L形地铁换乘车站超深基坑支护结构设计优化分析_金平.pdf

2023 年*安徽省学术和技术带头人后备人选科研活动经费支持项目(2018H170)通信作者L 形地铁换乘车站超深基坑支护结构设计优化分析*金平1王涛1蔡海兵2 龚永旺1黄军1(1中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，230022，合肥;2安徽理工大学土木建筑学院，232001，淮南第一作者，高级工程师)摘要以福州地铁洪塘路换乘车站 L 形超深基坑为工程背景，采用 Midas GTS 有限元软件模拟了超深基坑的开挖和支护过程，对换乘节点处围护结构的水平位移、内支撑轴力和地面沉降进行了综合分析。模拟结果表明，在换乘节点处，将原设计的 7 道内支撑优化为 5 道内支撑的支护方案切实可行。将数值模拟结果与工程应用过程中的现场实测数据进行了对比分析。结果表明:换乘车站超深基坑采用分区隔断+5道内支撑的支护方案是安全可行的，其地下连续墙的水平位移值、内支撑轴力值和地面位移值均满足规范要求。关键词地铁;换乘车站;超深基坑;支护结构中图分类号TU4732DOI:1016037/j1007869x202301012Design Optimization Analysis of Ultra-deep Foun-dationPitSupportingStructureforL-shapedMetro Interchange StationJIN Ping，WANG Tao，CAI Haibing，GONG Yong-wang，HUANG JunAbstractTaking the L-shaped ultra-deep foundation pit ofHongtang oad interchange station of Fuzhou Metro as the en-gineering background，the excavation and supporting process ofthe ultra-deep foundation pit is simulated by Midas GTS finiteelement software，and the horizontal displacement，internalsupport axial force and land subsidence ofthe enclosurestructure at the interchange node are comprehensively analyzedSimulation results show that it is feasible to optimize theoriginal 7-lane internal support to 5-lane internal support at theinterchange node The numerical simulation results and the fieldmeasured data from the engineering application process arecompared and analyzed esearch results show that it is safeand feasible to adopt the support scheme of partition+5-lane in-ternal support for the ultra-deep foundation pit of interchangestation，and the horizontal displacement value，internal supportaxial force value and land subsidence value of the diaphragmwall all meet the specification requirementsKey wordsmetro;interchange station;ultra-deep foundationpit;supporting structureFirst-author s addressUrban ail Transit EngineeringBranch Co，Ltd of CTCE Group，230022，Hefei，China地铁车站一般设置在人口比较集中的区域，周边环境较为复杂。基坑工程的设计既要保持支护结构体系和基坑自身的稳定，又要保证周边环境的安全。近年来，许多专家学者在深基坑支护理论和试验研究1-2、现场监测及数值模拟3-5 等方面取得了诸多研究成果。文献 6 以北京地铁 9 号线为工程背景，采用北京理正深基坑分析软件对优化设计前后的基坑开挖情况进行了对比分析，发现优化后的设计方案在实际施工时发挥了良好的作用，且现场监测数据几乎与模拟结果一致。现阶段，深基坑的支护结构设计与施工现场的契合度还不高。相比较而言，超深基坑在进行施工时，其所受的地质条件、周围环境及地下管线更为复杂。为此，在进行超深基坑施工设计及施工过程中，更要保证安全、耐久、经济和环保等要求。本文以福州地铁 4 号线(以下简称“4 号线”)和地铁 5 号线(以下简称“5 号线”)洪塘路 L 形换乘车站超深基坑工程为研究背景，采用 Midas GTS有限元软件对换乘节点处的基坑支护方案进行优化，并通过地下连续墙(以下简称“地连墙”)水平位移、内支撑轴力和周边地面位移的现场实测数据验证优化方案的可行性与安全性。本文研究可为其他类似基坑工程的施工提供设计思路。1工程概况11场地概况洪塘站为 4 号线和 5 号线的换乘车站，位于洪06第 1 期研究报告塘路与闽江大道交叉口。4 号线和 5 号线基坑分别沿洪塘路和闽江大道敷设，两者互为 L 形。4 号线为地下四层双柱三跨结构，车站长为 1874 m，标准段宽为 239 m，埋深为 3230 3620 m。5 号线为地下两层双柱三跨结构，车站长为 2655 m，标准段宽为 227 m，埋深为 17752035 m，半盖挖施工。12工程地质与水文地质洪塘站主要地层为杂填土、粉质黏土、中粗砂、残积粉质黏土、残积砂质黏土和全强风化花岗岩。5号线初见水位埋深为 120 650 m，初见水位标高为 647 1073 m;稳定水位埋深为 130 400m，稳定水位标高为 614 995 m。4 号线初见水位埋深为 070410 m，初见水位标高为 544980m;稳定水位埋深为 120380 m，稳定水位标高为556995 m。13原支护结构设计方案洪塘站超深大基坑原设计为大开挖。5 号线基坑支护形式为:08 m 地连墙+1 道混凝土支撑+2 道 800 mm 钢支撑;4 号线和换乘节点处坑支护形式为:12 m 地连墙+4 道混凝土支撑+3 道 800 mm钢支撑。洪塘站超深基坑采用大开挖方式的缺点有:施工资源投入过多，浪费严重;受不同地层影响，基坑降水成为施工难题;超深大基坑全暴露式开挖，施工风险比较高;基坑大面积暴露会造成周边路面、建(构)筑物均匀或不均匀沉降;4 号线地连墙深为 46 m，施工功效较低，造成整个基坑开挖时间滞后。14支护结构优化方案1)采用封堵墙将洪塘站分为 5 号线、4 号线和换乘节点 3 个独立基坑。3 个基坑彼此独立，分区开挖分区支护，规避基坑大面积暴露风险，且满足铺轨工期节点要求。2)4 号线基坑支撑体系由原设计的 4 道钢筋混凝土支撑+3 道钢支撑调整为 4 道混凝土支撑(08 m10 m、10 m10 m、14 m12 m、12 m10m)+1 道 800 mm 钢支撑;换乘节点处基坑由原设计的 7 道混凝土支撑调整为 5 道混凝土支撑;5 号线基坑维持 1 道钢筋混凝土支撑+2 道钢支撑不变。该方案按“结构层数加 1”原则布置，更有利于结构板回筑，施工一层切除一层，其适用性较强。3)根据不同地层，3 个基坑分别选择不同的降水方案。对于 5 号线富水砂层基坑，主要降(含泥)中粗砂层的孔隙承压水，根据单井降水量布置降水井，选择反循环钻机施工降水井，采用桥式滤水管;对于换乘节点和 4 号线超深基坑，主要降风化岩的孔隙裂隙承压水和基岩裂隙承压水，根据单井降水面积布置降水井，选择潜孔钻机施工降水井，采用桥式滤水管。2基坑支护数值模拟21计算模型采用 Midas GTS 有限元软件对基坑施工过程进行动态数值模拟分析。以换乘节点为研究重点，模型尺寸为 232 m(长)240 m(宽)100 m(高)。根据详勘地质资料，将土体从上而下划分为 8层。土体采用修正摩尔库伦本构模型和三维实体单元进行模拟，采用弹性模型模拟钢筋混凝土结构。支护体系中，内支撑、冠梁等采用梁单元模拟，地连墙采用板单元模拟。边界条件为:模型顶面为自由面，无约束;底面所有节点施加位移约束 Tx、Ty、Tz;侧面所有节点施加约束 Tx、Ty;地连墙底部节点施加约束 Tz，限制其竖向位移。地层物理力学参数如表 1 所示，支护结构物理力学参数如表 2 所示。表 1地层物理力学参数Tab1Physical and mechanical parameters of stratum名称重度/(kN/m3)黏聚力/kPa内摩擦角/()泊松比压缩模量/MPa杂填土175060120026粉质黏土1856273140031435淤泥质土168213397044262中粗砂180030280035粉质黏土1882265152032564砂质黏土1787239199028496全风化岩1900250250027强风化岩2000280280025表 2支护结构物理力学参数Tab2Physical and mechanical parameters of support-ing structure名称弹性模量/GPa泊松比重度/(kN/m3)地连墙315020250混凝土支撑300020250钢支撑2100026785对换乘节点超深基坑优化前后的支撑支护方案分别进行三维有限元模拟，重点分析地连墙水平位移、支撑轴力和地面位移的变化规律。优化前后的支撑布置方案有限元模型如图 1 所示。162023 年图 1支撑布置方案有限元模型Fig1Finite element model of support layout scheme22施工阶段工况模拟基坑施工阶段工况如表 3 所示。表 3基坑施工阶段及施工步骤Tab3Foundation pit construction phases and steps施工阶段工况1地连墙施工及冠梁浇筑2开挖至 10 m，施工第 1 道支撑3开挖至 82 m，施工第 2 道支撑4开挖至 147 m，施工第 3 道支撑5开挖至 209 m，施工第 4 道支撑6开挖至 284 m，施工第 5 道支撑7开挖至 333 m，基坑开挖完成3计算结果分析31地连墙水平位移计算结果换乘节点处，优化方案施工过程中，各工况下的地连墙水平位移云图如图 2 所示。由图 2 可知，地连墙水平位移在整个基坑开挖过程中逐渐增大，且最大变形位置逐渐下移。当换乘节点开挖完成时，最大位移为 26145 mm。根据国家相关规范规定，支护结构最大水平位移不超过基坑开挖深度的015%，且不宜超过 30000 mm。优化后的 5 道支撑能够满足相关规范要求。32内支撑轴力计算结果换乘节点处，按优化方案施工过程中，各个工况下的内支撑轴力云图如图 3 所示。由图 3 可知，当换乘节点深基坑开挖至坑底时，最大支撑轴力出现在第 4 道混凝土支撑上，最大支撑轴力为 6 499kN，能够满足混凝土支撑稳定性要求。33地面位移计算结果换乘节点处，优化方案施工过程中，各个工况下的基坑周边地面位移云图如图 4 所示。由图 4 可图 2地连墙水平位移云图Fig2Nephogram of underground diaphragm wall horizontal displacement图 3内支撑轴力云图Fig3Nephogram of internal sup