某地铁车站基坑围护结构优化设计

基坑变形进行了现场监测和数据采集,并采用FLAC软件建

立了相应的三维计算模型。通过模拟分析实现了基坑围护结

构的优化设计，可为城市地铁工程安全施工提供理论基础。 关键词 地铁车站；基坑；围护结构；优化设计

中图分类号TU94+2DOI ： 10.16037/j .1007-869x.2019.12.016Optimum Design of the Envelope Structure for Subway Station Foundation PitLI WenguangAbstract Through describing the characteristics of subway

station foundation pit retaining structure, various factors that cause the deformation of the foundation pit retaining structure are collected. A corresponding three-dimensional model is es­tablished by using the FLAG (fast lagrangian analysis of con-

tinua) software, to realize the optimum design of deep founda­

tion pit retaining structure through simulation analysis. This re­

search provides a theoretical basis for the safe construction of

urban rail transit project.Key words subway station ； foundation pit ； envelope struc­

ture； optimum designAuthor's address China Railway 18th Bureau ( Group) No.5 Engineering Co., Ltd., 300451, Tianjin, China1工程简介1.1工程概况某地铁车站全长101 m冲间标准段长71 m、宽

24.7 m,两端端头井长度均为15 m、宽度均为26.7 mo该车站地下共设两层，其中地下一层为站台和

隧道，并设置配电室,地下二层设置换乘通道和地 铁支线区间隧道。车站地处繁华市区，周边有高架

桥、地面道路及居住小区。1.2基坑围护结构设计该地铁车站采用明挖顺做法施工。基坑设计

深度为17 m,地表下方3 m采用放坡开挖，挂网喷 浆支护;其余14 m采用钻孔灌注桩和锚杆体系作为

围护结构;基坑内部采用钢支撑对撑。原设计钻孔

灌注桩间距为1-2 m,桩长为22.5 m,直径为1.0 m,

纵向主筋采用21根0 28 mm钢筋，材质为

HRB335。基坑深度范围共设3层钢支撑，钢支撑直

径为800 mm,壁厚为16 mm,钢支撑水平间距为3.5

m,竖向间距分别J为5 m、5 m、4 mo基坑围护结构

平面布置如图1所示，围护结构剖面如图2所示。2地铁车站基坑变形现场监测2.1监测方法在钻孔灌注桩施工过程中埋设测斜管，基坑施工 时将测斜探头置入测斜管，按照设计要求频率对各点

的数值进行采集。基础监测点布置如图3所示。2.2监测数据分析统计监测点CX3处围护桩在基坑施工过程中 的变形监测数据，如表1所示。实际监测时每0.5 m

取一个采样点。由于篇幅所限，本文仅列出每5 m 处的数据。由表1可知，在整个基坑施工过程中围

护桩的最大变形量为20.8 mm,且表中所有监测数• 65 •叢輸aifflos^so据均小于设计允许变形量30 mm,由此可知基坑处 于安全可控状态，但仍存在一定的优化空间。谜！ 02 它4 ⑧北2019 年表1监测点CX3处围护桩变形监测数据监测点距地表不同距离时围护桩的变形量/mm口牺0 m5 m-2.20-2.35-9.40-14.0110 m15 m22.5 m2017-07-242017-08-01EI5

E43

-1.05-3.08-0.51-0.30-0.050.210.200.39碍CX32017-08-02-9.95-6.19-0.49-3.20-&80-9.500.050.20-0.89CX6 €X5

2017-08-032017-09-01-12.30-4.55-13.65-16.85?4：； EI5, MJ, E阴为临测成所在用护枇的

编 WX l CX67jlMrt£E^li^Jf>* 监测点的鋼母-11.10-12.55-&352017-09-02-4.60-18.52-20.80-19.50-0.75-2.552017-09-032017-10-0111.2511.30-12.80-12.75图3基坑监测点布置平面图-6.80-2.963 FLAC三维数值模拟3.1模型建立采用FLAC软件建立地铁车站三维计算模型

(见图4)，三维模型为对称模型，这样在满足设计精 度要求的同时可以降低计算量以及提高计算速度。

计算模型长度、宽度、高度分别取60 m、120 m、70

mo 土层计算参数如表2所示。表2 土层计算参数土层层厚/m黏聚力/kPa内摩擦角/(°)压缩模量/MPa变形模量/MPa重度/(kN/m3)粉土粉质黏土粉细砂3917.2030.5522.7027.6083.743.2104.620.515.0916.40192.5279.0290.820.121.0320144.0166.2细中砂33.0013.8320.001&820.7

卵石、粉砂1527.17344.8346.03.2模型边界条件地铁车站基坑周边的车辆荷载及施工荷载按

照15 kPa均布荷载进行加载。模型的左侧和右侧

3.5开挖模拟三维计算模型构建完成后,进行相应的计算分 析，求出在基坑开挖过程中围护结构的水平位移与

竖直位移。计算步骤包括以下6步:①初始地应力

边界采用沿X方向的法线约束来限制边界沿X方 向的水平位移;下边界采用Z方向的法向约束来限 制边界的垂直位移;前边界和后边界处，采用卩方

向上的法线约束来限制边界在卩方向上的水平

计算;②施工围护结构钻孔灌注桩;③基坑开挖至3

m时开始架设支撑;④基坑开挖至8 m时架设第2

道支撑;⑤基坑开挖至13 m时架设第3道支撑;⑥

位移。基坑开挖至基底，即开挖深度为17 mo3.3本构模型在模拟分析过程中，建立合理的土体模型是模

拟分析的关键。合理确定计算参数和本构模型是

3.6模拟结果按原设计方案，基坑竖向位移如图5所示。由 图5可知，基坑开挖至17 m时，基坑的最大竖向位

移为18 mm0获得精确数据的基础。计算中使用的主要模型为 空模型和摩尔-库仑准则。原设计方案下的基坑水平位移如图6所示。由

3.4结构单元类型本文在分析围护结构的力学性能时，利用锚索 结构单元来模拟锚索,利用三维梁结构单元来模拟

图6可知，在基坑整个挖掘过程中，基坑顶角的水平

位移最大;而且随着挖掘深度增大,基坑顶角的水

平位移也逐渐增大。当开挖深度达到17 m时，基坑

钢支撑。顶角的水平位移为0.008 mmo・66・-O.WOC) 15 JI 1).002r 0 -(H)-0.00100■ 0M6 00j 0.008 00町开蛇至Em时的基坑竖向位移1-0.000 30.002 0:0.006 0：0.010 0：0.014 0■0.018 0b）开挖至17 mH的基坑竖向位移单址;m■!图5原设计方案下的基坑竖向位移-0.003 8 -0003 0

-0M2 0

-0.001 0

00.0020 003 00 a）廿挖至X m时的甚坑水平位移-0.009-0.008 -Ci.OOfi g -0 00 0-0.0021J04 ()0 oxm

0.6CM o O.CM36 oQ.OOR 60

孙开挖至门m吋的垄坑水平拉移

单垃】m图6原设计方案下的基坑水平位移4地铁车站基坑围护结构优化设计根据原设计方案,在确保安全的前提下，对基

坑围护结构进行优化处理。4.1优化内容与方法利用弯矩反算的方法对基坑围护桩结构进行

优化，其数据基础是围护桩的侧向倾斜数据。根据

实际监控数据，通过建模对基坑围护结构进行优化

处理。4.2围护结构优化设计4.2.1围护桩倾斜监测数据曲线拟合CX3.CX4分别为基坑围护结构测斜数据监测

点。根据基坑施工过程中围护结构的实际变形数 据，利用Matlab数据处理软件对采集到的数据进行

拟合,并通过误差分析筛选出最优方案。4.2.1.1围护桩监测点CX3的变形规律拟合围护桩监测点CX3的实际水平位移曲线如图

7所示。该监测点变形数据拟合方程的误差分析如

表3所示。通过对表3分析，可以发现经6次拟合

后，变形数据方程误差最小。将围护桩监测点CX3 拟合6次得到的曲线，如图8所示。冒E鮭世亠.餐

注,监测点位泄为监徽点•距桩顶的距离图7监测点CX3实际水平位移曲线表3监测点CX3变形数据拟合方程误差分析表拟合次数误差/%51.860.371.381.191.9100.8

图8监测点CX3水平位移拟合曲线4. 2.1.2围护桩监测点CX4的变形规律拟合

围护桩监测点CX4的实际水平位移曲线如图9所示。该监测点变形数据拟合方程的误差分析如・67・表4所示。通过对表4分析,可以发现经过9次拟 合后，变形数据方程误差最小。图10显示了将围护桩监测点CX4拟合9次而获得的曲线。表4监测点CX4变形数据拟合方程误差分析表拟合次数误差/%59.0068.0074.0081.4090.56103.005

-% 1 4 6 & 】0 12噓测点拉脚/m图10监测点CX4水平位移拟合曲线4.2.2围护桩弯矩计算围护桩的变形曲率公式如下:d2z;(x)1dxr2

~ R- (P(1)式中：©（兀）•——

围护桩测斜曲线方程；-变形曲率；X-不同基坑深度时围护桩的横坐标；R—-曲率半径。通过式（1）推导得到围护桩上各个截面的弯矩M和变形曲率Q之间的关系：M - EI©(2)式中：E—-混凝土的弹性模量；I——-围护桩桩身截面的惯性矩。由式（1）和式（2）可以得出基坑不同深度时围 护桩截面上的弯矩。图11和12分别为围护桩CX3 和CX4的弯矩拟合曲线。4.2.3围护桩配筋计算求取桩身弯矩方程M/EI的导数，计算该导数的 最大值，然后据此进行围护桩的配筋优化。基坑围护

桩优化后的内力如表5所示,围护桩优化后配筋如

表6所示,围护桩优化前后结果对比如表7所示。• 68 •图11围护桩监测点CX3弯矩拟合曲线表5基坑围护桩优化内力表rfa-h内刀尖型来痢基坑内侧最大基坑外侧最大最大弯矩/(kN・m)弯矩/(kN・m)剪力/kN弹性法计算值849.73537.62497.60经典法计算值1 064.241 136.13427.04内力设计值993.12628.34684.20内力实用值993.12628.34684.20表6基坑围护桩优化配筋表选筋类型级别配筋实配筋面积/mn?纵筋HRB33520 根 0 28 mm12 315箍筋HPB235面积/mn?优化前1 2001 00021 根(/)28 mm13 000优化后1 50080020 根 © 28 mm

12 3154.3优化结果分析围护桩结构优化后,其在基坑施工过程中的模

拟结果如图13-14所示。由图13和图14可知，基 坑围护桩结构优化后，当基坑挖掘深度达到17 m

时，其水平位移和竖向位移最大。其中围护桩最大 水平位移为9.4 mm,最大竖向位移为18 mm,而基

坑设计的变形允许值为30 mm,因此围护桩结构优 化后,基坑稳定性仍可满足设计要求。1-0.000 !55结语本文以某地铁车站深基坑为研究对象。在描 述地铁车站深基坑支护结构特点的基础上，分析了 实际监测数据，并建立了相应的三维模型。通过

.(Hl J 0.034 W1 ().006 (JO .o.oos w ■O.OIOOT町幵怪至g m时的菇坑翌向位林I-0.000 33FLAC模拟分析，实现了深基坑围护结构的优化设

计。方案优化后，围护桩间距由原设计的1 200 mm

增加至1 500 mm,增加了 300 mm；围护桩配筋面积

0d 0.006 00：0.010 00严 14 00b]开挖至门m时的幕坑竖向位& 单位：mlo.oisoo由原设计的13 000 mm2减少至12 315 mn?,减少 了 685 mm2 ；围护桩直径由原设计的1 000 mm减少

至800 mm,减少了 200 mmo由此可见，对基坑围护

结构的优化效果较为显著，可供类似项目参考。图13优化方案下的基坑竖向位移-0.004 I-0.(103 J) -0.002 0 -0.001 0 00.002 00.W3 0O.CHM 2时开挖至8m时的基坑水平位移参考文献[1] [2] [3]

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0.009 4-O.OLHO-0 0020jUIHJ-l 仆 JfJ U06 0 ■ 0.008 0忖开挖至17皿时的基坑水平鱼移 单位:：m

图14优化方案下的基坑水平位移州:郑州大学,2009.王卫东，王建华.深基坑支护结构与主体结构相结合的设计、

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