地铁车站支撑拆除对围护结构的影响

刘仁华

(中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆 400065)

1 引言

在地铁车站的修建过程中，支撑拆除前后围护结构的受力往往会产生较大的变化，严重时可能会导致围护结构的开裂甚至失效。本文以重庆轨道交通10 号线兰花湖停车场基坑工程为依托，采用有限元软件ANSYS 模拟了支撑拆除对围护结构的影响，可作为地铁车站围护结构施工的理论参考。

2 工程概况

重庆轨道交通10 号线兰花湖停车场基坑工程位于重庆工商大学兰花湖校区东北侧，基坑深13.4 m，宽15.6 m，主要分布的地层岩性为人工填土、砂质泥岩和砂岩，其中人工填土成分复杂，稳定性差。基坑采用钻孔灌注桩+内支撑支护方式进行支挡，并采用分层开挖的方式进行开挖。

3 数值模拟及分析

3.1 数值模型的建立

本次模拟采用ANSYS 软件进行模拟，根据圣维南原理，基坑开挖的影响范围为2～4 倍开挖深度的[1]，因此最终确定的模拟范围为一个长123.2 m，宽70.4 m 的矩形区域，基坑开挖位置位于矩形的正中间，模型的网格划分如图1 所示。

图1 模型网格划分

本次模拟为二维平面模拟，因此选用plane42 单元模拟土体，选用beam3 单元模拟钻孔灌注桩，选用link1 单元模拟支撑。考虑到桩和土体的变形模量差异较大，可能在接触面产生较大的剪应力，因此，引入接触单元模拟桩和土体之间的接触效应，采用TARGE169 单元模拟桩，采用CONTAC171 单元模拟土体[2]。土体采用DP 模型以体现其弹塑性，桩及支撑则采用弹性模型[3]。模拟所取参数均根据现场实测资料和城市轨道交通基坑设计规范确定，物理力学参数如表1 所示。

表1 物理力学参数表

3.2 模拟结果与分析

3.2.1 桩体水平位移分析

支撑拆除前桩体的水平位移模拟结果如图2 所示。从图中可以看出，桩体的水平位移随着桩体深度的增加呈现出L形分布，基坑上部由于支撑的存在，桩体水平位移基本为零，说明内支撑可以很好地约束桩体的水平位移。从第二道支撑往下开始，桩体的水平位移开始逐渐增大，两侧桩体的位移并不对称，左侧桩体位移稍大，原因是基坑左侧有一定向上的坡度，桩体受到的土压力较右侧桩体更大。桩体的水平位移在基坑底部达到最大值5.99 mm，这是由于基坑开挖土体地应力释放，坑底土体隆起，桩体受到侧向土压力而产生位移。

图2 支撑拆除前位移

在地铁车站施工过程中，常常将主体结构侧板和围护桩一起作为围护结构，共同抵抗土体压力。因此，支撑拆除后，必须考虑主体结构侧板的支承作用。可以采用等效方法来考虑围护桩和主体结构侧板的共同支护作用，即通过等效弹性模量换算公式将主体结构侧板的弹性模量折算给围护桩，其计算方法为Ee=AcEc/Ap+Ep(其中，Ee为等效弹性模量；Ac为主体结构侧板横截面面积；Ec为主体结构侧板弹性模量；Ap为围护桩横截面面积；Ep为围护桩弹性模量)[4]。

支撑拆除后桩体的水平位移模拟结果如图3 所示。从图中可以看出，支撑拆除后，桩体的水平位移有了明显的增加，呈现出一种经典的U 形分布，最大水平位移出现在桩体中部，达到了13.02 mm。在接近基坑底部的位置，桩体的水平位移有了明显的减小，这是因为在基坑底部，桩体嵌入土体内，桩体的水平位移受到了土体的约束。

图3 支撑拆除后位移

由上述的研究可以得出，支撑拆除前后桩体的水平位移会发生明显的变化，过大的位移会导致桩体开裂甚至失效。支撑拆除前后桩体的水平位移差值如图4 所示，从图中可以看出，支撑拆除前后桩体的水平位移差值也呈现出U 形分布，桩体中部的位移变化量最大，最大值达到了12.59 mm，是整个桩体最容易产生破坏的部位。由于支撑的存在，桩体上部和中部的位移差值明显大于底部，在支撑拆除后的监测过程中，应着重监测桩体的上中部。

图4 拆撑前后桩体水平位移差值

3.2.2 桩体弯矩分析

支撑拆除前桩体的弯矩模拟结果如图5 所示。从图中可以看出，支撑拆除前后桩体的弯矩发生了明显的变化，拆除后桩体的弯矩明显减小。支撑拆除前，桩体的弯矩呈现出W 形分布，桩体的弯矩在支撑处均达到局部最大值，在第二道支撑处达到整体最大值，最大值为1 185 kN/m，这是因为由于支撑的支承作用几乎阻断了桩体的水平位移，而支撑周围的土体压力仍然较大，导致支撑处的弯矩值发生了突变。由于支撑的支承作用，桩体的弯矩在上半部分发生了2 次变化，使得桩体的弯矩分布十分不均匀，因此，在实际的施工过程中应保证桩体的刚度。

图5 支撑拆除前弯矩

支撑拆除后桩体的弯矩模拟结果如图6 所示。从图中可以看出，支撑拆除后桩体的弯矩发生了明显的减小，大体上呈现出U 形分布，这是因为支撑拆除后桩体可以发生自由变形，充分发挥桩体的整体承载能力。因此可以得出，支撑拆除对桩体的抗弯承载力是有利的，在施工阶段应着重考虑支撑拆除前桩体的抗弯承载力。

图6 支撑拆除后弯矩

4 结论

本文以重庆轨道交通10 号线兰花湖停车场基坑工程为依托，运用数值模拟的方法，分析了支撑拆除对围护结构的受力影响规律，主要结论如下：

1）支撑拆除后较支撑拆除前桩体的水平位移有了明显的增加，支撑拆除前桩体的最大水平位移位于桩底，而支撑拆除后桩体的最大水平位移位于桩体中部。

2）支撑拆除前后桩体的水平位移最大差值位于桩体中部，并且桩体上部水平位移差值大于桩体下部水平位移差值。

3）支撑拆除后较支撑拆除前桩体的弯矩会发生明显的减小，支撑的拆除对桩体的抗弯承载力是有利的。