地铁大型车站深基坑支护稳定监测与变形控制研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：黎子豪（1991-），男，汉族，江西樟树人，大学本科学历，中级工程师，研究方向为城市轨道交通工程。-175-地铁大型车站深基坑支护稳定监测与变形控制研究 黎子豪 王智福 黄剑锋 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，广东 深圳 518000 摘要：摘要：单侧深基坑开挖会造成既有地铁车站两侧土压力不平衡，是一项重大的工程风险。在考虑车站宽度和开挖深度的情况下，基于物理模型试验和离散元法分析，重点研究单侧开挖对既有地铁车站结构的变形特征和破坏演化过程。提出了高水位下湿地地铁车站深基坑外加固方法，并对加固参数进行了研究。分析了深基坑外加固措施对高水位下连续墙变形及抗倾覆稳定系数的影响。根据边际收益递减的经济规律，对注浆加固参数进行了分析和优化。结合现场实测数据，分析了不同加固措施对深基坑安全控制的影响。关键词：关键词：深基坑；支护稳定；变形控制；大型车站 中图分类号：中图分类号：U231 0 引言 如今，许多工程建设，如高层建筑、地铁、大型地下交通枢纽等，都与基坑工程密切相关。这些基坑通常靠近现有建筑物，开挖基坑会引起地应力的重新分布，对邻近建筑物造成破坏1。通过现场调查、数值分析和试验研究发现，基坑施工会引起地面位移和土体结构破坏，造成相邻建筑物的沉降变形和墙体开裂。对基坑开挖对地铁车站结构影响的研究较少，在开挖过程中，两侧卸荷不对称会造成车站变形。单向开挖会导致地铁车站荷载不对称，导致基坑开挖时支护体系向开挖自由面偏移，支撑体系水平挠度对相邻结构也有较大影响。基坑外的非对称荷载会加速支护系统失稳破坏，对于单边深基坑分阶段开挖引起地铁车站结构失稳破坏的机理2，目前还缺乏研究。本文旨在研究单边深基坑开挖作用下既有站场的变形特征及破坏演化过程。结合物理模型试验和离散元法分析，研究了站位宽度和开挖深度变化对既有站位的影响。通过模型试验获得的位移发展规律和破坏特征3，这些研究成果有利于工程技术人员在类似工程中进行风险预测。1 地铁车站失稳机理及演化过程 1.1 数值模型 由于模型试验结果只能反映表面现象，因此利用离散元法分析软件进行模拟，进一步研究既有地铁车站在单边开挖作用下的变形规律和失稳机理。离散元法软件不仅可以揭示地层与结构之间的接触效应，还可以直接揭示土体崩塌和结构滑动现象。基坑和地铁车站为长条形，长边远大于短边。因此，该问题可近似简化为二维平面应变问题。数值模型的长度和高度分别为 70m 和 35m，其中土壤和站点采用圆形颗粒模拟，模型边界采用刚性墙模拟4。高度为 30m 的地铁站位于模型的中间，车站宽度包括 25m、21m 和 17m 三种工况。在数值模型中，土壤由圆形颗粒组成。通过分级筛选试验，本工程风化泥岩土粒径主要集中在 0.1-1mm。如果按照实际尺寸建立模型，模型中的粒子总量是巨大的。当离散元法方法中使用的地层土壤颗粒直径小于组分尺寸的 1/10 时，可以认为数值结果可以很好地模拟真实土壤颗粒。本研究以实际土壤粒径为基础，经过 50 倍放大后建立离散元法土壤颗粒。生成的土粒最大直径为 100mm，站场结构侧壁厚度为 1.2m，尺寸比为 1/121/10，认为模拟结果具有足够的精度。在数值计算中，周围土体和地铁车站结构的物理力学参数应与模型试验的原型参数一致。离散元法通过大量的颗粒组合来模拟土壤，通过分析颗粒之间的相互作用来预测土壤的宏观力学行为。为了实现颗粒微观参数与土体宏观力学参数的匹配，需要建立一种精确的对应关系，将两者进行有机结合。由于风化泥岩颗粒之间胶结面积较小，因此采用线性接触模型。地铁车站的结构采用平行键模型，通过紧密排列的粒子来模拟。为了使数值模型的微观参数与工程的宏观参数相对应，需要不断调整离散元模型的微观参数。通过双中国科技期刊数据库 工业 A-176-轴试验得到试样在不同围压下的峰值强度，并绘制莫尔圆得到试样的黏聚力和内摩擦角。根据研究，混凝土结构模型抗拉强度为 1238MPa。结合数值模型的试算，本文的站场结构模型的抗拉强度为 20MPa。在原型站结构中，水平楼板与墙体的连接位置强度较高，可视为刚性连接。此外，基坑开挖下的支护结构主要引起弯曲破坏，而不是剪切破坏。本文采用离散元法软件对基坑开挖过程进行模拟，数值模型的工况与模型试验一致，共包括 30 种工况。所涉工程采用一次性排水，地下水多为基岩裂隙水，排水困难。本文不考虑基坑排水，单边开挖对既有站房结构造成的侧向变形、倾倒和滑移是明显的。与初始位置相比，可以直观地看到结构的变形。在开挖侧侧壁设置测点，观察侧壁水平变形情况。在站场两侧设置土压力测点，验证单侧开挖对站场两侧地面土体的扰动5。1.2 土与结构的变形特性 不同宽度台站的结构变形特征相似，因此以 21m台站宽度的数值结果为例进行讨论。随着开挖的进行，土体应力方向发生了偏转。当既有站一侧基坑开挖深度为 0-1/3H(H 为站高)时，整体模型水平变形小于40mm，站结构稳定。开挖深度为 1/3-1/2H 时，站位左侧土体松动面积逐渐扩大，站位水平位移增大明显，但仍在 40-90mm 的安全范围内。当开挖深度为 2/3H 时，站位结构较初始结构位置有明显滑移，位移大于 90mm，站位结构向开挖侧倾斜。站宽分别为 17m、21m 和 25m 的数值模型在单边开挖卸载作用下的变形破坏规律是一致的，与模型试验结果一致。当开挖深度为 0-3/4H 时，站场与地层处于相互平衡状态。随着开挖深度的增加，站场结构的倾斜角逐渐增大。当基坑开挖至 5/6H 时，由于主体结构的滑动，横向位移明显增大。随着工位宽度的减小，工位的倾斜角增大。随着基坑深度的增加，车站的倾斜角也随之增大。由拟合曲线可以发现，随着基坑深度的增加，站位宽度越小，站位倾斜角的变化率越显著。站侧偏移比站侧倾角更容易超过安全预警阈值。因此，在结构设计中，有必要增加水平支撑，以抑制车站的变形。1.3 土压力分布特征 不同站位模型的土压力分布特征相似，随着开挖深度的增加，活动侧的小压力区逐渐向下扩展。结果表明：站体随开挖方向倾斜，使活动侧土体颗粒间的接触力减小；开挖深度越大，站位倾斜越明显，小压力区范围越大。被动侧土开挖面土压力释放后，成为一个小压力区。由于车站的侧向滑动和挤压，被动侧底部土体处于较大压力区。随着开挖深度的增加，围岩被动侧和主动侧土压力均显著减小，表明站场开挖对站场和地层有明显的扰动。此外，各开挖深度处主动土压力总大于被动土压力总，表明站构在非对称土荷载作用下会挤压被动侧土。站宽越小，总被动侧土压力越小。其原因是，站宽越小，结构在主动土压力作用下的扰动越显著，使被动侧的土粒更疏松，其阻力也更小。在扰动力链区域边界处形成的新力链不够稳定。当车站结构在土壤的推力下继续滑动时，这些接触力链将再次断裂，颗粒将继续坍塌。一旦颗粒的松散区域延伸到地表，地层就会突然坍塌。1.4 失效演化机制 通过分析，将既有站场在单边开挖作用下的破坏演化机制分为三个阶段：当开挖深度为 0-1/2H 时，由于卸荷作用，站场结构顶部会发生轻微的侧向位移，但结构处于稳定状态。此外，站台的轻微倾斜会导致活动侧局部土体松动，随着开挖深度的增加，松动区逐渐扩大。当开挖深度为 1/2-3/4H 时，站场结构顶部有明显的侧向位移，站场结构有明显的翻转倾向。站左侧底部与地层分离并向上倾斜，整体结构稳定性极差。同时，站点活动侧顶部的松散土壤逐渐膨胀，站点顶部附近的局部土壤坍塌。被动侧松散的土体被站点挤压，产生轻微的隆起。当开挖深度为 3/4-1.0H 时，被动侧土和车站本身的阻力已不能支撑整个结构的稳定性，导致结构逐渐向开挖侧移动。此时活动侧浅层疏松土发生大规模塌陷，活动侧中层土体分层沉降明显。被动侧松散土体被站挤压产生显著隆起。根据土壤接触力链，将不稳定土层划分为 3 个区域：扰动土区 I-III。I 区主要表现为地层塌陷；II 区主要表现为地层沉降明显；III区主要为地层挤压隆升。2 项目概述 月亮路站为深圳轨过交通13号线北延线工程的第中国科技期刊数据库 工业 A-177-5 座车站，位于塘尾莲塘工业区塘宏路，车站沿塘宏路布置，呈西北东南走向，东侧距离大陂河约 22m，车站范国及周边多为现状 25 层的工厂和小企业，车站施工需拆除部分工厂，塘宏路目前时一条非市政道路，路宽约 7m，现状交通量小。车站周边无重大管线。本站为地下两层 12 米岛式站台车站，有效站台中心里程 YDK34+005.000 设计起点里程 YDK33+888.200设计终点里 YDK34+173.391。车站总长 285.191m，标准段宽 21.5m，标准段高 15.59m，有效站台中心里程处轨面高程-5.310m，车站顶板覆土厚度 6.0m，为顶板上方预留 TOD 开发条件。本站共设置 A、B、C、D 号出入口，1 号、2 号风亭组和 1 号、2 号消防疏散通道。车站主体地下二层，由多个单柱双跨结构组成，通过明挖顺做法进行施工。基坑开挖深度大约在 21 米到 22.2 米之间，采用地下连续墙和内支撑支护结构进行基坑开挖。基坑深度大约在 21 到 22.2 米之间，采用了地下连续墙和内支撑支护结构来确保安全。车站小里程端接盾构区间，设盾构吊出井，车站大里程端接盾构区问，设盾构始发井。3 基坑外加固措施对深基坑稳定性的影响 经过月亮路站基坑监测显示，基坑内水位在地面以下约 9 到 14 米深度范围内波动变化。为了确保在高水位进行开挖时的安全，需要在基坑外采取加固措施，并对基坑支护体系进行加固。针对原加固方案，设定了 6m、8m、10m、12m、14m、16m 等不同水位高度进行计算，以深入探究基坑外加固措施对深基坑稳定性的影响。月亮路站基坑水位的变化对基坑变形和稳定的影响程度非常大。水位的变化对基坑的变形和稳定的影响，在较高水位时尤为显著。但当水位降至一定数值后，水位还将继续下降。水位降至 14m 以下时，即便水位变化，对基坑的稳定性影响也是极小的。当水位从地表以下 16m 上升至 8m 时，通过加固措施，基坑在变形稳定允许范围内。在不采取加固措施的情况下，当水位在地表以下 1210m 范围内时，地下水位变化对稳定性的影响最为明显。根据研究，在没有采取任何防护措施的情况下，当地下水位在 12 到 10 米范围内波动时，其对建筑物稳定性的影响之大已经达到了无法忽视的程度。随着水位的上升，基坑的安全性不断恶化。在墙体变形分析中，我们可以发现注浆加固的最大水平位移比未注浆加固的最大水平位移小得多。在基坑开挖后，墙体经注浆加固后，最大水平位移仅约为 16mm，相比未经加固的墙体最大水平位移减少了约44%，表现出显著的效果。基坑开挖完成后，注浆加固后墙体最大弯矩为 1300kNm，未注浆加固后墙体最大弯矩为 1950kNm，注浆加固后墙体最大弯矩减小 33%。因此，注浆加固对减小墙体变形和弯矩的效果非常明显。原加固措施下地下连续墙最大位移为 22.7mm，远小于一级基坑地下连续墙变形预警值，说明地下连续墙变形余量较大或安全系数较高。进一步表明，原方案采用的注浆参数有较大的优化空间。为了更合理地设计基坑的加固参数，有必要在原方案的基础上增加注浆。对固定参数进行合理优化，保证设计的经济性和安全性。4 基坑外加固参数优化 在模拟的基础上，我们分析了在原加固深度和相应的加固带宽度下，基坑的稳定性受到哪些因素的影响。这些因素包括加固带的宽度(从 2m 到 10m)，以及其他可能影响基坑稳定性的因素。配筋宽度每增加 1 厘米，连续墙的最大水平位移就会减少约 X 厘米。基坑开挖完成后，在 2m、4m、6m、8m、10m 加固宽度下，连续墙最大水平位移分别为35.3mm、34.48mm、29.76mm、27.7mm、27.0mm。配筋宽度在 4 到 6 米范围内时，墙体水平位移量明显减少。当配筋宽度为 4m 时，墙体位移值为 34.48mm，大于 30mm。随着配筋宽度的增加，墙体最大水平位移由 6m 逐渐减小至 8m。基坑抗倾覆稳定系数的增长与加固宽度的扩大成正比。当宽度值较小时，配筋宽度对稳定系数影响显著。当宽度大于 6m 时，随着配筋宽度的不断增大，稳定系数逐渐增大。当宽度值为 4m 时，稳定系数为 0.76，小于安全系数为 1.25 时的最小基坑稳定性要求。随着配筋宽度从 4m 持续增加到 6m，稳定系数的增加最大。加大加固范围不仅对墙体变形影响不大，反而增加了工程造价。5 结论 基于物理模型试验和离散元法分析，研究了不同车站宽度下单侧开挖对既有地铁车站结构的变形特征中国科技期刊数据库 工业 A-178-和破坏演化过程。随着单边基坑开挖深度的增加，地铁车站结构顶部侧向变形逐渐显著。在相同站位宽度下，随着开挖深度的增加，站位倾斜角增大。站位宽度越小，站位倾斜角随开挖深度增加的变化率越显著。其原因是站宽越大，对非对称土压力的抵抗能力越强。站场结构破坏时，活动侧土主应力方向的挠度范围为三角形区域。此外，随着开挖深度的增加，墙上土压力显著减小，表明车站开挖对车站和地面都有明显的扰动。各开挖深度主动土压力总大于被动土压力总，表明站位结构会挤压被动侧土。参考文献 1兰国友.地铁大型车站深基坑支护稳定监测与变形控制研究D.长沙:中南大学,2012.2刘方明,郭幪.软土地区复杂环境下带联络线地铁车站深基坑支护方案研究J.隧道建设(中英文),2021,41(2):421-428.3朱明轩.大型深基坑支护体系及专项施工研究D.西安:长安大学,2020.4朱元,齐甦,赵勇等.富水软土地层深基坑支护方案优化分析J.工程建设,2018,50(05):57-61.5朱元,齐甦,赵勇等.富水软土地层深基坑支护方案优化分析J.工程建设,2018,50(05):57-61.