摘　要:根据武汉地铁2号线江汉路站的地质条件,给出了基坑围护结构的两种设计方案:地下连续墙-排桩组合方案和全地下连续墙支护方案,通过有限元模拟了两种围护方案下基坑开挖过程中围护结构的响应,结果表明:排桩-地下连续墙围护结构变形严重不对称,地下连续墙变形较大;全地下连续墙围护结构变形合理,变形值满足规范要求,从而确定全地下连续墙为最终支护方案,为类似工程设计提供参考。

关键词:深基坑,围护结构,排桩,地下连续墙,有限元法

 

      武汉地铁2号线江汉路站与商业用房同时建设,地面建筑覆盖整个基坑,其地上为7层框架结构,地面建筑总高度约30 m(商业用房,层高较高);地下结构分车站和物业开发两部分,车站部分基础采用一柱多桩(钻孔灌注桩),物业开发部分基础采用一柱一桩(扩底桩);物业部分最大柱下轴力16MN,车站部分最大柱下轴力21 MN。车站部分基坑深度约24 m,物业开发部分基坑深度约16 m;整个地下结构的围护结构同步施工,分期开挖,即在统一围护结构内,先施工车站部分的主体结构,采用明挖顺做,车站主体结构施工完毕后再施工物业开发部分。

      本文主要针对车站部分的基坑围护结构设计展开研究,采用有限元法对基坑的开挖过程进行模拟,分析基坑开挖过程中支撑的内力和地下连续墙的变形问题,并以此评价设计方案。

 

      整个基坑范围,分期开挖,即先明挖顺做车站部分主体结构,然后再逆做施工物业。先开挖的车站部分和后开挖的物业部分用灌注桩(深40 m)隔开,即明挖车站部分左线采用连续墙(深60~65 m) 作为围护结构,右线采用钻孔灌注桩作为围护结构。基坑土体加固情况如下:

      (1)车站局部外挂三层基坑底采用Φ850@600三重管高压旋喷桩进行加固处理,加固方式采用裙边+抽条形式,加固深度为基坑开挖底面以下3 m,置换率为83.0%。

      (2)桩后土体采用Φ850@600三重管高压旋喷桩加固,加固方式结合各道对撑的布置形式采用抽条形式,加固至桩体后方外围连续墙,加固土体范围从场地平整标高至坑底标高,置换率为23.5%。

      该方案的平面设计简图如图1(a)所示。

      该方案中,明挖车站部分两侧均采用连续墙(60~65 m)作为围护结构,避免了先施工车站部分两侧降水不平衡的问题;物业部分连续墙(原60 m)缩短至30 m,仅保留方案一提出的车站局部外挂三层基坑底加固,其他加固取消。该方案的平面设计简图如图1(b)所示,图中,④表示地下连续墙,表示排桩。

 

      在有限元计算中,根据相关文献^[1~3],结合工程实际,选用典型断面进行数值模拟计算^[4,5],通过计算来分析基坑开挖过程中围护结构的变形和内力。

      本计算按平面应变模型计算,有限元模型如图2所示,图中a表示地下连续墙,b表示坑底桩,c表示排桩,d所在的区域表示加固区。计算采用三角形15节点单元,岩土材料的本构模型采用各向同性HS(Harding Soil)硬化弹塑性本构模型。

      (1)土体参数

      根据地质勘察报告,计算所采用的土体参数如表1所示

      (2)加固区等效土体参数确定

      根据加固方案,后开挖物业区域采用抽条加固,加固范围从地表至基坑底,置换率m=23.5%;加固后土体参数可按下式进行计算:

      γ_加固后=max{γ_加固前, mγ_加固体+(1-m)γ_加固前}                          (1)

      c_加固后=max{c_加固前,mc_加固体+(1-m)c_加固前}                            (2)

      φ_加固后=max{φ_加固前,arctan[mφ_加固体+(1-m)φ_加固前]}             (3)

      E_s加固后=max{E_s加固前, mE_s加固体+(1-m)E_s加固前}                   (4)

      根据式(1)~式(4)可得出加固后土体的参数,如表2所示。

      (3)内支撑等效参数确定

      围护结构采用5道内撑,第1~4道为钢筋混凝土支撑,第5道为钢支撑。支撑深度依次为2.35、8.10、12.6、15.6和20.3 m。

      对于圆形钢支撑,基坑支撑的轴向抗压刚度可用下式进行计算:

      EA = Eπ(D²-d²)/(4LS)            (5)

式中:D为钢支撑的外径;d为钢支撑的内径;S为钢支撑的纵向间距;L为支撑长度。

对于矩形混凝土支撑,其轴向抗压刚度可用下式进行计算:

      EA = E bh/(LS)                     (6)

式中:b为混凝土支撑的宽度;h为混凝土支撑的高度。其中混凝土弹性模量取E=31.5 GPa,钢材的弹性模量E=200 GPa。

 

      通过有限元计算,开挖至坑底时的支撑内力从上到下分别为190.21 kN/m(第1道混凝土撑)、592.89 kN/m(第2道混凝土撑)、668.96 kN/m(第3道混凝土撑)、1300.0 kN/m(第4道混凝土撑)、875.10 kN/m(第5道钢支撑),支撑轴力全部受压。

      地下连续墙水平变形如表3所示。

      从表3可以看出,加固后左侧灌注桩变形很小,其最大变形发生在顶部,拆除第2道支撑时,向外侧倾斜,变形量仅为3.73 mm。但是地下连续墙发生了较大位移,连续墙最大位移发生在坑底位置, 为39.21 mm,非常接近围护结构变形限值40 mm。

      同时从表3还可以看出:基坑的整个围护结构变形极不对称,这表明围护结构整体刚度严重不对称,虽然从理论上说可以通过增大内撑刚度或增多内支撑层数,减小地下连续墙的水平位移,但这会带来施工不便和材料的浪费,同时拆除支撑时会增加地下连续墙的位移,效果不一定明显。

      车站开挖至坑底时的支撑内力从上到下分别为428.13 kN/m(第1道混凝土撑)、757.61 kN/m(第2道混凝土撑)、735.20 kN/m(第3道混凝土撑)、2000.0 kN/m(第4道混凝土撑)、390.6 kN/m(第5道钢支撑),支撑轴力全部受压。

      地下连续墙在施工过程中的变形如表4所示。

      从表4可以看出,开挖至基坑底之后,拆撑对围护结构变形的影响较小。在车站施工过程中右侧连续墙最大水平位移发生在拆除第4道支撑的工况,最大水平位移为35.88 mm(距地表21.18 m处),对应的左侧连续墙水平位移为31.22 mm(距地表21.18 m处)。

      该方案基坑围护结构变形对称、合理,基坑围护结构最大变形小于限值40 mm,且最大变形值小于“排桩—地连墙”方案中围护结构的最大变形值。

      综上所述,全连续墙基坑围护方案更为合理。