地铁宽基坑围护结构变形规律研究_罗程程.pdf

ISSN 1672-2841CN 44-1587/Z广东水利电力职业技术学院学报 2023 年 第 21 卷 第 2 期Journal of Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering，2023，Vol.21，No.2收稿日期：2022-06-09基金项目：中国铁建股份有限公司科技研究开发项目（13-C01）作者简介：罗程程，女，工程师，研究方向为建筑工程。10-14地铁宽基坑围护结构变形规律研究罗程程（中铁十八局第三工程有限公司，河北 涿州 072750）摘 要：以长春地铁车站工程项目为研究对象，通过数值模拟对地铁基坑的围护结构进行建模，预测变形结果。结合预测结果对实际工况进行分析，并在此基础上分析围护结构的变形概率分布特征。研究表明：围护结构的支撑和主体结构对模型水平位移变形影响较大，尤其当支撑和主体结构被移除后，基坑围护结构易变形，因此在拆除支撑时应立即开始主体结构施工；围护结构水平位移会随开挖深度增加而增加，结构外偏移也越明显，其中围护结构水平位移大小经验分布与 hm/He呈负相关，累计密度与 hm/He呈正相关，而围护结构水平位移深度位置经验分布随 hm/He先增大后减小，累计密度与 hm/He呈正相关。由此可估算基坑结构变形情况，并得出风险概率。关键词：地铁车站；宽基坑；围护结构；变形情况；概率分布中图分类号：TU753；U456 文献标识码：A 文章编号：1672-2841（2023）02-0010-05 地铁是城市发展的必要条件。为解决交通问题，城市地铁往往需相互贯通且运量大，因此其开挖深度和宽度也越来越大，由此带来一系列工程问题。尤其是支撑结构问题，若达不到要求，势必引起基坑部分结构失去实际功能。针对目前地铁站基坑施工的影响因素，许多学者展开了研究。曾超峰等1提出基坑内部布置结构，改善变形控制理念，分析了内隔墙在开挖前抽水引起的基坑变形原因，并研究结构间距对变形效果的影响。许四法等2以基坑施工时期隧道变形数据为基础，分析了施工全过程隧道变形情况。丁智等3对全过程深层基坑开挖侧向位移与邻变形情况相关规律进行分析，得出实际工况中施工的危险节点和主要影响区域。刘念武等4结合地铁车站深基坑工程实况，探讨了地铁站深基坑围护结构对附近建筑物的影响变形特征。王宝等5分析了坑围护结构变形情况与温度变化之间的相互影响。华志刚等6根据基坑工程周围环境、基坑围护结构刚度及施工监测数据，分析了宽基坑的变形规律。王立忠等7提出一种基于偏态高斯曲线机动场的分析法，应用于软土宽基坑稳定性分析，并通过 MMSD 算法分析软土基坑支护的变形情况。虽然目前国内对于地铁站基坑围护结构变形情况有不少研究，但对其变形特征的研究较少，尤其在宽基坑围护结构变形特征方面。地铁宽基坑工程涉及多门学科，围护结构受力体系较复杂，且存在不确定性。一方面需保证基坑围护结构变形情况在可控范围内，另一方面由于在市内施工，需尽量减小施工对周边的影响。很多地区宽基坑工程未充分考虑时空效应，且影响围护结构变形因素众多，包括支撑架设及梁板结构施作是否及时等，均会导致基坑失稳。因此本研究对地铁宽基坑围护结构变形进行预测，并在此基础上进行实测结构分析，对围护结构水平位移情况对应的概率分布特征进行研究，由此探究围护结构变形特征，预测地铁站运行时基坑结构变形情况，提出即时补救措施，为实际工程提供参考。1 工程工况1 工程工况长春市城市轨道交通6号线经过路段为岱山公园站 飞跃广场站，其总建筑面积 13 271 m2，其11罗程程：地铁宽基坑围护结构变形规律研究中主体建筑面积 9 750 m2，附属建筑面积 3 521 m2。6 号线飞跃广场站周边环境如图 1 所示。飞跃广场地铁站采用明挖法施工，车站总长208.60 m，标准段总宽 22.70 m，车站轨面埋深约32.65 m，车站主体覆土高度约 7.77 m，其基坑工程平面布置见图 2。车站内土层分为杂填土层、中粗砂层、粉质黏土层、粉细砂层、中粗砂层和卵石层。其中地下结构成槽深度约 46.7 m，嵌固深约 12 m（具体围护结构剖面见图 3）。6 号线基坑围护结构采用的围护支撑体系包括1 m 厚的地下连续墙、混凝土支撑和钢体支撑。设置 5 道支撑，其中只有第 1 道使用混合支撑形式，包括钢支撑和混凝土支撑，混凝土支撑和钢支撑的水平间距分别为 6 m 和 3 m；第 25 道支撑全为钢支撑，水平间距为 3 m。在基坑跨中设置 50 cm 的立柱桩，其长度为 15 m，并在上方设置格构柱，其插入深度不得低于 3 m。测点布置情况见图 4。施工开始前，使用测斜仪监测结构变形情况，得出控制限值为 30 mm。基坑开挖采用多种施工工艺，包括纵向分区、竖向分层、随撑随挖和中间拉槽等。87 560 个单元和 161 981 个节点模型，尺寸为 405 m 255 m68 m，其中区域尺寸为 209 m28 m 30 m。将基坑模型进行简单划分，填土层 4.95 m、粗砂8.1 m、粘土16.9 m、细砂4 m、圆砾石4.55 m、粉质粘土 39.5 m。因为存在潜水和承压水，因此在模型下设置水头，分别在地表以下 10 m、17 m、28.5 m 处建立。采用修正摩尔-库伦模型，可改善摩尔-库伦本构引起的基坑问题，且根据岩土工程勘察报告和相关规范计算每层土体及支撑的物理参数（见表 1）。地层使用实体单元进行模拟，地连墙采用板单元，钢支撑、混凝土支撑采用梁单元，并建立两种数值模型进行对比。第一个模型：先对基坑进行降水处理，随后进行土方开挖、拆除支撑结构并施作主体结构；第二个模型：先对基坑进行降水处理，随后进行土方开挖、施作主体结构，该模型不拆除支撑结构。2.2 宽基坑变形结果预测分析通过数值模拟可知，方案一的围护结构变形情况不一，其中东西侧水平位移最大值分别为图 3 围护结构剖面图 2 工程平面布置图 4 测点平面布置图 1 6 号线飞跃广场站周边环境2 宽基坑围护结构变形特征2 宽基坑围护结构变形特征2.1 模型与计算参数确定通过有限元数值模拟建立基坑模型，包括 2023，21（2）12广东水利电力职业技术学院学报46.9 mm 和 39.1 mm。方案二的东西侧水平位移最大值分别为 16.2 mm 和 15.3 mm，说明支撑和主体结构对模型变形有巨大影响。本试验以施工工况变形特征为分析重点，研究结构变形出现超限现象原因，图 5 为不同工况下围护结构水平位移（拆除第 1 道钢支撑和混凝土支撑结合的混合支撑结构；拆除第 25 道钢支撑）。由图 5 可知，开挖至基底，结构最大变形为14 mm，小于限值 30 mm。但当开挖至第 3 道支撑，深度大于 17 m 时，变形急剧增加，其值已超限值。由此可知，支撑对基坑的变形影响较大。在此基础上对比了两种方案最大水平位移（见图 6）。由图 6 可知，方案一最大围护结构水平位移远超方案二的水平位移，其状态深度为中间大两端小，基坑东西侧围护墙体水平位移最大值为16.2 mm 和 15.3 mm，小于限值 30 mm。方案一的最大围护结构水平位移是方案二的 3 倍左右，深度在 23 m 处最为明显，进一步说明支撑和主体结构对模型变形有巨大影响。而结构变形出现超限现象原因主要是：拆除局部支撑后，需大量时间才能完成后续结构施工，且基坑缺少支撑以及浇筑强度达标需一定时间，导致该时间内围护结构没有足够刚度而产生较大变形。综上所述，结合实际施工工况，探究围护结构水平位移预测分析，通过数值模拟发现，支撑和主体结构对模型的水平位移变形有巨大影响，其移除后致使基坑围护结构没有对应刚度而导致变形。因此在实际工况中，为防止变形过大，在拆除支撑后应立即进行主体结构的制作。2.3 宽基坑变形结果实测分析现场施工按方案二进行，基于现场实测结果，进一步分析基坑的变形。选择测点 04-01、05-01、06-02 和 07-02 的实测结果，具体位置见图 4。将第 2 道支撑安装、负 1 层中板施工、顶底板结构施工和底板结构施工这四种工况进行对比，其中基坑内偏移为正值，外偏移为负值。图 7 显示了中间段围护结构水平位移。由图 7 可知，中间段围护结构水平位移变形现象较明显，各测点图形变形都呈抛物线型，其中检测点变形位移均超限值。测点 04-01 在深度15 m 时发生变形位移，测点 05-01、06-02 在深度 10 m 时出现变形位移，测点 07-02 在深度 5 m时出现变形位移。说明实际工况中检测点不同也会导致变形位移出现变化。其中中间段围护结构水平位移最大值始终稳定在深度 27 m 处，表明检测点位置虽不同，但最大水平变形位移一致。第 2道支撑安装所有测点未有较大变形位移，与数值模拟方案二所示水平位移相似，证明该模型可靠。综上所述，实测点底板结构与数值模拟点底层支撑水平位移均呈“抛物形”，并且水平位移也在小范围误差内。无论检测点位置如何，其水平表 1 计算参数名称泊松比容重/kN/m3模量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/填土0.371914820粗砂0.302015022粘土0.3519162917细砂0.312023022圆砾石0.272275040粉质粘土0.3319252815钢支撑0.202521000混凝土支撑0.20253300地连墙0.20253300图 5 不同工况下围护结构的水平位移（mm）图 6 最大围护结构水平位移对比（mm）13罗程程：地铁宽基坑围护结构变形规律研究位移均呈“抛物形”，其中抛物线顶端位置会随开挖深度增加而增加。通过图 7 不难发现，深度越大，其水平变形位移越大，越接近基底，结构的外偏移也越明显，结构就越容易被破坏。2.4 围护结构水平位移大小概率分布特征以围护结构水平位移情况为基础，考虑到复杂的实际工况，围护结构的水平位移和经验分布特征均能体现实际工况的安全情况，具有良好的指导意义。其中围护结构安全风险控制指标：水平位移最大值 hm和深度 Hhm。记录不同监测点的开挖深度，分别为 5 m、15 m、22 m、27.5 m、32 m，建立每种围护结构水平位移最大值与深度对比的经验分布特征（见图 8）。由图 8 可知，经验分布在 hm/He为 0 时，其密度达到最大值，并且经验分布随比值增大而逐渐减小；当比值在 0.20、0.25 附近时，其经验分布相对较低，低于 2.5%。累计概率则随比值增大而逐渐增大，呈线性曲线关系，当比值在 0.150.20之间，其累计密度有轻微波动。通过对比经验分布和累计密度可发现，累计密度越小，经验分布越大，呈负相关，当经验分布最大时，累计密度数值为负数。分析图 8 可知，围护结构水平位移最大值 hm和深度 Hhm的函数样本均值为 0.13%，并且可将其值作为实际工况中的指标值，用来判断围护结构的最大变形情况。综上所述，经验分布与 hm/He呈负相关，累计密度与 hm/He呈正相关，且经验分布和累计密度两者之间呈负相关。通过累计概率曲线可以清晰估算基坑结构变形情况，位移经验分布越大，围岩水平位移变化越大，风险发生概率越高，这有利于实际工况进行风险评估。2.5 围护结构水平位移深度位置概率分布特征以围护结构水平位移大小概率分布特征为基础，对围护结构水平位移深度位置概率分布特征进行分析，并对其进行同样的概率统计分析（见图 9）。可知，经验分布在 hm/He为 0.2 时，其值达到最小值 0，且当 hm/He在 0.6、0.8 范围内，经验分布达到最大高度，为 37%，但总体呈先增大后减小的变化趋势。对于累计密度，累计概率随比值增大而逐渐增大，呈线性曲线关系，与水平位移大小概率分布情况一致，但其比值在 1.2 时，累计经验分布达到最大值 100%，而围护结构水平位移大小的累计经验分布则在比值为 0.30 时，累计(a)04-01(b)05-01(c)06-02(d)07-02图 7 中间段围护结构的水平位移（mm）图 8 水平位移最大值与深度对比情况概率分布特征图 9 水平位移