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，對施工變形控制要求嚴格。通過基坑圍護樁測斜數(shù)據(jù)分析圍護樁的最大變形、相應位置及其與支撐施作時間的關系，通過數(shù)值模擬研究圍護樁在基坑開挖過程中的應力應變特征。研究結果表明：選擇護壁樁加三道橫向支撐作為圍護體系能滿足安全施工要求；基坑陽角部位、基坑輪廓長邊中點部位、各圍護樁的樁體中部應重點加強施工監(jiān)測和支護；第二次和第三次開挖時段，基坑塑性區(qū)部位最小主應力分化明顯，局部甚至出現(xiàn)拉應力，應加強觀測。關鍵詞: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

2、雜,臨近大量管線、建筑與地鐵構筑物等，場地緊湊，基坑周邊難以找到施工場地。由于對基坑變形尤其是對水平變形要求嚴格，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結構內(nèi)力與變形表現(xiàn)出明顯的時間效應和空間效應。目前，對軟土地區(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。1工程概況該地鐵車站為地下二層單柱雙跨10m島式站臺車站。車站總長為287.1m，標準段寬18.7m，深16.6m。西端盾構擴大端寬37.2m，深19.9m;東端盾構擴大端寬22.4m，

3、深20.5m。車站由西往東坡度為0.2%。該場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)巖土工程詳細勘察報告，各土層主要物理力學參數(shù)見表1。表1主要地層物理力學參數(shù)圍護結構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3.3MiMis-*500.1745中砂（稍密）L418.5150.2625卵石土（巒實）22,5SO0,1745mm,樁芯混凝土為C30,樁長21m。樁頂設冠梁，樁間掛?10 x?8150mmX150mm鋼筋網(wǎng)并噴

4、射厚150mmC20混凝土，圍護樁與掛網(wǎng)噴射混凝土間應可靠連接?；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為圍護結構剖面圖。腺始地lid級圖1圍護結構剖面示意（單位2基坑監(jiān)測2.1監(jiān)測方案監(jiān)測工作從基坑開挖前開始，到第一道支撐拆除后結束。監(jiān)測時段為2010年2月24日一8月7日。采用CX-03數(shù)字顯示測斜儀，該儀器屬于伺服加速度式測斜儀。在施工過程中對全樁長每天觀測一次，步長為1.0m。若發(fā)現(xiàn)變形比較大或情況異常時，步長加密為0.5m。

5、為了保證安全，在基坑周邊共布置了27個測斜孔。2.2監(jiān)測結果及其分析選取了不同空間位置有代表性的監(jiān)測點（22#,148#,215#,256#,273#），對該地鐵車站深基坑開挖過程中圍護樁水平變形特點進行分析。1）圍護樁最大變形分析各代表性監(jiān)測點最大變形結果見圖2458圖2各監(jiān)測點城人變形（單位：nun）由圖2可見：基坑陰角部位22#測點的最大變形值為0.97mm，而基坑陽角部位256#測點最大變形值為3.26mm，遠大于陰角部位的變形值；長邊中點215#測點最大變形值為5.04mm，而短邊中點148#測點最大變形值為1.66mm，遠小于長邊中點；特殊部位（擴大端）273#測點最大變形值為4.

6、58mm，變形較大。因此，在地鐵車站深基坑施工過程中，針對陽角、長邊中點、擴大端等特殊部位應重點加強支護和監(jiān)測。2）圍護樁變形最大部位分析圖3為各監(jiān)測點全樁長的最終水平位移曲線。由圖3可見：各圍護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,應加強支護和監(jiān)測，及時掌握基坑變形動態(tài)特征。3）圍護樁變形與支撐施作時間分析監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，215#測樁的變形幅度最大，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給出了該處側向變形發(fā)展過程曲線與支撐施作時間的對應關系。圖3；$監(jiān)測點金樁長累枳位移曲線監(jiān)測日卿月-11】圖421J測樁-9m處變形時程曲線與支撐施作時阿的對戒關系由圖4可見：第一道支撐施作前后，由于開挖深度較小，圍護樁樁長較大，該道支撐對樁體變形影響較小。隨著開挖深度不斷加大，該處側向變形開始加劇增長；第二道支撐施作之后，側向變形速度明顯減緩。開挖深度進一步加大，坑底逐步遠離第二道支撐，該處側向變形又開始加劇增長；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#測樁-9m截面處的側向變形主要發(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，合計在6cm以內(nèi)?？梢姡幼冃螘r程、變形幅度和變形速率與支撐施作時間密切相關，表現(xiàn)出明顯的時效性。3深基坑支護體系有限元分析基坑開挖對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。為了進一步分析該車站深基坑開挖圍護過程中的應力一應變特征，采用有限元軟件GeoStudio的Sigma模塊進行數(shù)值模擬分析。3.1模型建立選用理想彈塑性本構關系摩爾一庫倫準則，模型采用四節(jié)點矩形單元。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)基坑開挖的實際施工順序，分為四次開挖，設置三道內(nèi)支撐。3.2開挖過程應力應變特征分

9、析圖5是從地面開始沿樁長方向，每隔約2.5m取一點所得應力應變隨開挖時步變化曲線圖。-*117石奢-*117石奢他他EE二-鑒朝F+餐n1i.o弔JVJo46Lu*1h9I1爐m慢應険虞A圖5W甘處地層應力應變隨開挖時步的變化1目1線從圖5中可見:1）最大主應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力集中，導致最大主應力發(fā)生從水平方向分布向豎直方向分布的應力偏轉(zhuǎn)。2）最小主應力隨開挖過程變化明顯，首次開挖由于不到1m，最小主應力沒有明顯變化。此后的三次開挖在深度19m附近（中砂層分布處）最小主應力明顯減小，可見該處是地層受力薄弱點。3）最大

10、剪應力隨開挖過程受最大、最小主應力差值控制，故最大剪應力變化點為最大、最小主應力變化的共同點處，即樁腳及中砂層分布處。這些部位也是整個基坑影響范圍內(nèi)應力集中明顯、塑性區(qū)分布的地點。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開挖完成后應力應變特征分析圖6為圍護結束時的應力變形分布圖，可以看出1）最大主應力（圖6（a）總體是隨著深度增加而變大，在鄰近圍護樁側及樁腳處應力明顯豎直向偏轉(zhuǎn)。在開挖面樁腳處最大主應力從100kPa增加到400kPa,表現(xiàn)為明顯的應力集中。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)，形成相對軟弱帶。由圖中可見在該水平夾層處，應力值由100kPa快速變小，至圍護樁處減小至0。最小主應力的另一個快速變化點為樁腳部位，在該處從50kPa減小到50kPa（表現(xiàn)為拉應力，證明此處已出現(xiàn)塑性破壞），同樣應力集中明顯。在圍護樁頂后緣一定距離處及基坑底部也同樣出現(xiàn)了拉應力，表明這些部位已出現(xiàn)塑性破壞。3）最大剪應力（圖6（c）受最大、最小主應力差值控制，主要表現(xiàn)為隨深度增加而變大。剪應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。最大剪應力的次一級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）受地層力學參數(shù)和應力分布共同控制?；铀苄詤^(qū)主要分布在三個部位：樁底、軟弱中砂層及樁腳一定深度部位?？偟膩碚f塑性區(qū)僅分布在局部范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)大范圍貫通而導致塑性流動、失穩(wěn)現(xiàn)象?；游挥诘湫偷纳奥咽貙又?，中砂層是整個基坑變形破壞易發(fā)部位。選擇護壁樁加三道橫向支撐作為圍護體系，監(jiān)測和數(shù)值分析結果顯示本圍護體系能滿足安全施工要求。在空間分布上，基坑陰角部位側移明顯小于陽角部位；基坑輪廓長邊中點部位變形明顯大于基坑短邊中點；基坑側壁均表現(xiàn)出面向基坑內(nèi)一定程度的側向變形，各圍護樁的最大側向變形普遍集中在樁體中部距離樁頂411m區(qū)段范圍內(nèi)。這些部位應重點加強施工監(jiān)測和支護。在時間分布上，施工過程的第二次和第三次開挖是整個基坑體系變形的主要發(fā)生時段。在該時段，基坑塑性區(qū)部位最小主應力分化明顯，局部甚至出現(xiàn)拉應力。在實際施工中，應重點對該時段加強觀測。參考文獻1劉愛華，黎鴻，羅榮武.時空效應理論在軟土深基坑施工中的應用J.地下空間與工程學報，2010，6(3):571-576.2楊國偉，王如路，劉建航.時空效應規(guī)律在深基坑施工中的應用J.地下空間與隧道，2000(4):41-45.3賀寶橋.新奧法設計施工原理J.中國水運，200