某地铁车站基坑围护结构优化设计

李文广

(中铁十八局集团第五工程有限公司,300451,天津//高级工程师)

1 工程简介

1.1 工程概况

某地铁车站全长101 m，中间标准段长71 m、宽24.7 m，两端端头井长度均为15 m、宽度均为26.7 m。该车站地下共设两层，其中地下一层为站台和隧道，并设置配电室,地下二层设置换乘通道和地铁支线区间隧道。车站地处繁华市区，周边有高架桥、地面道路及居住小区。

1.2 基坑围护结构设计

该地铁车站采用明挖顺做法施工。基坑设计深度为17 m，地表下方3 m采用放坡开挖，挂网喷浆支护;其余14 m采用钻孔灌注桩和锚杆体系作为围护结构;基坑内部采用钢支撑对撑。原设计钻孔灌注桩间距为1.2 m，桩长为22.5 m，直径为1.0 m，纵向主筋采用21根φ28 mm钢筋，材质为HRB335。基坑深度范围共设3层钢支撑，钢支撑直径为800 mm，壁厚为16 mm，钢支撑水平间距为3.5 m，竖向间距分别为5 m、5 m、4 m。基坑围护结构平面布置如图1所示，围护结构剖面如图2所示。

图1 基坑围护结构平面布置图

图2 基坑围护结构剖面图

2 地铁车站基坑变形现场监测

2.1 监测方法

在钻孔灌注桩施工过程中埋设测斜管，基坑施工时将测斜探头置入测斜管，按照设计要求频率对各点的数值进行采集。基础监测点布置如图3所示。

2.2 监测数据分析

统计监测点CX3处围护桩在基坑施工过程中的变形监测数据，如表1所示。实际监测时每0.5 m取一个采样点。由于篇幅所限，本文仅列出每5 m处的数据。由表1可知，在整个基坑施工过程中围护桩的最大变形量为20.8 mm，且表中所有监测数据均小于设计允许变形量30 mm，由此可知基坑处于安全可控状态，但仍存在一定的优化空间。

图3 基坑监测点布置平面图

3 FLAC三维数值模拟

3.1 模型建立

采用FLAC软件建立地铁车站三维计算模型(见图4),三维模型为对称模型，这样在满足设计精度要求的同时可以降低计算量以及提高计算速度。计算模型长度、宽度、高度分别取60 m、120 m、70 m。土层计算参数如表2所示。

表1 监测点CX3处围护桩变形监测数据

图4 地铁车站三维计算模型

表2 土层计算参数

3.2 模型边界条件

地铁车站基坑周边的车辆荷载及施工荷载按照15 kPa均布荷载进行加载。模型的左侧和右侧边界采用沿X方向的法线约束来限制边界沿X方向的水平位移;下边界采用Z方向的法向约束来限制边界的垂直位移;前边界和后边界处，采用Y方向上的法线约束来限制边界在Y方向上的水平位移。

3.3 本构模型

在模拟分析过程中，建立合理的土体模型是模拟分析的关键。合理确定计算参数和本构模型是获得精确数据的基础。计算中使用的主要模型为空模型和摩尔-库仑准则。

3.4 结构单元类型

本文在分析围护结构的力学性能时，利用锚索结构单元来模拟锚索，利用三维梁结构单元来模拟钢支撑。

3.5 开挖模拟

三维计算模型构建完成后，进行相应的计算分析，求出在基坑开挖过程中围护结构的水平位移与竖直位移。计算步骤包括以下6步：①初始地应力计算;②施工围护结构钻孔灌注桩;③基坑开挖至3 m时开始架设支撑;④基坑开挖至8 m时架设第2道支撑;⑤基坑开挖至13 m时架设第3道支撑;⑥基坑开挖至基底，即开挖深度为17 m。

3.6 模拟结果

按原设计方案，基坑竖向位移如图5所示。由图5可知,基坑开挖至17 m时,基坑的最大竖向位移为18 mm。

原设计方案下的基坑水平位移如图6所示。由图6可知,在基坑整个挖掘过程中，基坑顶角的水平位移最大；而且随着挖掘深度增大，基坑顶角的水平位移也逐渐增大。当开挖深度达到17 m时，基坑顶角的水平位移为0.008 mm。

图5 原设计方案下的基坑竖向位移

图6 原设计方案下的基坑水平位移

4 地铁车站基坑围护结构优化设计

根据原设计方案，在确保安全的前提下，对基坑围护结构进行优化处理。

4.1 优化内容与方法

利用弯矩反算的方法对基坑围护桩结构进行优化，其数据基础是围护桩的侧向倾斜数据。根据实际监控数据，通过建模对基坑围护结构进行优化处理。

4.2 围护结构优化设计

4.2.1 围护桩倾斜监测数据曲线拟合

CX3、CX4分别为基坑围护结构测斜数据监测点。根据基坑施工过程中围护结构的实际变形数据，利用Matlab数据处理软件对采集到的数据进行拟合，并通过误差分析筛选出最优方案。

4.2.1.1 围护桩监测点CX3的变形规律拟合

围护桩监测点CX3的实际水平位移曲线如图7所示。该监测点变形数据拟合方程的误差分析如表3所示。通过对表3分析，可以发现经6次拟合后，变形数据方程误差最小。将围护桩监测点CX3拟合6次得到的曲线，如图8所示。

图7 监测点CX3实际水平位移曲线

表3 监测点CX3变形数据拟合方程误差分析表

图8 监测点CX3水平位移拟合曲线

4.2.1.2 围护桩监测点CX4的变形规律拟合

图9 监测点CX4实际水平位移曲线

围护桩监测点CX4的实际水平位移曲线如图9所示。该监测点变形数据拟合方程的误差分析如表4所示。通过对表4分析，可以发现经过9次拟合后，变形数据方程误差最小。图10显示了将围护桩监测点CX4拟合9次而获得的曲线。

表4 监测点CX4变形数据拟合方程误差分析表

图10 监测点CX4水平位移拟合曲线

4.2.2 围护桩弯矩计算

围护桩的变形曲率公式如下：

(1)

式中:

v(x)——围护桩测斜曲线方程；

φ——变形曲率；

x——不同基坑深度时围护桩的横坐标；

R——曲率半径。

通过式(1)推导得到围护桩上各个截面的弯矩M和变形曲率φ之间的关系：

M=EIφ

(2)

式中：

E——混凝土的弹性模量;

I——围护桩桩身截面的惯性矩。

由式(1)和式(2)可以得出基坑不同深度时围护桩截面上的弯矩。图11和12分别为围护桩CX3和CX4的弯矩拟合曲线。

4.2.3 围护桩配筋计算

求取桩身弯矩方程M/EI的导数，计算该导数的最大值，然后据此进行围护桩的配筋优化。基坑围护桩优化后的内力如表5所示，围护桩优化后配筋如表6所示，围护桩优化前后结果对比如表7所示。

图11 围护桩监测点CX3弯矩拟合曲线

图12 围护桩监测点CX4弯矩拟合曲线

表5 基坑围护桩优化内力表

表6 基坑围护桩优化配筋表

表7 围护桩优化前后结果对比表

4.3 优化结果分析

围护桩结构优化后，其在基坑施工过程中的模拟结果如图13～14所示。由图13和图14可知，基坑围护桩结构优化后，当基坑挖掘深度达到17 m时，其水平位移和竖向位移最大。其中围护桩最大水平位移为9.4 mm，最大竖向位移为18 mm，而基坑设计的变形允许值为30 mm，因此围护桩结构优化后，基坑稳定性仍可满足设计要求。

图13 优化方案下的基坑竖向位移

图14 优化方案下的基坑水平位移

5 结语

本文以某地铁车站深基坑为研究对象。在描述地铁车站深基坑支护结构特点的基础上，分析了实际监测数据，并建立了相应的三维模型。通过FLAC模拟分析，实现了深基坑围护结构的优化设计。方案优化后，围护桩间距由原设计的1 200 mm增加至1 500 mm,增加了300 mm;围护桩配筋面积由原设计的13 000 mm2减少至12 315 mm2,减少了685 mm2；围护桩直径由原设计的1 000 mm减少至800 mm,减少了200 mm。由此可见,对基坑围护结构的优化效果较为显著，可供类似项目参考。