L形地鐵換乘車站超深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析*

金 平 王 濤 蔡海兵 龔永旺 黃 軍

(1.中鐵四局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司，230022，合肥；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，232001，淮南∥第一作者，高級(jí)工程師)

地鐵車站一般設(shè)置在人口比較集中的區(qū)域，周邊環(huán)境較為復(fù)雜?；庸こ痰脑O(shè)計(jì)既要保持支護(hù)結(jié)構(gòu)體系和基坑自身的穩(wěn)定，又要保證周邊環(huán)境的安全。近年來，許多專家學(xué)者在深基坑支護(hù)理論和試驗(yàn)研究[1-2]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬[3-5]等方面取得了諸多研究成果。文獻(xiàn)[6]以北京地鐵9號(hào)線為工程背景，采用北京理正深基坑分析軟件對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的基坑開挖情況進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案在實(shí)際施工時(shí)發(fā)揮了良好的作用，且現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幾乎與模擬結(jié)果一致。

現(xiàn)階段，深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工現(xiàn)場(chǎng)的契合度還不高。相比較而言，超深基坑在進(jìn)行施工時(shí)，其所受的地質(zhì)條件、周圍環(huán)境及地下管線更為復(fù)雜。為此，在進(jìn)行超深基坑施工設(shè)計(jì)及施工過程中，更要保證安全、耐久、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等要求。

本文以福州地鐵4號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“4號(hào)線”)和地鐵5號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“5號(hào)線”)洪塘路L形換乘車站超深基坑工程為研究背景，采用Midas GTS有限元軟件對(duì)換乘節(jié)點(diǎn)處的基坑支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，并通過地下連續(xù)墻(以下簡(jiǎn)稱“地連墻”)水平位移、內(nèi)支撐軸力和周邊地面位移的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性與安全性。本文研究可為其他類似基坑工程的施工提供設(shè)計(jì)思路。

1 工程概況

1.1 場(chǎng)地概況

洪塘站為4號(hào)線和5號(hào)線的換乘車站，位于洪塘路與閩江大道交叉口。4號(hào)線和5號(hào)線基坑分別沿洪塘路和閩江大道敷設(shè)，兩者互為L(zhǎng)形。4號(hào)線為地下四層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，車站長(zhǎng)為187.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為23.9 m，埋深為32.30～36.20 m。5號(hào)線為地下兩層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，車站長(zhǎng)為265.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為22.7 m，埋深為17.75～20.35 m，半蓋挖施工。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

洪塘站主要地層為雜填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、殘積粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏土和全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。5號(hào)線初見水位埋深為1.20～6.50 m，初見水位標(biāo)高為6.47～10.73 m；穩(wěn)定水位埋深為1.30～4.00 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為6.14～9.95 m。4號(hào)線初見水位埋深為0.70～4.10 m，初見水位標(biāo)高為5.44～9.80 m；穩(wěn)定水位埋深為1.20～3.80 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為5.56～9.95 m。

1.3 原支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

洪塘站超深大基坑原設(shè)計(jì)為大開挖。5號(hào)線基坑支護(hù)形式為：0.8 m地連墻+1道混凝土支撐+2道φ800 mm鋼支撐；4號(hào)線和換乘節(jié)點(diǎn)處坑支護(hù)形式為：1.2 m地連墻+4道混凝土支撐+3道φ800 mm鋼支撐。

洪塘站超深基坑采用大開挖方式的缺點(diǎn)有：① 施工資源投入過多，浪費(fèi)嚴(yán)重；② 受不同地層影響，基坑降水成為施工難題；③ 超深大基坑全暴露式開挖，施工風(fēng)險(xiǎn)比較高；④ 基坑大面積暴露會(huì)造成周邊路面、建(構(gòu))筑物均勻或不均勻沉降；⑤ 4號(hào)線地連墻深為46 m，施工功效較低，造成整個(gè)基坑開挖時(shí)間滯后。

1.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

1) 采用封堵墻將洪塘站分為5號(hào)線、4號(hào)線和換乘節(jié)點(diǎn)3個(gè)獨(dú)立基坑。3個(gè)基坑彼此獨(dú)立，分區(qū)開挖分區(qū)支護(hù)，規(guī)避基坑大面積暴露風(fēng)險(xiǎn)，且滿足鋪軌工期節(jié)點(diǎn)要求。

2) 4號(hào)線基坑支撐體系由原設(shè)計(jì)的4道鋼筋混凝土支撐+3道鋼支撐調(diào)整為4道混凝土支撐(0.8 m×1.0 m、1.0 m×1.0 m、1.4 m×1.2 m、1.2 m×1.0 m)+1道φ800 mm鋼支撐；換乘節(jié)點(diǎn)處基坑由原設(shè)計(jì)的7道混凝土支撐調(diào)整為5道混凝土支撐；5號(hào)線基坑維持1道鋼筋混凝土支撐+2道鋼支撐不變。該方案按“結(jié)構(gòu)層數(shù)加1”原則布置，更有利于結(jié)構(gòu)板回筑，施工一層切除一層，其適用性較強(qiáng)。

3) 根據(jù)不同地層，3個(gè)基坑分別選擇不同的降水方案。對(duì)于5號(hào)線富水砂層基坑，主要降(含泥)中粗砂層的孔隙承壓水，根據(jù)單井降水量布置降水井，選擇反循環(huán)鉆機(jī)施工降水井，采用橋式濾水管；對(duì)于換乘節(jié)點(diǎn)和4號(hào)線超深基坑，主要降風(fēng)化巖的孔隙裂隙承壓水和基巖裂隙承壓水，根據(jù)單井降水面積布置降水井，選擇潛孔鉆機(jī)施工降水井，采用橋式濾水管。

2 基坑支護(hù)數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

采用Midas GTS有限元軟件對(duì)基坑施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬分析。以換乘節(jié)點(diǎn)為研究重點(diǎn)，模型尺寸為232 m(長(zhǎng))×240 m(寬)×100 m (高)。

根據(jù)詳勘地質(zhì)資料，將土體從上而下劃分為8層。土體采用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型和三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，采用彈性模型模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。支護(hù)體系中，內(nèi)支撐、冠梁等采用梁?jiǎn)卧M，地連墻采用板單元模擬。邊界條件為：模型頂面為自由面，無(wú)約束；底面所有節(jié)點(diǎn)施加位移約束Tx、Ty、Tz；側(cè)面所有節(jié)點(diǎn)施加約束Tx、Ty；地連墻底部節(jié)點(diǎn)施加約束Tz，限制其豎向位移。地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of stratum

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)換乘節(jié)點(diǎn)超深基坑優(yōu)化前后的支撐支護(hù)方案分別進(jìn)行三維有限元模擬，重點(diǎn)分析地連墻水平位移、支撐軸力和地面位移的變化規(guī)律。優(yōu)化前后的支撐布置方案有限元模型如圖1所示。

圖1 支撐布置方案有限元模型Fig.1 Finite element model of support layout scheme

2.2 施工階段工況模擬

基坑施工階段工況如表3所示。

表3 基坑施工階段及施工步驟Tab.3 Foundation pit construction phases and steps

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地連墻水平位移計(jì)算結(jié)果

換乘節(jié)點(diǎn)處，優(yōu)化方案施工過程中，各工況下的地連墻水平位移云圖如圖2所示。由圖2可知，地連墻水平位移在整個(gè)基坑開挖過程中逐漸增大，且最大變形位置逐漸下移。當(dāng)換乘節(jié)點(diǎn)開挖完成時(shí)，最大位移為26.145 mm。根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范規(guī)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移不超過基坑開挖深度的0.15%，且不宜超過30.000 mm。優(yōu)化后的5道支撐能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖2 地連墻水平位移云圖Fig.2 Nephogram of underground diaphragm wall horizontal displacement

3.2 內(nèi)支撐軸力計(jì)算結(jié)果

換乘節(jié)點(diǎn)處，按優(yōu)化方案施工過程中，各個(gè)工況下的內(nèi)支撐軸力云圖如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)換乘節(jié)點(diǎn)深基坑開挖至坑底時(shí)，最大支撐軸力出現(xiàn)在第4道混凝土支撐上，最大支撐軸力為6 499 kN，能夠滿足混凝土支撐穩(wěn)定性要求。

圖3 內(nèi)支撐軸力云圖Fig.3 Nephogram of internal support axial force

3.3 地面位移計(jì)算結(jié)果

換乘節(jié)點(diǎn)處，優(yōu)化方案施工過程中，各個(gè)工況下的基坑周邊地面位移云圖如圖4所示。由圖4可知，L形換乘車站基坑周邊沉降最大值發(fā)生在4號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段，4號(hào)線最大地面沉降為14.782 mm。提取換乘節(jié)點(diǎn)模型周邊地面沉降數(shù)據(jù)，換乘節(jié)點(diǎn)周邊的最大沉降為11.971 mm，距基坑約13 m。

圖4 地面位移云圖Fig.4 Nephogram of ground surface displacement

4 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

換乘節(jié)點(diǎn)處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分布如圖5所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)QCX31處的地連墻水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值如圖6所示。由圖6可知，地連墻水平位移模擬值與監(jiān)測(cè)值的變化規(guī)律基本一致。在地連墻深度為30 m處附近，模擬值與監(jiān)測(cè)值達(dá)到最大值，分別為26.145 mm和24.390 mm。模擬值相對(duì)于監(jiān)測(cè)值大了1.755 mm，這是由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、土層分布不均勻,且模擬過程中未考慮地下水影響造成的偏差。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布圖Fig.5 Distribution diagram of monitoring points

圖6 地連墻水平位移模擬值與實(shí)測(cè)對(duì)比

換乘節(jié)點(diǎn)處，在各施工階段內(nèi),監(jiān)測(cè)點(diǎn)TZL1-22處的內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比如圖7所示。由圖7可知，隨著基坑開挖深度的增大，各道內(nèi)支撐軸力均有所增大，第1道與第2道支撐在開挖過程中的內(nèi)支撐軸力增大比較緩慢，第4道與第5道支撐增大速率較快，監(jiān)測(cè)值與模擬值變化規(guī)律基本一致。

圖7 內(nèi)支撐軸力模擬值與實(shí)測(cè)對(duì)比

換乘節(jié)點(diǎn)處，在基坑開挖過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC31處的地面沉降監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比如圖8所示。由圖8可知，換乘節(jié)點(diǎn)處基坑開挖至坑底時(shí)，模擬值與監(jiān)測(cè)值的變化曲線呈凹形，監(jiān)測(cè)值相對(duì)于模擬值偏大，這是由數(shù)值模擬過程中未考慮現(xiàn)場(chǎng)施工堆載和基坑非均勻降水等因素導(dǎo)致的。模擬地面的最大沉降為11.970 mm，出現(xiàn)在距換乘節(jié)點(diǎn)基坑邊緣13 m處；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地面的最大沉降為14.000 mm，也出現(xiàn)在距換乘節(jié)點(diǎn)基坑邊緣13 m處，表明基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是合理的。

圖8 地面沉降模擬值與實(shí)測(cè)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文以福州地鐵洪塘路換乘站L形超深基坑為工程背景，將換乘車站超深基坑分成3個(gè)獨(dú)立部分，進(jìn)行分區(qū)開挖分區(qū)支護(hù)。通過Midas GTS有限元軟件對(duì)換乘節(jié)點(diǎn)處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、內(nèi)支撐軸力和地面位移進(jìn)行了綜合分析，成功將換乘節(jié)點(diǎn)基坑原7道內(nèi)支撐優(yōu)化為5道內(nèi)支撐。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析，獲得以下結(jié)論：

1) 地連墻水平位移在基坑開挖過程中逐漸增大且最大位移位置逐漸下降；當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí)，地連墻最大水平位移模擬值為26.145 mm，實(shí)測(cè)值為24.390 mm，均在安全控制值內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 通過提取換乘節(jié)點(diǎn)深基坑支撐的軸力數(shù)據(jù)，由數(shù)值模擬得到的最大內(nèi)支撐軸力為6 499 kN，出現(xiàn)在第4道混凝土支撐上；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的最大內(nèi)支撐軸力為5 756 kN，均在安全控制值內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 換乘節(jié)點(diǎn)周邊地面沉降與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律基本吻合。數(shù)值模擬得到的最大周邊沉降為11.971 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值為14.000 mm，均出現(xiàn)在距換乘節(jié)點(diǎn)基坑邊緣13 m附近，最大沉降值均在安全控制值內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4) 將超深基坑的原7道內(nèi)支撐優(yōu)化為5道內(nèi)支撐的支護(hù)方案是安全可行的。通過增設(shè)封堵墻，將洪塘站超深基坑分為3個(gè)獨(dú)立基坑，各自獨(dú)立分區(qū)施工。這不僅從根本上避免了11 600 m2的基坑同時(shí)暴露，還降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)了周邊建(構(gòu))筑物的安全。整個(gè)L形地鐵換乘車站的基坑施工突破了大面積、超深、多支撐等工程性難題，工期提前了約6個(gè)月，確保了5號(hào)線的節(jié)點(diǎn)工期。