn)處，減小幅度更為迅速。異形區(qū)腰梁上距基坑角點(diǎn)8m處，每一工況比上一工況分別減小了39.08%、27.72%、21.32%、9.62%、2.26%。異形區(qū)腰梁上距基坑角點(diǎn)6m處，每一工況比上一工況分別減小了20.16%、24.89%、18.14%、20.42%、16.39%。異形區(qū)腰梁上距基坑角點(diǎn)4m處，每一工況比上一工況分別減小了33.44%、25.28%、18.60%、13.40%、9.28%。由此可見，角撐橫截面積從400mm×400mm增加到700mm×700mm的過程中，異形區(qū)腰梁所受彎矩值變化幅值很大，平均占到彎矩總變化幅度的80%左右。

因此，改變角撐剛度，對(duì)異形區(qū)腰梁的彎矩值影響非常大。為有效的控制腰梁的彎曲變形，使腰梁更加穩(wěn)固，減小基坑開挖的危險(xiǎn)性。同時(shí)確保經(jīng)濟(jì)效益，角撐橫截面積取600mm×600mm至700mm×700mm。

3 結(jié)論

針對(duì)城市內(nèi)異形基坑支護(hù)布置的問題，本文對(duì)深基坑支護(hù)中角撐間距及角撐剛度的影響進(jìn)行了分析，所得結(jié)論：

(1)隨著距基坑角點(diǎn)距離的增加，異形區(qū)腰梁的水平位移逐漸增大，角撐對(duì)異形區(qū)腰梁水平位移的約束作用逐漸減弱，且衰減速率整體呈增大趨勢(shì)。增大角撐間距，對(duì)距離基坑角點(diǎn)近處的異形區(qū)腰梁影響較小，對(duì)遠(yuǎn)處的異形區(qū)腰梁影響較大，且變化幅度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(2)以中間角撐為研究對(duì)象，隨角撐間距增大，異形區(qū)角撐最大軸力逐漸增加，且增加的趨勢(shì)越顯著?？紤]到結(jié)構(gòu)的安全性及施工的經(jīng)濟(jì)性，角撐間距控制在2～2.5m之間是合適的。

(3)異形區(qū)角撐采用2m間距，隨著角撐剛度的增加，異形區(qū)角撐水平位移的逐漸減小，且變化幅度放緩。同時(shí)，異形區(qū)角撐越靠近跨中位置水平位移越小。

(4)隨著角撐剛度增加腰梁所受彎矩均呈線性減小的趨勢(shì)，且變化幅度逐漸放緩。同時(shí)，距離基坑角點(diǎn)越遠(yuǎn)，異形區(qū)腰梁減小越迅速。為有效的控制腰梁的彎曲變形，同時(shí)確保經(jīng)濟(jì)效益，異形區(qū)角撐橫截面積取600mm×600mm至700mm×700mm是合適的。

綜上所述，在實(shí)際工程中可以考慮對(duì)同一基坑工程采用不同的角撐間距或不同的角撐橫截面積，基坑角點(diǎn)近處采用大支護(hù)間距或小剛度角撐，基坑角點(diǎn)遠(yuǎn)處采用小支護(hù)間距或大剛度角撐。增強(qiáng)角撐對(duì)距異形區(qū)腰梁的約束作用，控制彎曲變形的同時(shí)，還可以節(jié)約支護(hù)材料，提高工程經(jīng)濟(jì)性。