地铁换乘站深基坑围护桩数值分析与优化

李　兵，那　琦，江和平

(沈阳建筑大学土木工程学院, 辽宁沈阳110168)



地铁换乘站深基坑围护桩数值分析与优化

李兵，那琦，江和平

(沈阳建筑大学土木工程学院, 辽宁沈阳110168)

摘要：为研究深基坑工程中围护桩在不同水平间距和直径下的位移变形，以沈阳地铁9号线和10号线换乘车站深基坑工程为例，利用理正深基坑结构设计软件，对深基坑围护结构的变形进行了分析。结果表明，增大桩间距与减小桩直径均会增大围护桩的位移变形。综合考虑安全与成本，采用增大桩间距的方法对围护桩进行优化。将桩间距由1.4 m增加到1.6 m，桩体最大位移由8.51 mm增加到8.89 mm，增大其结果与原方案相比不会造成位移变形过大，同时围护桩总数量减少了14根，节约了施工成本。

关键词：地铁；深基坑；围护桩；优化

0引言

近几年以来，随着地铁建设的飞速发展，城市内的深基坑工程也在与日俱增，其中地铁深基坑围护工程是一项较为复杂的工程。众所周知，地铁的车站多位于城市人口密集区，周围环境比较复杂。深基坑的施工具有相当的挑战性，一旦发生问题，将会对周边环境造成不可估量的灾害[1]。因此，如何在深基坑工程中做到安全高效地施工，成为一个急需解决的难题。随着计算机软件的不断开发与完善，利用软件模拟可以方便、准确地对基坑在各个阶段的受力情况进行计算，进而深基坑整体的围护结构进行分析[2]。本文结合沈阳地铁九号线和十号线换乘车站深基坑工程，使用计算机软件建立三维模型进行围护桩的优化分析，并将计算结果反过来指导施工，这一方法具有重要的工程意义和应用价值[3]。

1工程概况

1.1地质条件概况

本换乘车站位于沈阳市，场地地面高程介于47.5～49.15 m。地面相对高差为1.65 m。施工场地范围内及其周边主要由以下各类土组成。数值分析计算的土层参数参见表1。

表1　地层数值模拟参数一览表

1.2围护结构概况

车站为丁字换乘站，九号线车站跨长青南街设置，为了减少主体结构施工期间对交通的影响，车站主体结构决定明挖顺作法(局部盖挖)施工。本文以车站中10号线的基坑围护工程为例进行研究。

该研究部分主体基坑开挖深度约23.75 m，灌注桩直径Φ1 000 mm,中心间距1 400 mm, 钢支撑采用Φ630 mm钢管撑，标准段设四道倒一道，端头井设五道倒一道。主体结构桩除作为基坑支护承担侧向荷载，在车站使用阶段也与侧墙同时承担侧向荷载。围护桩不做止水帷幕，桩间土采用挂网喷混凝土保护。

随着基坑的开挖，排桩的桩间土采用挂网喷混凝土支护，钢筋网为Φ8@150×150，喷射混凝土厚度为80 mm，钢筋网必须与桩可靠连接。根据工程图纸设计要求可知，基坑周围地面最大沉降量为0.15%H(H为基坑深度)为35.625 mm；钻孔灌注桩桩顶及桩身的最大水平位移为0.15%H，且小于30 mm。

2基坑围护桩变形分析

基于本文的研究目的来考虑，主要研究分析围护桩的测斜变形规律，运用“理正深基坑6.01”结构设计软件来模拟本车站深基坑开挖过程中围护桩的受力变形规律。“理正深基坑6.01”软件具有多种计算模式和土压力模型，可灵活调整施工工况，模拟施工全过程，并可预测地表沉降，根据预测结果指导施工[4]。基坑三维整体有限元计算，考虑了基坑结构的整体空间效应，采用三维有限元计算平台进行支护构件、内支撑、立柱、斜撑、锚杆及土岩体的三维空间整体协同计算，使材料的抗力性能得到充分，从而使计算结果更加经济、合理[5]。基坑三维及平面模型如图1和图2所示。

图1基坑三维模型图

Fig.1Foundation pit three-dimensional model diagram

图2基坑模型平面图

Fig.2Pit model of planar graphs

现主要考察基坑中间围护桩的桩号为34,35 85,86的位移形变规律，围护桩的位移变形不仅可以对深基坑围护结构的稳定性做出评价，还可以对围护桩在开挖过程中所受到的侧向压力和弯矩值进行预测分析，从而可以反过来指导深基坑的施工过程[6]。

根据结构设计软件的计算数据分析，现以桩号为34号的围护桩为例，其各个开挖阶段的位移变形曲线如图3所示：

图3　34号围护桩不同开挖阶段桩体位移图

其余需要考察的桩号为34,35,85,86的围护桩位移变形及其弯矩数据见表2。

表2　围护桩位移弯矩最大值

根据表2的数据进行分析得出结论:当桩顶冠梁及其内支撑施工完毕，并开挖到-8.4 m时，由于围护桩大部分仍然嵌固于土体之中，所以围护桩的最大变形在桩顶。开挖至-14.2 m并安装完内支撑时，围护桩的位移变形基本上没有产生过大的变化。开挖至-19.2 m并安装完内支撑后，由于基坑内土体的大量卸载，围护桩另一侧土压力相对逐渐增大，使得围护桩向坑内变形[7]。但是根据结构设计要求，此时的变形值仍在安全范围之内，因此可以认为此时基坑是安全的。对模拟数据进行分析还可以知道，围护结构的设计是合理的，但同时发现围护结构变形及应力值偏小，说明围护结构的设计偏于保守，因此要对围护桩设计做出优化处理[8]。

3深基坑围护桩优化

通过对围护桩的模拟研究，可以进一步了解掌握深基坑围护结构的特点和工作规律，也可以在保证安全的情况下降低施工造价。经过上述实际工程的深基坑数值模拟可知，在桩径为1 m，桩间距为1.4 m情况下的围护桩最大位移为8.51 mm。现将桩径1 m保持不变，使桩间距按每0.1 m的数值进行增大[9]，其围护桩位移变化值与围护桩数量变化见表3。

表3　围护桩间距与数量关系表

现将桩间距1.4 m保持不变，按每0.5 m桩径减少桩径，其围护桩位移变化值见表4。

表4　不同桩径下桩体位移变化表

4计算结果及分析

图4　桩体位移增大量的变化值Fig.4　Increase value of pile displacement

表3和表4分别给出了深基坑围护桩桩间距和桩径不同情况下的桩身的最大位移，从数值模拟计算结果看，桩间距增大和桩径的减小均会使桩身位移量增大，但同时围护桩数量和桩身截面积也会相应减少，进而缩短施工时间并节约成本[10]。但对数据进一步分析可以看出，单一地扩大桩间距和减小桩径，虽然可以节约材料，但并不满足施工安全要求。通过改变桩间距计算所得数据可以看出，随着桩间距的增加，桩身位移量的增大并非按比例增长[11]，其位移量增大量的变化量见图4。

通过图4可以看出，当桩间距达到1.7 m时，桩身位移量突然增大，这时会对施工过程及安全造成影响，因为随着基坑长度的增加，顺着基坑长度方向上围护桩的位移量也相应有所增大，造成桩身位移量不满足深基坑的设计标准。将围护桩间距从1.4 m增加到1.6 m，位移量增大量为0.38 mm，围护桩数量减少14根，此时，位移变化量在施工允许范围内，同时又做到了节约时间和成本[12]。

对表4数据进行分析可知，桩径的减小对桩身位移量的影响较大。随着桩径的减小，桩身最大位移量迅速增大，对施工及安全将会造成极大影响，因此不适合通过对桩径的减小来优化围护桩结构[13]。

5结语

本文以沈阳地铁9号线与10号线地铁换乘车站深基坑工程为背景，通过对围护结构的研究分析，对围护桩的桩间距进行了优化，并使用理正程序建立了三维数值模型对优化结果进行了验证。得到如下结论：

①传统的深基坑支护工程中，围护桩+锚索+内支撑的支护方式虽然可以保证安全，但是存在支护参数偏大，浪费原材料的现象。

②以围护桩为例，将围护桩间距由1 400 mm优化为1 600 mm，三维数值计算结果表明，同样可以保证基坑施工过程中的安全性。

③本次深基坑围护结构优化设计可以为类似深基坑工程提供参考，以便创造更多价值。

参考文献：

[1]王垚,冯超.地铁车站深基坑围护桩优化及数值分析[J]. 中国安全生产科学技术,2013,9(2):54-58.

[2]谭永超、唐雅茹, 彭加强，等.基于数值分析的深基坑围护结构优化设计[J]. 城市轨道交通研究,2009,12(8):21-24.

[3]袁志阳.深基坑开挖数值模拟与锚固优化研究[J]. 施工技术,2011,40(19):54-57.

[4]王场，肖昭然，蒋敏敏.地铁车站深基坑支撑系统优化研究[J]. 土工基础,2011,12(25):31-34.

[5]龚旭东.基于受力计算的深基坑支护设计优化方法[J]. 铁道建筑, 2014,1(5): 82-85.

[6]仁建喜，冯晓光，刘慧，等.地铁车站深基坑围护结构变形规律监测研究[J]. 铁道工程学报,2009,126(3):89-92.

[7]杨宝珠，仲晓梅.基于FLAC-3D的深基坑开挖过程数值分析[J]. 河北工程大学学报,2008,25(3):15-18.

[8]谢志英，白洪潮.某基坑支护的选型优化设计[J]. 四川建材, 2011, 37(4): 238-242.

[9]杨丙，习志锐，潘少华.深基坑支护方案优化及其应力应变分析[J]. 水电能源科学, 2013, 31(12): 143-146.

[10]杭天明，张宜佳.基坑工程支护结构优化设计的研究[J]. 山西建筑, 2011, 37(5): 58-59.

[11]刘杰，姚海林，任建喜.地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟[J]. 岩土力学， 2010, 31(2)： 456-461.

[12]荆嘉.深基坑检测技术发展现状与展望[J]. 江苏科技大学学报, 2011, 25(1): 191-192.

[13]林源，胡长明，李永辉，等.某黄土深基坑围护结构变形数值分析与优化[J]. 施工技术，2010,39(5):18-21.

(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Numerical analysis and optimization on supporting piles in deep foundation fit of metro station

LI Bing， NA Qi，JIANG He-ping

(School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

Abstract:In order to study the deformation of piles in deep foundation pit withdifferent horizontal spacing and diameter, taking the deep foundation pit of a transfer station of Shenyang Metro Line 9 and Line 10 as an example andusing the Lizheng deep foundation design software, the deformation of the retaining structure of the deep foundation pit wereanalyzed. The results show that increasing the pile spacing and reducing the pile diameter can both increase the deformation of the retaining piles. Considering safety and cost, increasing the spacing of piles is the optimized option. If the pile spacing is increased from 1.4 m to 1.6 m, the maximumdisplacement of the pile will beincreased from 8.51 mm to 8.89 mm, which will not result in too large deformation compared with the original plan, the numberof retaining piles will decrease by 14, and construction cost will be saved.

Key words：metro; deep foundation pit; retaining pile; optimization

中图分类号：TU 473

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0128-06

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0128

通讯作者：李兵(1974—)，男，辽宁省沈阳市人，沈阳建筑大学教授，博士;E-mail:bingleesy@163.com。

基金项目：住建部科技资助项目(2014-K2-019)

收稿日期：2015-10-03；

修订日期：2015-12-02

引文格式：李兵，那琦，江和平.地铁换乘站深基坑围护桩数值分析与优化[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：128-133.