地铁深基坑支护结构探究
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地铁深基坑支护结构探究
1 工程概况
某站位于两条路相交的十字路口，为地铁二号线和三号线的换乘站，两线车站成“丁”形换乘方案，二号线从三号线车站端头穿过，结构复杂。该工程为全明挖地下4层岛式站台，主体结构基坑长度146.65m（含换乘节点），标准段基坑宽度21.7m，深23.16m，呈南北走向。
根据车站场区地貌形态属于黄土藻洼区的洼槽。对于岩土层自上而下依次分为：①1杂填土；①2素填土；③1-1新黄土；③1-2新黄土；③1-3新黄土；③2-2古土壤；③4粉质粘土；③6粉细砂；③7中砂；④4粉质粘土。根据室内湿陷性试验结果：③1-1③1-2③1-3③2-2层黄土，δ20=0.005～0.102，具有湿陷性。
2 坑支护方案
根据对车站所处环境、地质条件、水文地质、基坑深度、并结合施工方法并考虑工期等因素。车站基坑围护结构采用钻孔灌注桩+钢管内支撑的支护形式。桩间采用双重旋喷桩止水。
基坑支护结构采用Φ1200mm钻孔灌注桩，桩间距1600mm；支撑采用4道直径600mm钢管撑，第1道壁厚12mm，第2，3，4道支撑壁厚分别为12，16，14mm，桩顶设冠梁，使桩连成整体。为了保证基坑内无水作业，在钻孔灌注桩间设置双重旋喷桩作止水帷幕，旋喷桩直径600mm。基坑支撑平面布置如图1所示，支撑布置立面如图2所示.
3 有限元模型的建立与计算
3.1 模型的基本假设
（1）地铁基坑的受力和变形是平面应变问题，不考虑空间效应。
（2）土体的初始应力按静止土压力计算，不考虑构造应力，开挖前土体原始应力和性状的改变不予考虑。
（3）基坑开挖通常是临时性设施，而且由于地下水位较低，故不考虑水以及围护结构施工对土体扰动的影响。 （4）由于钻孔桩和土体的变形模量有很大的差异，考虑到支护结构与土体之间的共同作用，故在两者之间设置无厚接触面单元。
（5）开挖过程按分步增量法模拟。
（6）土体的本构模型采用非线性弹性体（邓肯一张）模型。
3. 2 计算模型范围和单元选取
根据工程的实际情况，模型计算范围取100m×70m。边界条件取为左右边界为水平位移为零，下部边界为竖向位移为零，上部边界为地表。
土体采用平面四节点四边形单元网格离散，网格划分应充分考虑土层界面、水位面、分步开挖面、支撑位置的影响，以使计算量最小为目的，合理划分单元。支撑与灌注桩选用梁单元，在土体与灌注桩之间采用无厚接触单元，模型采用全自动划分网格。
3. 3模型的建立与参数的确定
对钻孔灌注桩支护体系进行计算分析，建立计算模型如图3所示。基坑分5级进行模拟开挖。模拟过程中考虑土体的自重，土体分为4层，各土层的力学参
数见表1所示。网格划分如图4所示。
0.32
3. 4基坑开挖模拟步骤
基坑施工分5步开挖，分别设置4道支撑。按边挖边撑的施工步骤，考虑支撑的施工，运用通用有限元计算软件对基坑典型断面进行开挖模拟计算。基坑计算工况如表2所示。
4 结果及分析
4. 1桩体水平位移结果分析
基坑开挖过程中，由于土体开挖卸载作用引起支护周围土体发生变形，基坑侧壁土体由于水平向的应力减小使得土体向坑内发生变形，支护桩受坑壁侧向变形的影响产生侧向变形。图5为基坑开挖过程中各工况的桩体不同位置的水平位移一深度曲线。
从图5可以看出： （1）随着基坑开挖深度的增加，桩体的水平位移在开挖过程中呈递增性变化。基坑在最后一次开挖完成后出现位移最大值为7.3mm，远小于规范规定的30 mm或0. 1H%，故判定桩体在基坑开挖过程中处于弹性状态，基坑稳定。
（2）桩体的水平位移在开挖过程中随着开挖深度的增加最大值点沿桩身下移.开挖完成后，最大水平位移都出现在桩身中部（约为17m处）。
（3）比较各工况桩体水平位移分布，水平第1步开挖（工况1）后，桩体水平位移不大，且沿桩身分布均匀，最大位移在桩顶，沿桩身向下逐渐减小；第2步开挖（工况3）后，桩体的水平位移分布就有了较大的变化，最大位移出现在开挖面的下部（约7.8m处），桩顶位移相对变化较小；第3.4.5步开挖（工况5，7，9）后，由于钢支撑的作用，桩体的水平位移分布和大小再次发生变化，最大位移点下移，但上部位移值基本稳定。由此可见，钢支撑支护作用不仅减小了开挖面的水平位移，而且还改变了开挖面的水平位移分布.
（4）总体来说，钢支撑支护对限制边坡的水平位移效果极为显著。主要表现在：一方面，支撑作用使围护桩由悬臂状态转向类杆体状态，使得桩体护坡和挡土作用大大加强，这点可以从桩体水平位移分布的变化规律得到证实；另一方面，基坑土体作用于桩体的一部分主动土压力通过钢支撑转移到基坑对面桩体上，并相互抵消，解决桩体和钢支撑的稳定问题，这点可以从后面的钢支撑受力分析中得到证实。
4. 2支撑轴力模拟结果分析
各工况各道支撑计算轴力分布见表3，整理出的轴力变化曲线图如图6所示。可以看出，各道支撑在刚刚施加时，轴力变化比较明显，随着基坑的开挖，轴力趋于稳定。施工过程中各道支撑的计算轴力与设计轴力百分比在3.03%～45.29%之间，远小于设计轴力的70%，基坑安全。
5 模拟结果与现场测试结果比较
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5.1 围护桩水平位移对比分析
围护桩是基坑工程中的主要围护结构，围护桩的变形监测直接关系到基坑的稳定和安全。故将基坑中CX7围护桩桩身水平位移的实测值和计算值进行对比。基坑开挖过程中施作第3道支撑（工况6）、施作第4道支撑（工况8）、基坑开挖完成（工况9）后几个工况分析对比结果见图7。
从图7中比较结果可以看出：
（1）基坑工程施工过程是一个受多种因素影响的复杂过程，使得监测结果和计算值往往有一定的出人.计算所得水平位移随深度的变化规律与实测结果类似，基本是呈上大下小的曲线形式，但计算值略大于实测值。
（2）在桩顶处，实测无水平位移，这与计算值有很大的不同，原因主要是在计算时未考虑桩顶冠梁的作用，导致计算值比实测值大。
（3）各工况计算值最大水平位移值都比实测的要大，但出现最大值的位置基本一致。
（4）在桩底部，实测基本无水平位移，且几乎不随开挖进程而变化，而计算值随施工步的进行而增加，这是因为在理论计算时，桩身锚固段土体的参数取值过小的缘故。
（5）由以上分析可知，虽然实测值与计算值有一定的出人，但是桩身水平位移变化趋势基本一致，说明模型建立、参数选取以及计算方法是合理的，计算结果能够较好地反映基坑变形的一般规律，且计算值及监测值均明显小于安全警戒值，该设计偏于保守，工程是安全的.
5. 2支撑轴力对比分析
整个开挖过程各工况中，各道支撑的计算最大值和实测最大值的对比列于表4，
从表4中可以看出，基坑第1道支撑轴力的计算值小于实测值，其余各支撑轴力的计算峰值均高于实测值，两者比值在1. 60～3. 39之间。这是因为在基坑开挖到9m和10 m时才架设第1道支撑，在开挖过程中有明显的超挖现象存在，导致第1道支撑轴力过大，其他各支撑偏小。因此，在基坑开挖过程中要严格控制基坑的开挖深度，随挖随撑，避免形成超挖使某一道支撑承受过大的土压力，从而导致基坑失稳，
6结束语
该文采用有限元方法，建立黄土地区地铁车站深基坑施工过程有限元分析模型，研究了不同工况下深基坑支护体系结构内力与变形的变化规律。得到主要 结论如下：
（1）随着基坑开挖深度的增加桩体的水平位移在开挖过程中呈递增性变化，桩体水平位移随着开挖深度的增加而增加，桩体的最大水平位移出现在桩身中
部（约为17 m处）.
（2）在各个施工工况中随着钢支撑的施作，支护桩的水平位移逐渐减小，确保了地铁基坑的稳定。
