虽【工程技术】 王沛刘彦涛刘岩苗沛 天津地铁车站 基坑围护结构变形与支撑内力分析 一、前言 (二)基坑支护概况 随着我国城市建设规模不断扩大,高层 建筑及地下交通工程建设中面临很多深开挖 问题,特别是在城市地铁建设过程中,有大 量的地铁车站深基坑工程。天津城区地铁车 站基坑开挖深度一般在18米左右,多数采用 车站主体基坑围护结构采用钢筋混凝土 地下连续墙,连续墙厚800毫米,标准段地连 墙长34米。车站主体第一道内支撑采用钢筋 混凝土支撑,车站标准段第二道~第四道支撑 采用直径800毫米钢管内支撑。地下连续墙与 内支撑支护体系。在施工过程中,基坑内外 土体应力状态的改变会引起土体变形,造成 支撑杆件受力和围护结构变形。天津城区土 钢筋混凝土内支撑材料强度等级均为C30,钢 管内支撑选用Q235钢。车站基坑剖面图如图1 所示。 体含水率高、强度低,因此采用不 同的强度指标计算支挡结构受力和 变形,将得出不同的结果。笔者通 过杆系有限元分析方法,采用不同 的强度指标对天津地铁车站基坑进 行模拟计算,然后与现场实际监测 的数据进行对比分析,研究车站基 坑在开挖过程中围护结构变形与支 撑内力变化特性。 二、工程概况及地质条件 (一)工程概况 天津地铁五号线工程某车站总 建筑面积1.66万平方米,该车站为 地下双层岛式站台车站,车站长度 为294.2米,标准段总宽20.7米,基 坑标准段深16.7米,盾构井段深 18.7米,明挖土方l1.11万立方米。 车站主体采用二柱三跨矩形钢筋混 凝土框架结构,横向柱网尺寸为 6.90米+5.50米+6.90米,纵向柱距 为8.5米。车站主体部分采用明挖法 施工。 图1车站基坑剖面图 量【工程技术】 (三)工程地质、水文地质条件 拟建地铁车站位于天津城区北部平原,场区地 层主要为第四系全新统人工填土层、第1陆相层、 第1海相层、第Ⅱ陆相层和第Ⅲ陆相层。其中,主 要开挖的土层为①l杂填土,层厚2.5米;④2粉土, 层厚3.5米;⑥4粉质粘土,层厚6.5米;⑦粉质粘 土,层厚2米;⑧l粉质粘土,层厚3.0米。该场地 范围内的孔隙潜水主要集中在填土层、第1陆相层 ④2粉土层、第1海相层⑥3粉土层中,该含水层主 要由粉土构成,局部夹粉砂透镜体。第1海相层⑥ 4粉质粘土层及第Ⅱ陆相层⑦粉质粘土层为相对隔 水层。第Ⅱ陆相层⑧2粉砂、⑧23粉土、⑨2粉土、 ⑨24粉砂、⑩2粉砂为第一承压含水层。初见水位 埋深为0.60米~1.30米。 (四)土体开挖步骤 车站基坑土体按照随挖随撑的原则进行开挖, 其具体工况如表1所示。 三、杆系有限元计算 (一)计算原理 计算采用弹性地基梁法,假定挡土结构为平面 应变问题,取单位宽度的挡土墙作为竖向放置的弹 性地基梁,支撑和锚杆简化为弹簧支座,基坑内开 挖面以下土体采用弹簧模拟,在挡土结构外侧作用 水土压力。考虑土体的力学性质及水平支撑的材料 属性和刚度大小,将弹性地基梁划分为若干单元, 列出弹性地基梁的微分方程式1和式2,用有限元方 法进行求解。 EI=粤-d-ea(Z)=0(o≤z≤h ) (1) Z’ EI= +mbo(z—h )y-e ̄(z)=0(z≥h ) (2) QZ 其中,EI为围护结构的抗弯刚度;v为围护结 构的侧向位移;z为深度;m为地基土水平抗力比 例系数;hn为第rl步的开挖深度。 (二)计算参数的选取 本次计算支护结构选取线弹性模型,地下连续 墙及第一层水平支撑为C30钢筋混凝土,弹性模量 取30吉帕,泊松比取0.2;第二层~第四层水平支撑 构件为Q235钢管支撑,弹性模量取21o吉帕,泊松 比取0-3。 作用地连墙的荷载,按照快剪指标和固结快剪 。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。 ^’ 。h _。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。_。。。-●。_● 。。。。。。 721 J ̄ \ 指标,依据式3和式4分别进行水土合算土压力和水 土分算土压力计算。 Pak=tral【K 一2ci、/ (3) Pak=(a ̄--U )K -2cix/K +u (4) 其中,P 为支护结构外侧,第i层土中计算点 的主动土压力强度标准值(千帕);or 为支护结构 外侧计算点的土中竖向应力标准值(千帕);K 为 第i层土的主动土压力系数;u。为支护结构外侧计算 点的水压力(千帕);c 为第i层土的黏聚力(千帕)。 (三)计算结果分析 本次计算按照表l中的工况1~工况4进行,图 2~图5为不同荷载作用下的地连墙变形曲线。可以 看出,无论是采用快剪指标还是固结快剪指标计算 土压力,随着土体开挖深度加大,地连墙侧向最大 变形量位置逐渐下移,墙体最大变形均发生在土体 开挖面以下l米左右,图2~图5中最大变形值依次 为9.34毫米、l6.61毫米、l1.47毫米和16.83毫米; 不同荷载和不同工况条件下,墙顶水平位移在工况 2和工况3中均出现向坑外方向变形,但变形量不 大,均未超过1毫米。负二层~负四层支撑随着土 体的开挖,各支撑点坑内方向位移均出现减小趋 势,负二层~负四层支撑点位移减小幅度依次为 72%、62%和22%。 从图6中可以看出,随着土方的开挖,首层支 撑轴力在工况1条件下,承担轴压力最大,平均值 达 ̄1J710千牛;而工况2和工况3首层支撑轴力均转 换为轴拉力,最大轴拉力达 ̄1J302千牛;至工况4首 层支撑轴力转换为轴压力,最大轴压力达到132千 牛。首层支撑轴力的变化与墙体的变形相吻合,即 随着土体开挖面下移,首层支撑轴压力呈明显减小 表1 车站基坑土体开挖工况 工况编号 基坑施工内容 0 下挖1.2米后,支设负一层钢筋混凝土支撑。 1 开挖第一步土方,开挖深度4.5米。 2 支设负二层支撑后,开挖第二步土方,开挖 深度为4.3米。 3 支设负三层支撑后,开挖第三步土方,开挖 深度为3.4米。 4 支设负四层支撑后,开挖第四步土方,开挖 深度为3.3米。 量【 技术】 。10・0 0.0 10.0 E、 20.0 一 00・0位移/mm ‘0 0 r—t—1—1—— .,—1—1——r—T—,—1——r—r—T—1——r—r—1 10・o 0-0 10.0 20・O 0-0位移/mm ・5.O 潞 -5.0 === …一: 夫… 、-l -10.O .1O.0 :…工 , 瓜 F 1L 快.合算.工况1 .l .15.O 15.0 【 , 工况1 ……・-—●一 快.分算.快 合算.工况2 快.合算.工况3 -- ・ -ji( 螂 — 快.分算 工况2 R 快.分算.工况3 20.O 快.合算.工况1 20.0 !.摹…. I▲ , 簪 【 ’匣 快.分算.工况4 -25.O ・25.0 L● . -- ・30.0 ・30.0 £、 .一 -f 35.0 35.0 图2 固结快剪参数合算地连墙变形图 图3 固结快剪参数分算地连墙变形图 。 O・0 0・0 0-0 0・0 0 0‘0位移,mm 0.0 10-0 0.0 o・0 n0 20.0 30.0位移,mm 氍 -5.0 ; -.. … -5.0 ・ ・..瓷. .l ・l0.O l、lIT -10.0 …r._._&一 ■ -』= .瓜 , l……f …….-—-_ .合算.工况1 -两 ^ 分算.工况l ……・—・一 剪.15.O l5.0 - ~ ● E 、 I” ’ l … … I‘‘L● .合算.工况2 、E ‘_ 剪.分算.工况2 型 -—=- .'ZT.ZZ :Z ̄ .合算.工况3 合算.工况4 -}. 20.O — 剪.分算.工况3 剪.分算.工况4 I五 20.0 -- 【 ’ -● -25.0 ● 25.0 ● ‘ ● ● - ・● i 30.0 l I | -30.0 I| II ■ 35.0 —-35.O 图4快剪参数合算地连墙变形图 图5快剪参数分算地连墙变形图 J。。。。。。。 。。。‘ 。。 ‘。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。—— / 城市I73 量【工程技术】 z'l, 毒霉| 剿 撩 0 蛳 抛 。1 抛 枷 种 湖 啪 2 3 4 5工况 ; +快剪-分算- 首层轴力 l } —-・一快剪-台It- 首层轴力 +匿快-分算- 首层轴力 _.-固快-台tt- 首层轴力 8 r l 图6不同条件下第一层支撑轴力比较图 趋势,而墙体顶端由坑内变形向坑外变形转移。因 此,地铁车站基坑首层支撑采用钢筋混凝土支撑结 构更为合理。 如图7所示,随着支撑位置的下移,越靠近基 底位置,支撑所承担的轴压力越大;采用水土压力 分算方法计算出的支撑轴压力明显高于水土压力合 算方法计算的结果,二者数值相差30%左右。 四、监测数据对比分析 (一)现场监测数据 监测内容主要为地连墙侧向位移和钢支撑轴力 测试,墙体位移采用精度为0.02毫米,0.5米的滑动 测斜仪进行测量;钢支撑内力采用钢弦式轴力计测 试,传感器精度为0.5%F.S。墙体变形曲线以底板 混凝土浇注前为分析节点,支撑轴力以钢支撑为分 析对象。 (二)数据比较与分析 从图8中可以看出,墙体的变形形态与计算结 果相一致,实测中墙顶最大位移为向坑外方向2毫 米;墙身最大变形位置发生在基底以上1.5米处, 最大变形量为10.6毫米。采用快剪指标进行水土压 力分算,计算出的最大变形量为16.83毫米,而采 用水土压力合算计算出的变形结果最大值分别为 1 1.47毫米(快剪)、9.34毫米(固结快剪)。 从图9中可以看出,负二层 负四层钢支撑最 大轴压力依次为974.9千牛、1237.7千牛和1049.4千 牛,全过程平均值依次为821.7千牛、1 101.0千牛和 1045.9千牛。从实测轴力看,负三层与负四层支撑 轴力相差5.26%,说明墙外土压力在一l3米以下不 再增加,维持原状。数值计算方法中,采用固结快 。。。。‘ ‘●^ -。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 _。^。-^__----_。。。 。。。。。。。。。。。。。。。_-____、 741 Jll ̄r \ o 1 2 3 4 5 支撑序号 ● ; 1 ‘—--一快剪.Sit-支 撑轴力 ^\ \ —・一快剪.台 支 \\ \. 撑轴力 —・-一固快.分lt-支 撑轴力 \、 +固快-台算.支 撑轴力 图7不同条件下各层支撑轴压力最大值比较图 剪指标进行水土压力合算,计算出的支撑轴力最 小,各层支撑轴力值依次为2224.92千牛、3097.32 千牛和4082.4千牛;实测值分别占理论值的36.9%、 35.5%和25.6%。 通过墙体变形理论计算与实测值比较可以得 出,利用快剪指标进行水土压力合算作为墙体外侧 荷载计算出的墙体变形值与实测值较为接近。其主 要原因如下:一方面,车站基坑属于狭长基坑,每 一段土方开挖较快,土体渗透系数较小,土体还没 有完全固结排水,此时的强度指标应该为快剪强度 指标;另一方面,地连墙整体刚度大,变形协调能 力强,因此其实际变形效果小于理论计算值。钢支 撑理论值与实测值存在差异的原因在于,一方面, 墙后土压力分布情况与理论分布不一致;另一方 面,车站基坑支撑安装方式是随挖随撑,当开挖完 成后,墙体已经发生了一定程度的变形,墙后土体 压力会重新分布,因此钢支撑所受的轴力比理论计 算值小。 、 五、结论 通过理论计算,可以得出以下结论:车站基坑 负一层支撑体系随着土方的开挖,其所受轴力由轴 压力转向轴拉力,因此负一层支撑体系采用钢筋混 凝土支撑更利于基坑安全。 实测各层支撑轴力值与理论计算值相差较大, 基坑深度开挖越深,支撑轴力理论值越偏于安全, 墙后土压力的分布形式和土方开挖方式是主要影响 因素。从理论计算数值与实测值的比较来看,采用 水土压力合算方法,利用固结快剪指标计算结果最 接近实测轴力。 虽【・: 技术】 0 。20 40 60 80 1 监测次数 l0-0 0・0 。-0 0 0 。位移/mm 1400.0 写蛋L 置 l200.O ● 峨 一二 Z 1叩uu -墨--:,800.0 TU 颦 '-4 6o0.0 400.o ( , 一 。 V 一' ●F-l 一+第=层支撑轴 力 第三层支撑轴 力 第四层支撑轴 力 ・ f ^. +疆 。 +工况3 2o0.0 +l 、—- 一工况4 0.0 E I f; r , ; +浇注混凝 士底板前 图9 不同工况支撑轴力实时变化曲线 元 … 【9】中国建筑科学研究院.JGJ120—2012 ̄筑基坑支护技术规程 【S】.北京:中华人民共和国建设部,2012. j|r r 『中图分类号1 TU753 『文献标识码1 B 【文章编号】1005—278X(2014)08—007l一05 『收稿日期1 2014年7月 图8不同工况墙体变形曲线 『基金项目1天津市建交委科技项目《天津市城市轨道交通工 程重点建设环节质量控制研究》(20l2-6);天津市建交委科 地连墙变形形态实测值与理论计算值相吻合, 墙顶均}}I现向坑外方向位移,与支撑轴力分析相对 应。利用水土压力合算方法,采用快剪强度指标计 算地连墙的变形值最接近真实值;若采用固结快剪 指标,其理论计算变形值要小于真实值。 f参考文献1 技项目《天津市城市轨道交通工程重点建设环节质量安全管 理研究》(201l-38);天津市建交委科技项目《天津特殊土层 的渣土改良与盾构掘进控制技术研究与工程应用》(20l3— 26);天津市建交委科技项目《复杂环境下盾构施工控制技术 研究与应用》(2013—17);天津市高等学校科技发展基金计划 项目《天津软土地基强度参数综合原位测试研究》(20l209l1) 『作者简介1王沛,天津城建大学地质与测绘学院;刘彦涛,天 津市建设工程技术研究所;刘岩、苗沛,天津路桥建设工程有 限公司 【11应宏伟,杨永文,胡安峰,等.软土某深基坑开挖的实测性状 和环境效应分析『J1.土木工程学报,20l】(S2):90—93. 『21武朝军,陈锦剑,叶冠林,等.苏州地铁车站基坑变形特征分 编辑:段斌 析….岩土工程学报,2010(S1):458—462. 『31杨有海,武进广.杭州地铁秋涛路车站深基坑支护结构性状 分析….岩土力学与工程学报,2008(S2):3386—3392. 『41胡安峰,张光建,王金昌,等.地铁换乘车站基坑围护结构变 形监测与数值模拟『J1.岩土工程学报,2012(S1):77—81. 『51刘杰,姚海林,任建喜.地铁车站基坑围护结构变形监测与 数值模拟IJ】.岩土力学,201O(S2):456—461. [6】.深大基坑施工对邻接地铁工程的影响分析【J】.地下空 间与工程学报,20l0(S1):l432—1437. f71霍润科,颜明圆,宋战平.地铁车站深基坑开挖监测与数值 分析『J1.铁道工程学报,201 l(5):81—85. 【8】刘国彬,王卫东.基坑工程手册【M】.北京:中国建筑工业出 版社.20l0. 。 ’。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’’’’’ ’’。’ 。’。 。。。。。。。。—’— / 城市I75