陈艳茹，杨 勃
（陕西铁路工程职业技术学院道路工程系，陕西 渭南714099）
[摘要]以西安市地铁4号线某地铁站为工程背景，通过对施工现场的监测分析，得到在基坑开挖过程中，铺盖体系六四式军用梁的应力、挠度，以及中间临时立柱桩的沉降、水平位移的变化规律。利用ANSYS有限元方法模拟基坑开挖，对比分析模拟值和实测值，得到半幅铺盖体系在施工过程中的稳定性规律。
[关键词]地铁站；铺盖体系；水平位移；沉降；轴力；挠度；有限元分析
[中图分类号]U231.3；TU753 [文章编号]1002-8498(2016)11-0072-04
1 工程概况
1.1 工程简介
西安地铁4号线某站地下3层，位于东西五路与解放路十字路口南侧，南接大差市站，北接火车站，是1，4号线的T形交叉换乘站。目前l号线该站主体结构已完成。4号线该站共设置4个出入口和2组风亭。车站总长161. 56m，标准段宽22. 9m。车站位于市区繁华地带，周边建筑物密集，主要包括环形天桥、陕西省人民政府外事办公室、新玛特商城、招商银行、机械工业设备局、万达商城、裕华商城等。
1.2基坑支护体系设计
该车站采用半幅铺盖明挖顺作法施工，车站主体围护桩采用ϕ1 200mm@1 500mm钻孔灌注桩，桩间设ϕ800mm双重管旋喷作为止水帷幕。灌注桩插入坑底9m，旋喷桩插入坑底≥5m，桩身混凝土强度等级为C35，坑内共设4道支撑，第1道为600mm×800mm混凝土支撑，水平间距6m，中心点距地面高度2. 2m;第2～4道为ϕ609mm，壁厚t=14/16 mm的钢支撑，水平间距为3m。中间临时立柱桩间距3m，桩径1 200mm。临时路面主要由六四式加强型军用梁、200mm厚承重预制盖板及其表面的沥青混凝土路面组成。根据设计方案，选用六四式加强型军用梁，沿车站东、西向纵向设置，每榀全长11. 5m，中心线间距1.5m（见图1）。
1.3监测方案设计和数据分析
通过监测，现场掌握铺盖体系的受力性能和变形情况，通过对监测数据的分析，对工程铺盖体系的稳定性加以评价，并进一步预测开挖施工将导致的变形或稳定状态的发展。必要时，调整支护参数、施工工艺和施工方法，确保工程顺利进行，全面实现信息化施工。
本工程对半幅铺盖体系的监测主要包括六四式军用梁的轴力、军用梁的挠度以及中间临时立柱的桩顶水平位移和桩的沉降。监测点布置如图2，3所示。
监测结果分析：中间临时立柱桩桩顶水平位移累计曲线如图4所示，中间临时立柱桩桩顶水平位移是影响铺盖体系稳定性的重要因素，因此是监测的重点，对于桩顶水平位移的监测，取关键性测点S3，S8，S28的监测值进行分析，从图中可以看出基坑开挖初期，因基坑土体的卸荷和基坑两侧较大的水压作用，桩顶水平位移增加速率较快，水平累计值逐渐增大，但基坑开挖后及时设置了第1道混凝土支撑和第1道钢管支撑，所以水平位移未出现突然增大情况。从图中还可以看出在6月1日至7月中旬，位移的增加速率最大，这是由于天气原因，基坑周围的地下水位增高而基坑的降水深度没有达到规范要求，侧向的水压力导致水平位移增加速率变大。从11月以后，车站主体建设采取横向分段、竖向分层的施工方法，随着主体结构的施工，水平位移变化率趋于0，即位移趋于稳定。六四式军用梁应力值累计曲线如图5所示，车站所在的路面是城市主干道，车流量较大，军用梁主要承受上部路面和车辆的竖向荷载以及车辆产生的动荷载作用。监测点设置在受力最大的梁中部，由于车辆产生的重复动荷载以及军用梁自身弹性的相互作用，如图中所示测点处的应力累计值在一定范围内上下浮动。测点1处的应力累计值最大为62. 36kN，远小于报警值960kN。六四式军用梁挠度累计值曲线如图6所示，挠度大小是判别梁是否失稳的重要指标。军用梁在路面和车辆产生的竖向荷载、车辆产生的冲击荷载作用下，以及受支撑铺盖路面的围护桩和中间临时立柱的水平位移和沉降影响，挠度值逐渐增加，而军用梁自身有较大刚度，挠度值到一定值后不再增加。挠度累计值最大为8. 2mm，小于报警值36mm。中间临时立柱桩的沉降累计值曲线如图7所示，基坑未开挖时，桩体因承受上部结构传递的荷载，会产生一定沉降。基坑开挖初期，由于基坑深度较小，测点沉降较小，随着基坑开挖深度的增加，周围土体和桩间摩阻力减小，并且土体开始排水固结，沉降速率较大。9月后随着主体结构的施工，沉降速率逐渐变小，沉降值几乎不再增加。
2铺盖体系有限元模拟分析
2.1模型建立
运用ANSYS有限元软件建立基坑模型，模型中基坑的侧向边界范围取基坑开挖深度的3倍，竖向地层厚度取基坑深度的2倍，以减少边界对开挖基坑的影响。模型土体采用3D-solid 8节点单元，冠梁、第1道混凝土支撑采用beam单元，第2～4道钢管支撑采用beam单元中的pipe单元。桩采用beam单元的实体pipe单元，军用梁采用杆单元。第1道混凝土支撑、钢管支撑、军用梁、桩采用线弹性本构模型，土体采用Drucker-Prager模型。利用有限元法模拟基坑开挖的4种工况，对其进行计算和分析。各层土体和支护体的物理学参数如表1所示。
2.2施工模拟
先施加土体的初始应力场，然后将土体的初始位移设置为0，本构模型5个工况计算：①工况1建立基坑和铺盖体系的数值模型，第2—4道横撑分别施加预加轴力960，1170，900kN，然后把第2~4道横撑单元杀死。施加土体的初始应力，并把土体的初始位移设置为0。②工况2第1步开挖，开挖首步为1m，共6步，开挖完成后，解除第2道横撑的kill命令。③工况3 第2步开挖，开挖步1m，共6步，开挖完成后，解除第3道横撑的kill命令。④工况4第3步开挖，设置开挖步1m，共5步，开挖完成后解除第4道横撑的kill命令。
2.3模拟值与监测值对比分析
限于篇幅，取所处工程环境较为复杂的测点，做实测值与数值模拟结果的对比分析。从图8a中可知，在基坑模拟开挖过程中，桩顶水平位移模拟值的变化规律和实测值较为吻合。由于模拟施工中，忽略基坑周边堆放的建筑垃圾和材料，图中位移模拟值大于实测值。桩顶水平位移模拟最大值为6. 4mm，实测最大值为5.3mm，都小于报警值19mm。从图8b中可知，在模拟基坑开挖过程中，沉降模拟值和实测值变化趋势大体一致，但模拟值在基坑开挖的各阶段都大于实测值，这是因数值模拟没考虑铺盖上部行驶车辆产生的冲击荷载，以及施
工现场工程环境的复杂性。中间临时立柱桩的沉降模拟值最大为6. 8mm，小于报警值8mm。从以上分析可知，在模拟基坑开挖过程中，围护边桩和中间临时立柱桩一直处于安全稳定状态。军用梁轴力和挠度的实测值与模拟值对比曲线如图9所示。由图可知模拟值的变化比较平顺光滑，逐渐增加，而现场监测值呈现出起伏性、回弹性。造成这种实测值和模拟值吻合度较低的原因为：在施工现场，军用梁的底部铺设木板（500mm（宽）×30mm（厚））来减震，而数值模型是军用梁和冠梁刚性连接。从图9中可知军用梁轴力模拟值最大为55. 2kN，梁挠度模拟最大值为9. 2mm，由以上分析可知，模拟基坑施工中军用梁一直保持安全稳定状态。
3 结语
1)通过对铺盖体系围护桩、中间临时立柱桩的桩顶水平位移和沉降值，以及军用梁轴力和挠度的监测数据分析，得知在工程建设中铺盖体系一直处于安全稳定状态，且设计的安全系数偏大，可对铺盖体系进行优化设计，以节约资源、提高经济效益。
2)通过模拟基坑开挖，并对比现场监测值分析，模拟值与实测值的变化曲线吻合较好，说明有限元理论计算可为基坑安全性分析提供有效建议。而数值模拟因无法考虑实际施工过程中不可预见和不确定性因素，造成模拟值和监测值有一定差异。
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