地铁明挖法隧道结构下部增设工程桩的受力分析研究

 地铁明挖法隧道结构下部增设工程桩的受力分析研究

胡辉

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[摘要]：伴随隧道工程呈规模化发展，所处建设环境愈发具有复杂性和挑战性，尤其针对淤泥质土层复杂环境当中，隧道的深基坑现场开挖作业难度系数更大。只有全面了解明挖隧道项目深基坑整个围护体系受力特征情况，才能针对淤泥质土地层特性，更好地开展项目建设。基于此背景，本文主要探讨淤泥质土层明挖隧道项目深基坑整个围护体系基本受力特征，为后续更多隧道工程项目高效落实淤泥质土层复杂环境下隧道项目建设提供有价值的指导或者参考。

[关键词]：地铁明挖法隧道结构；下部施工；工程桩；受力

前言：明挖隧道项目开展施工建设期间，因所处环境极具复杂性，尤其对于淤泥质土，极易对深基坑的围护体系产生一定不利影响，为更进一步探讨淤泥质土与深基坑围护体系的关系，对淤泥质土层明挖隧道项目深基坑整个围护体系基本受力特征开展实例分析，对于今后更为全面把握围护体系总体受力特征，积极推进隧道项目建设活动，具有一定的现实意义和参考价值。

1、工程概况

针对地铁车站的功能需求，一般采取箱形框架结构，地铁车站被设计为长条型的结构样式，一般横向设置为2～4跨，沿纵向设置多个跨距，横梁一般不会安装在车站结构的里面，而局部设定在结构中的横梁则必须按照实际情况对横梁进行严格的限定。同时，对基坑的设计要科学、合理，不能对地下管道产生一定的影响。某城市地铁隧道明挖深基坑项目工程当中，地下隧道总体结构呈东西走向，地下隧道与双层地下停车场相邻。基坑采用明挖顺筑方法开展施工作业，基坑宽度为6.2~10.8m，且基坑深度范围在14.76~21.7 m之间。在基坑范围当中地层，主要包含着素填土层、淤泥层、淤泥质的黏性土层、卵石层及砂土层、全风化的花岗岩层、强风化的花岗岩层。其中淤泥层约为10m，埋深在-6~-16m，为深厚淤泥质土地层。工程主体部分采用800mm地连墙，首道支撑采用钢筋混凝土支撑，二~三道支撑均采用609@16钢管撑。现结合此隧道工程，对淤泥质土层明挖隧道项目深基坑整个围护体系基本受力特征开展实例分析。

2、实例分析

2.1构建数据模型

采用MIDAS GTS-NX软件，针对隧道的开挖段，利用有限元分析软件，将有限元三维基础模型构建。而针对周围高速公路及临近地下停车场，依照着100%位置走向实施建模，模型高度及宽度各为50m、124m。以实体单元为基础，实施网格划分，划分共12441网格。实践模拟当中，土体部分实行Mohr-coulomb基本屈服准则，针对支撑部分则实行弹一性的屈服准则。在模拟当中，弹性模量E具体取值上结合经验公式，选取2~5倍的Es。结合12组的试算结果，实施监测结果对比分析，合理确定弹模最适宜取值范围。而其余土层参数，均依照着勘测报告进行取值，对于勘测报告当中并未给出部分，以该地区临近工程经验取值确定。模拟计算分析实施步骤，即对初始的地应力实施计算分析，将地下连续墙确立起来；建立首道横向支撑，对第一层土层实施开挖作业；建立第二、三道的横向支撑，对第二、三层土层实施开挖。

2.2分析受力特征

如下，主要从应力、应变及地连墙体位移情况层面，分析淤泥质土层明挖隧道项目深基坑整个围护体系基本受力特征：

2.2.1应力层面

开挖完成，深基坑最大的主应力情况可了解到，对深基坑实施明挖作业，深基坑周边土体，特别留意淤泥质土变形，分析可知，深厚淤泥质土一定程度影响周围既有高速公路，运营过程中，高速公路整个围护体系承受应力作用，最大的主应力当中最大值为1.7MPa，但属于该围护体系承受范围，并不会严重破坏到既有高速公路当中深基坑的整个围护体系；对隧道深基坑实施明挖作业，地表当中最大的主应力所达到最大值是0.3MPa，应力值小，其对于周边高速公路正常运营所造成影响基本可忽略；对深基坑实施明挖作业之后，因明挖部分土体受侧向土的压力作用所影响，淤泥质土存在一定程度横向流变，桩基有反弯点产生，基坑底部为反弯点支点土体。

2.2.2应变层面

针对深基坑现场开挖后，竖向及横向变形情况。经分析可了解到，对深基坑实施开挖之后，受到深厚淤泥质土影响，深基坑的底部隆起现象明显，对深基坑总体施工呈较大影响，故施工期间务必要积极落实各项控制措施；深基坑两侧位置发生沉降现象，沉降量达3.5mm，但沉降范围相对较小，周围既有结构呈较小沉降位移，处于可控范围内。深基坑实施开挖后，竖向及横向变形最大的变形量处于深基坑顶部两侧，最大值达2.45mm，受主动的土压力所影响，深基坑顶部的两侧土体向着其内部方向呈现变化趋势；因存在着桩基及横撑，深基坑底部的土体为桩基重要支撑点，呈较大受力，深基坑的底部两侧存在向着中间变形发展趋势，最大的变形量达2.3mm，为可控范围以内。

2.2.3地连墙体位移层面

选定明显变形深基坑的开挖中部南北两侧断面，对墙体的变形性状实施分析，围护体系墙体选定四节点平面的应变单元（CPE4）。结合地下部分连续墙的水平位移伴随深度变化情况可了解到，完成首层开挖后，墙体总体变形微小，开挖作业到-6m，整个开挖作业面则进入淤泥质土层，墙体变形则为典型内凸型，其最大的水平位移伴随着挖深呈增大趋势，最大值则伴随着Z轴呈下移趋势，最终稳定于基坑中部位置。完成施工，地下部位连续墙横向位移呈较小变化值，围护体系受开挖作业卸荷效应所影响，向着坑内变形。南北侧的地连墙，其水平位移呈现先增后降趋势，最终则趋于稳定状态。开挖作业完成，水平最大位移达3.2cm，水平最大位移和开挖深度之间比值是0.15%，深度范围在6m~10m，危险位置集中于墙体中部位置。南侧的模拟值接近于实测值，北侧实测值高于模拟值约10%，表明此次模拟分析精准可靠。

结语

综上所述，处于淤泥质土层复杂环境之中，开展深基坑的开挖作业会一定程度影响周围既有高速公路和地下构筑物的变形和沉降；整个围护体系承受应力作用，但在选取合理的支护体系下，可有效避免因支护体系选取的不合理性而造成整个围护体系的破坏，因此合理的支护体系对周边公路正常运营所造成影响可有效减少；隧道深基坑实施开挖后，其底部隆起现象明显，但在开挖至回填土层后，隆起趋于稳定；另深基坑的顶部两侧部位土体向着其内部方向呈变形趋势，且围护体系受力最大位置集中到纵向支撑和桩基中间节点、横向部位第三道的支撑中部位置。为确保淤泥质土层明挖隧道项目建设施工高效实施，提出如下几点建议：一，施工前期应当全面细致地开展实地勘察工作，摸透项目建设场地及其周边地质地形相关基础条件，形成完善真实的勘察资料，便于充分把握复杂深厚的淤泥质土层环境下明挖隧道作业期间对深基坑整个围护体系基本受力所产生影响情况，为后期更好地落实隧道明挖施工操作奠定基础；二，基坑在深厚淤泥质土层中，最大侧土压力一般位于1/2~2/3基坑深度位置处，基坑体系支护中，可考虑局部加强该段位置体系的结构支撑，做到精细化设计施工；三，施工前期务必要充分考虑到项目建设周边既有公路、各类建筑物及构筑物等实际情况，做好周密部署和安排，规划好施工方案，以免隧道明挖作业会对既有建筑产生影响；四，要求现场做好各重要位置布设好相应的观测点，完善深基坑专项监测方案，便于密切监测基坑总体结构变形、移位、沉降、隆起各种变化处于规范标准范围以内，以免明挖隧道会对基坑整个结构安全造成不良影响。

参考文献：

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