成都XX地鐵車站深基坑水平變形分析

1、成都某地鐵車站深基坑水平變形分析摘要:成都某地鐵車站深基坑位于砂卵石地層中，周圍各類建筑物和生命線工程密集，對(duì)施工變形控制要求嚴(yán)格。通過基坑圍護(hù)樁測(cè)斜數(shù)據(jù)分析圍護(hù)樁的最大變形、相應(yīng)位置及其與支撐施作時(shí)間的關(guān)系，通過數(shù)值模擬研究圍護(hù)樁在基坑開挖過程中的應(yīng)力應(yīng)變特征。研究結(jié)果表明：選擇護(hù)壁樁加三道橫向支撐作為圍護(hù)體系能滿足安全施工要求；基坑陽角部位、基坑輪廓長(zhǎng)邊中點(diǎn)部位、各圍護(hù)樁的樁體中部應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)和支護(hù)；第二次和第三次開挖時(shí)段，基坑塑性區(qū)部位最小主應(yīng)力分化明顯，局部甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)。關(guān)鍵詞:地鐵車站深基坑水平變形城市地鐵車站深基坑往往處于各類建筑物和生命線工程密集區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)

2、雜,臨近大量管線、建筑與地鐵構(gòu)筑物等，場(chǎng)地緊湊，基坑周邊難以找到施工場(chǎng)地。由于對(duì)基坑變形尤其是對(duì)水平變形要求嚴(yán)格，使得基坑開挖施工空間受到限制。加上巖土材料具有流變性質(zhì)，在基坑開挖過程中其圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形表現(xiàn)出明顯的時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)。目前，對(duì)軟土地區(qū)地鐵車站基坑開挖變形特征已有不少研究，而對(duì)在特定的砂卵石地層條件下深基坑的水平變形研究較少。本文以成都某地鐵車站深基坑工程為例，分析深基坑施工過程中的一些特點(diǎn)。1工程概況該地鐵車站為地下二層單柱雙跨10m島式站臺(tái)車站。車站總長(zhǎng)為287.1m，標(biāo)準(zhǔn)段寬18.7m，深16.6m。西端盾構(gòu)擴(kuò)大端寬37.2m，深19.9m;東端盾構(gòu)擴(kuò)大端寬22.4m，

3、深20.5m。車站由西往東坡度為0.2%。該場(chǎng)地主要為表層雜填土和第四系成都典型砂卵石地層。根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告，各土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。表1主要地層物理力學(xué)參數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用人工挖孔樁加三道橫向支撐形式。人工挖孔樁采用?12002400地層層厚/m(kX/m1)變形模泊松比內(nèi)堆擦雜（素）填土2.117.7(k3316卵石土（中密）1L921.0310.1937卵石土（密實(shí)3.3MiMis-*500.1745中砂（稍密）L418.5150.2625卵石土（巒實(shí)）22,5SO0,1745mm,樁芯混凝土為C30,樁長(zhǎng)21m。樁頂設(shè)冠梁，樁間掛?10 x?8150mmX150mm鋼筋網(wǎng)并噴

4、射厚150mmC20混凝土，圍護(hù)樁與掛網(wǎng)噴射混凝土間應(yīng)可靠連接?；映跏紶顟B(tài)地下水位在地面下約5m，施工期間采用管井井點(diǎn)降水，水位保持在基坑底0.5m以下。開挖過程中依次在1m、7m和12m深度設(shè)置橫向支撐（為什么？），支撐采用直徑600mm鋼管，壁厚14mm。圖1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖。腺始地lid級(jí)圖1圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意（單位2基坑監(jiān)測(cè)2.1監(jiān)測(cè)方案監(jiān)測(cè)工作從基坑開挖前開始，到第一道支撐拆除后結(jié)束。監(jiān)測(cè)時(shí)段為2010年2月24日一8月7日。采用CX-03數(shù)字顯示測(cè)斜儀，該儀器屬于伺服加速度式測(cè)斜儀。在施工過程中對(duì)全樁長(zhǎng)每天觀測(cè)一次，步長(zhǎng)為1.0m。若發(fā)現(xiàn)變形比較大或情況異常時(shí)，步長(zhǎng)加密為0.5m。

5、為了保證安全，在基坑周邊共布置了27個(gè)測(cè)斜孔。2.2監(jiān)測(cè)結(jié)果及其分析選取了不同空間位置有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（22#,148#,215#,256#,273#），對(duì)該地鐵車站深基坑開挖過程中圍護(hù)樁水平變形特點(diǎn)進(jìn)行分析。1）圍護(hù)樁最大變形分析各代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大變形結(jié)果見圖2458圖2各監(jiān)測(cè)點(diǎn)城人變形（單位：nun）由圖2可見：基坑陰角部位22#測(cè)點(diǎn)的最大變形值為0.97mm，而基坑陽角部位256#測(cè)點(diǎn)最大變形值為3.26mm，遠(yuǎn)大于陰角部位的變形值；長(zhǎng)邊中點(diǎn)215#測(cè)點(diǎn)最大變形值為5.04mm，而短邊中點(diǎn)148#測(cè)點(diǎn)最大變形值為1.66mm，遠(yuǎn)小于長(zhǎng)邊中點(diǎn)；特殊部位（擴(kuò)大端）273#測(cè)點(diǎn)最大變形值為4.

6、58mm，變形較大。因此，在地鐵車站深基坑施工過程中，針對(duì)陽角、長(zhǎng)邊中點(diǎn)、擴(kuò)大端等特殊部位應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)測(cè)。2）圍護(hù)樁變形最大部位分析圖3為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)全樁長(zhǎng)的最終水平位移曲線。由圖3可見：各圍護(hù)樁在基坑開挖過程中，主要產(chǎn)生向基坑內(nèi)一定程度的水平位移，變形較大的區(qū)段集中在一4一11m。故在該區(qū)段開挖過程中,應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握基坑變形動(dòng)態(tài)特征。3）圍護(hù)樁變形與支撐施作時(shí)間分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，215#測(cè)樁的變形幅度最大，最大值發(fā)生在距樁頂-9m截面處。根據(jù)施工記錄，該處基坑在2010年2月27日、4月12日和6月25日分別完成第一道（1m處）、第二道（7m處）和第三道（12m處）橫向鋼支

7、撐。圖4給出了該處側(cè)向變形發(fā)展過程曲線與支撐施作時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3；$監(jiān)測(cè)點(diǎn)金樁長(zhǎng)累枳位移曲線監(jiān)測(cè)日卿月-11】圖421J測(cè)樁-9m處變形時(shí)程曲線與支撐施作時(shí)阿的對(duì)戒關(guān)系由圖4可見：第一道支撐施作前后，由于開挖深度較小，圍護(hù)樁樁長(zhǎng)較大，該道支撐對(duì)樁體變形影響較小。隨著開挖深度不斷加大，該處側(cè)向變形開始加劇增長(zhǎng)；第二道支撐施作之后，側(cè)向變形速度明顯減緩。開挖深度進(jìn)一步加大，坑底逐步遠(yuǎn)離第二道支撐，該處側(cè)向變形又開始加劇增長(zhǎng)；到第三道橫向支撐施作完畢后，變形速度才開始慢慢減緩，并趨于平緩，直至開挖到位并施作底板；215#測(cè)樁-9m截面處的側(cè)向變形主要發(fā)生在第二道支撐和第三道支撐施作之前，變形幅值

8、整體較小，合計(jì)在6cm以內(nèi)?？梢姡幼冃螘r(shí)程、變形幅度和變形速率與支撐施作時(shí)間密切相關(guān)，表現(xiàn)出明顯的時(shí)效性。3深基坑支護(hù)體系有限元分析基坑開挖對(duì)鄰近地層的影響主要在從開始開挖到第一道支撐拆除的階段。為了進(jìn)一步分析該車站深基坑開挖圍護(hù)過程中的應(yīng)力一應(yīng)變特征，采用有限元軟件GeoStudio的Sigma模塊進(jìn)行數(shù)值模擬分析。3.1模型建立選用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系摩爾一庫(kù)倫準(zhǔn)則，模型采用四節(jié)點(diǎn)矩形單元。由于基坑的地基土可在豎直方向自由沉降變形，故模型左右邊界為水平方向約束，底部為豎直方向約束。按照先變形后支撐原則，根據(jù)基坑開挖的實(shí)際施工順序，分為四次開挖，設(shè)置三道內(nèi)支撐。3.2開挖過程應(yīng)力應(yīng)變特征分

9、析圖5是從地面開始沿樁長(zhǎng)方向，每隔約2.5m取一點(diǎn)所得應(yīng)力應(yīng)變隨開挖時(shí)步變化曲線圖。-*117石奢-*117石奢他他EE二-鑒朝F+餐n1i.o弔JVJo46Lu*1h9I1爐m慢應(yīng)険虞A圖5W甘處地層應(yīng)力應(yīng)變隨開挖時(shí)步的變化1目1線從圖5中可見:1）最大主應(yīng)力隨開挖過程變化不大，僅在后兩次開挖中最終開挖面以下有少量減小，主要原因是最終開挖面及樁腳處應(yīng)力集中，導(dǎo)致最大主應(yīng)力發(fā)生從水平方向分布向豎直方向分布的應(yīng)力偏轉(zhuǎn)。2）最小主應(yīng)力隨開挖過程變化明顯，首次開挖由于不到1m，最小主應(yīng)力沒有明顯變化。此后的三次開挖在深度19m附近（中砂層分布處）最小主應(yīng)力明顯減小，可見該處是地層受力薄弱點(diǎn)。3）最大

10、剪應(yīng)力隨開挖過程受最大、最小主應(yīng)力差值控制，故最大剪應(yīng)力變化點(diǎn)為最大、最小主應(yīng)力變化的共同點(diǎn)處，即樁腳及中砂層分布處。這些部位也是整個(gè)基坑影響范圍內(nèi)應(yīng)力集中明顯、塑性區(qū)分布的地點(diǎn)。4）地層水平方向變形在第二步開挖中增加較多，在第三步開挖完成后變形趨于穩(wěn)定。3.3開挖完成后應(yīng)力應(yīng)變特征分析圖6為圍護(hù)結(jié)束時(shí)的應(yīng)力變形分布圖，可以看出1）最大主應(yīng)力（圖6（a）總體是隨著深度增加而變大，在鄰近圍護(hù)樁側(cè)及樁腳處應(yīng)力明顯豎直向偏轉(zhuǎn)。在開挖面樁腳處最大主應(yīng)力從100kPa增加到400kPa,表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力集中。nJr*、iFC薛k/ji一IJIMil#J疑LfjLiIS7Rh/IA/賣揮uit上崎內(nèi)串村h

11、內(nèi)-wrat更if-、*IJJ，r.蛀小卞用辦I曲I*2）最小主應(yīng)力（圖6（b）總體來說是隨著深度增加而變大，但由于在最終開挖面附近1.4m厚中砂層的出現(xiàn)，形成相對(duì)軟弱帶。由圖中可見在該水平夾層處，應(yīng)力值由100kPa快速變小，至圍護(hù)樁處減小至0。最小主應(yīng)力的另一個(gè)快速變化點(diǎn)為樁腳部位，在該處從50kPa減小到50kPa（表現(xiàn)為拉應(yīng)力，證明此處已出現(xiàn)塑性破壞），同樣應(yīng)力集中明顯。在圍護(hù)樁頂后緣一定距離處及基坑底部也同樣出現(xiàn)了拉應(yīng)力，表明這些部位已出現(xiàn)塑性破壞。3）最大剪應(yīng)力（圖6（c）受最大、最小主應(yīng)力差值控制，主要表現(xiàn)為隨深度增加而變大。剪應(yīng)力的明顯集中部位為樁腳處，在約4m范圍內(nèi)從50kP

12、a增加到200kPa。最大剪應(yīng)力的次一級(jí)集中部位為中砂層塑性區(qū)分布處，但數(shù)值較小，在50kPa范圍內(nèi)。4）塑性區(qū)分布（圖6（d）受地層力學(xué)參數(shù)和應(yīng)力分布共同控制?；铀苄詤^(qū)主要分布在三個(gè)部位：樁底、軟弱中砂層及樁腳一定深度部位。總的來說塑性區(qū)僅分布在局部范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)大范圍貫通而導(dǎo)致塑性流動(dòng)、失穩(wěn)現(xiàn)象。基坑位于典型的砂卵石地層中，中砂層是整個(gè)基坑變形破壞易發(fā)部位。選擇護(hù)壁樁加三道橫向支撐作為圍護(hù)體系，監(jiān)測(cè)和數(shù)值分析結(jié)果顯示本圍護(hù)體系能滿足安全施工要求。在空間分布上，基坑陰角部位側(cè)移明顯小于陽角部位；基坑輪廓長(zhǎng)邊中點(diǎn)部位變形明顯大于基坑短邊中點(diǎn)；基坑側(cè)壁均表現(xiàn)出面向基坑內(nèi)一定程度的側(cè)向變形，各圍護(hù)樁的最大側(cè)向變形普遍集中在樁體中部距離樁頂411m區(qū)段范圍內(nèi)。這些部位應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)和支護(hù)。在時(shí)間分布上，施工過程的第二次和第三次開挖是整個(gè)基坑體系變形的主要發(fā)生時(shí)段。在該時(shí)段，基坑塑性區(qū)部位最小主應(yīng)力分化明顯，局部甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。在實(shí)際施工中，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)該時(shí)段加強(qiáng)觀測(cè)。參考文獻(xiàn)1劉愛華，黎鴻，羅榮武.時(shí)空效應(yīng)理論在軟土深基坑施工中的應(yīng)用J.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6(3):571-576.2楊國(guó)偉，王如路，劉建航.時(shí)空效應(yīng)規(guī)律在深基坑施工中的應(yīng)用J.地下空間與隧道，2000(4):41-45.3賀寶橋.新奧法設(shè)計(jì)施工原理J.中國(guó)水運(yùn)，200