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【摘 要】本文结合青岛地铁双山站的基坑支护工程实践，在FLAC数值模拟的基础上，对这种上段为钢筋混凝土支护桩，下段为超前支护微型钢管桩的新型支护结构进行分析研究。从模拟结果分析得出此新型支护能有效基坑控制深基坑变形，保证基坑的稳定及邻近建筑物的安全和正常使用。
【关键词】地铁车站：基坑支护；超前微型钢管桩；FLAC数值模拟
Research on the deep foundation pit support in Qingdao subway station by FLAC simulation
Xie Yun-yun,Zhang Ming-yi,Dong Lin-wei,Xu Jin-xiang,Li Hong-mei,Kou Hai-lei
(Qingdao Technological University，Civil engineering college Qingdao Shandong 266033)
【Abstract】This essay takes advantage of open excavated station pits supporting engineering of Qingdao subway station of shuangshan and analysis this new kind of advanced-supporting mini-steel-pipe piles in basis of FLAC numerical simulation.The simulation results show that ,the new structure can control the deformation of the pit effectively and ensure the stability of the pit and ensure the safety and normal use of surrounding buildings.
【Key words】Metro station;Foundation pit supporting;Advanced supporting mini steel pipe pile;FLAC Numerical simulation
青岛大部分地区地质条件相对较好，但基岩埋深变化较大，局部地段岩体风化程度不均一，岩体工程性质区域性较强，属于土岩复合地层。为了解决嵌岩桩在岩石层上施工困难等问题，出现了很多特殊的新型支护，如“上段为钢筋混凝土支护桩，下段为超前支护微型钢管桩［1］［2］”支护型式。此类土岩结合的支护模式不同于土质或岩体基坑，现在国内外尚无成熟的计算模式，理论研究远跟不上工程实践。本文以青岛地铁双山站基坑支护为工程背景，采用FLAC数值模拟对基坑开挖过程进行模拟，对基坑位移和围护桩身位移进行了研究分析。
1. 工程概况
双山站位于黑龙江路与合肥路的交叉路口，黑龙江路西侧，沿黑龙江路东北——西南走向（车站中心里程K13+650.296）。 本车站长251m，基坑开挖深度约为15.82m～17.46m。基坑安全等级为一级。根据地形、地质情况，基坑支护形式为：灌注桩+钢管内支撑（或锚索）混合支撑体系。地貌类型为山前侵蚀堆积坡地，场地地势较平坦，基岩主要为燕山晚期岩浆岩系列（ x53）及燕山晚期（x53 ）侵入脉岩，岩性为煌斑岩、花岗斑岩呈脉状穿插其间，于不同岩性接触带见有糜棱岩、碎裂岩。四系松散土层分布广泛，主要包括：全新统填土层（Q4ml）、冲洪积层（Q4al+pl），上更新统洪冲积层（Q3al+pl），覆盖于基岩之上。
2. 围护结构设计
该新型支护结构采用“钻孔灌注桩+钢支撑+锚索+超前支护微型钢管桩”支护体系，其支护断面图见图1。新型支护的围护桩采用1000@1700灌注桩。灌注桩均采用C30混凝土，钢筋净保护层厚度均为70mm。超前支护采用146x5@1000微型钢管桩。采用两道钢支撑，均采用609x16钢管，第一道钢支撑预加轴力550KN，水平间距6m；第二道钢支撑预加轴力650KN，水平间距3m。第二道钢支撑以下部位采用桩锚支护形式，锚索采用s15.2绞线，竖向设两道，水平间距1.7m，各桩间设置。 锚索水平倾角均为15 °，锚固体直径150mm，预加力300KN。
3. FLAC数值模拟
3.1 整体模型的建立。
基坑开挖深度16米，宽22米。为了消除边界效应的影响，建立了242m*108m的FLAC［3］平面计算模型。在建立计算模型时，将计算模型的基本土层分五层，自上而下为：杂填土、粘土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩 。力学模型采用摩尔一库仑模型，采用brick原始模型生成网格，单元网格边长约为lm，模型共有26136个单元(zones)。生成的网格见图2：
其中围护桩为新型支护桩，上段为钻孔灌注桩，长为13米，下段为微型钢管桩，长为5米，总长18米。
3.2 基坑开挖步骤。
本文采用FLAC软件对基坑开挖施工过程的模拟简化为以下步骤:
基坑第一步开挖：开挖2米，在1米处加第一道钢支撑。
基坑第二步开挖：开挖至8米，在7米处加第二道钢支撑。
基坑第三步开挖：基坑向下开挖支护至基坑底，加3道预应力锚索，进行仿真模拟计算。各步开挖过程中桩、锚索［4］布置情况，如下图3所示。
图1 支护断面图
图2 FLAC网格模型图
图3 开挖之后模型图
3.3 数值模拟结果分析。
3.3.1 基坑水平位移分析。
在基坑开挖过程当中，研究基坑支护结构的水平位移大小和范围如何随基坑开挖各个施工工况变化以及每个工况对支护结构水平位移的影响变化是非常必要的。图4为其基坑水平位移变化图。
从图4可以看出，在整个开挖过程中基坑水平位移逐渐增大。各工况下基坑水平位移最大值均发生在坑顶，从基坑开挖至2.0m时的2.0mm增加到开挖至基底时的11mm。另外，施工过程中，由于钢支撑，锚杆的加设，对基坑变形起到了很好的限制作用，使得位移增长速率逐渐变小。
基坑最大水平位移为11mm<0.3%H，在基坑变形允许的范围之内，说明基坑变形得到了很好的控制，基坑支护稳定［5］。
3.3.2 基坑竖向位移计算结果分析。
在地铁车站深基坑明挖施工中，开挖过程对基坑下部土层影响较大。基坑开挖后，边坡及周边土体的不均匀沉降均会影响基坑施工安全和周边建筑物的稳定。基坑边坡施工稳定性主要表现在水平位移上，而周边建筑物安全则要求通过控制基坑周边土体的不均匀沉降来保证。
基坑在分步开挖后，进行平衡计算得到如图5所示的基坑竖向位移图。
图4 其基坑水平位移变化图
图5 基坑竖向位移图
图5中数值为位移大小的变化范围，从上到下由负值到正值，负值代表向土体沉降，正值代表土体隆起。
从图5可以看出：
（1）在基坑开挖的第一、二步过程中，基坑开挖打破了原始土体的应力平衡状态，致使土体中应力重新分布，形成二次应力场。基坑周边土体发生沉降，而基坑底部的土体发生隆起。每开挖一步时，坑壁土体由于应力松弛在土体自重及地面荷载作用下产生沉降；基坑底土体由于上层土体重力释放及基坑壁土体的挤压，则产生隆起。随着开挖的进行，坑壁沉降量和坑底隆起均逐渐趋于稳定。
（2）在第三步开挖，在岩石基坑开挖过程中，坑底一般不发生隆起，出现的坑底隆起主要是由于基坑开挖使坑内土体应力释放而产生的回弹。
（3）只要支护结构严格控制基坑周边沉降量，基坑底及时进行垫层等施工，基坑竖向位移就可以控制在一定的范围之内［6］。
3.3.3 采用不同支护桩的桩身位移对比分析。
为了进一步研究新型支护中围护桩的变形，本文采用3组模拟作为对比，第1组采用围护桩全长为钻孔灌注桩，总长为18米，第2组采用围护桩为全长为微型钢管桩，总长18米，第3组为新型支护结构型式，上段钻孔灌注桩，长为13米，下段为微型钢管桩，长为5米。除围护桩不同外，其它建模均同上节中图三所示相同。
围护桩是深基坑工程中主要的围护结构，围护桩的变形直接关系到基坑的稳定和安全。这里重点分析3组模拟桩的桩身水平位移变化情况，并将计算结果进行比较分析。对比曲线如图6所示：
图6 桩身位移对比曲线图
从对比曲线图可以看出：
（1）工况一中由于基坑开挖深度不大，3组桩体整体变形量都较小。随着土方施工的持续进行，桩体的变形逐渐增大，主动土压力作用显著增强，特别第2层钢支撑施作完成后变形发展趋势得到控制。当施加一道预应力锚杆以后，桩顶位移向基坑内侧位移开始变小。
（2）围护桩最大最危险的地方不在桩顶而是出现在基坑中部到三分之二基坑深度处。
（3）3组模拟中，全长为钻孔灌注桩变形量最小，其次有新型支护结构的钻孔灌注桩+微型钢管桩，变形最大的是围护桩为全长钢管桩。经分析，第一组全长钻孔灌注桩施工困难，造价高；第二组全长钢管桩虽然造价低，但桩身位移在三者中较大，适宜用在地质非常好的条件下；第三组新型支护桩桩身位移虽比第一组略大，但是较第一组差别很小，而且施工方便合理，性价比最高，特别适合青岛这种岩土复合地层上应用。
4. 结束语
本文结合青岛双山站实际基坑工程，利用FLAC进行数值模拟，从结果分析来看，这种上段为钢筋混凝土支护桩，下段为超前支护微型钢管桩的新型支护型式有效地控制了基坑的水平和竖向位移，阻止了基坑周围土体的沉降，基坑变形趋于稳定状态，达到了设计目的。由于数值模拟计算没有考虑地下水渗流、天气、施工机械及时空效应的影响，地面没有施加载荷，计算结果在表现上普遍较小，预计会比监测结果小。但是由于目前双山站基坑支护监测还没完成，无法与实际数据进行对比，有待后期进行对此，从而更加合理的分析其位移变形，为后期的地铁项目提出指导性意见。
参考文献
［1］ Micro-pile Design And Construction Guidelines［M］.2000,FHWA,USA.
［2］ 谷伟平，李国雄，蒋利，李静.微型钻孔嵌岩钢管灌注桩.岩土工程学报，2000，22(3):344～347.
［3］ 刘波，韩彦辉. FLAC原理实例与应用指南. 北京:人民交通出版社，2002.
［4］ 张成龙.深基坑预应力锚杆柔性支护法的数值模拟研究:［硕士学位论文］.昆明:昆明理工大学，2007.
［5］ 贾金青，张明聚.深基坑土钉支护现场测试分析研究［J］.岩土力学，2003，24(3):413～416.
［6］ 杨雷霞，周勇发.台州地区某工程基坑支护设计与施工监测［J］.浙江水利水电专科学校学报.2005(3):31～34.
［文章编号］1006-7619（2011）11-03-013
［作者简介］ 解云芸（1985-），女，籍贯：临沂沂水人，学历：硕士研究生，主要从事青岛地铁站基坑支护研究。
【关键词】地铁车站：基坑支护；超前微型钢管桩；FLAC数值模拟
Research on the deep foundation pit support in Qingdao subway station by FLAC simulation
Xie Yun-yun,Zhang Ming-yi,Dong Lin-wei,Xu Jin-xiang,Li Hong-mei,Kou Hai-lei
(Qingdao Technological University，Civil engineering college Qingdao Shandong 266033)
【Abstract】This essay takes advantage of open excavated station pits supporting engineering of Qingdao subway station of shuangshan and analysis this new kind of advanced-supporting mini-steel-pipe piles in basis of FLAC numerical simulation.The simulation results show that ,the new structure can control the deformation of the pit effectively and ensure the stability of the pit and ensure the safety and normal use of surrounding buildings.
【Key words】Metro station;Foundation pit supporting;Advanced supporting mini steel pipe pile;FLAC Numerical simulation
青岛大部分地区地质条件相对较好，但基岩埋深变化较大，局部地段岩体风化程度不均一，岩体工程性质区域性较强，属于土岩复合地层。为了解决嵌岩桩在岩石层上施工困难等问题，出现了很多特殊的新型支护，如“上段为钢筋混凝土支护桩，下段为超前支护微型钢管桩［1］［2］”支护型式。此类土岩结合的支护模式不同于土质或岩体基坑，现在国内外尚无成熟的计算模式，理论研究远跟不上工程实践。本文以青岛地铁双山站基坑支护为工程背景，采用FLAC数值模拟对基坑开挖过程进行模拟，对基坑位移和围护桩身位移进行了研究分析。
1. 工程概况
双山站位于黑龙江路与合肥路的交叉路口，黑龙江路西侧，沿黑龙江路东北——西南走向（车站中心里程K13+650.296）。 本车站长251m，基坑开挖深度约为15.82m～17.46m。基坑安全等级为一级。根据地形、地质情况，基坑支护形式为：灌注桩+钢管内支撑（或锚索）混合支撑体系。地貌类型为山前侵蚀堆积坡地，场地地势较平坦，基岩主要为燕山晚期岩浆岩系列（ x53）及燕山晚期（x53 ）侵入脉岩，岩性为煌斑岩、花岗斑岩呈脉状穿插其间，于不同岩性接触带见有糜棱岩、碎裂岩。四系松散土层分布广泛，主要包括：全新统填土层（Q4ml）、冲洪积层（Q4al+pl），上更新统洪冲积层（Q3al+pl），覆盖于基岩之上。
2. 围护结构设计
该新型支护结构采用“钻孔灌注桩+钢支撑+锚索+超前支护微型钢管桩”支护体系，其支护断面图见图1。新型支护的围护桩采用1000@1700灌注桩。灌注桩均采用C30混凝土，钢筋净保护层厚度均为70mm。超前支护采用146x5@1000微型钢管桩。采用两道钢支撑，均采用609x16钢管，第一道钢支撑预加轴力550KN，水平间距6m；第二道钢支撑预加轴力650KN，水平间距3m。第二道钢支撑以下部位采用桩锚支护形式，锚索采用s15.2绞线，竖向设两道，水平间距1.7m，各桩间设置。 锚索水平倾角均为15 °，锚固体直径150mm，预加力300KN。
3. FLAC数值模拟
3.1 整体模型的建立。
基坑开挖深度16米，宽22米。为了消除边界效应的影响，建立了242m*108m的FLAC［3］平面计算模型。在建立计算模型时，将计算模型的基本土层分五层，自上而下为：杂填土、粘土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩 。力学模型采用摩尔一库仑模型，采用brick原始模型生成网格，单元网格边长约为lm，模型共有26136个单元(zones)。生成的网格见图2：
其中围护桩为新型支护桩，上段为钻孔灌注桩，长为13米，下段为微型钢管桩，长为5米，总长18米。
3.2 基坑开挖步骤。
本文采用FLAC软件对基坑开挖施工过程的模拟简化为以下步骤:
基坑第一步开挖：开挖2米，在1米处加第一道钢支撑。
基坑第二步开挖：开挖至8米，在7米处加第二道钢支撑。
基坑第三步开挖：基坑向下开挖支护至基坑底，加3道预应力锚索，进行仿真模拟计算。各步开挖过程中桩、锚索［4］布置情况，如下图3所示。
图1 支护断面图
图2 FLAC网格模型图
图3 开挖之后模型图
3.3 数值模拟结果分析。
3.3.1 基坑水平位移分析。
在基坑开挖过程当中，研究基坑支护结构的水平位移大小和范围如何随基坑开挖各个施工工况变化以及每个工况对支护结构水平位移的影响变化是非常必要的。图4为其基坑水平位移变化图。
从图4可以看出，在整个开挖过程中基坑水平位移逐渐增大。各工况下基坑水平位移最大值均发生在坑顶，从基坑开挖至2.0m时的2.0mm增加到开挖至基底时的11mm。另外，施工过程中，由于钢支撑，锚杆的加设，对基坑变形起到了很好的限制作用，使得位移增长速率逐渐变小。
基坑最大水平位移为11mm<0.3%H，在基坑变形允许的范围之内，说明基坑变形得到了很好的控制，基坑支护稳定［5］。
3.3.2 基坑竖向位移计算结果分析。
在地铁车站深基坑明挖施工中，开挖过程对基坑下部土层影响较大。基坑开挖后，边坡及周边土体的不均匀沉降均会影响基坑施工安全和周边建筑物的稳定。基坑边坡施工稳定性主要表现在水平位移上，而周边建筑物安全则要求通过控制基坑周边土体的不均匀沉降来保证。
基坑在分步开挖后，进行平衡计算得到如图5所示的基坑竖向位移图。
图4 其基坑水平位移变化图
图5 基坑竖向位移图
图5中数值为位移大小的变化范围，从上到下由负值到正值，负值代表向土体沉降，正值代表土体隆起。
从图5可以看出：
（1）在基坑开挖的第一、二步过程中，基坑开挖打破了原始土体的应力平衡状态，致使土体中应力重新分布，形成二次应力场。基坑周边土体发生沉降，而基坑底部的土体发生隆起。每开挖一步时，坑壁土体由于应力松弛在土体自重及地面荷载作用下产生沉降；基坑底土体由于上层土体重力释放及基坑壁土体的挤压，则产生隆起。随着开挖的进行，坑壁沉降量和坑底隆起均逐渐趋于稳定。
（2）在第三步开挖，在岩石基坑开挖过程中，坑底一般不发生隆起，出现的坑底隆起主要是由于基坑开挖使坑内土体应力释放而产生的回弹。
（3）只要支护结构严格控制基坑周边沉降量，基坑底及时进行垫层等施工，基坑竖向位移就可以控制在一定的范围之内［6］。
3.3.3 采用不同支护桩的桩身位移对比分析。
为了进一步研究新型支护中围护桩的变形，本文采用3组模拟作为对比，第1组采用围护桩全长为钻孔灌注桩，总长为18米，第2组采用围护桩为全长为微型钢管桩，总长18米，第3组为新型支护结构型式，上段钻孔灌注桩，长为13米，下段为微型钢管桩，长为5米。除围护桩不同外，其它建模均同上节中图三所示相同。
围护桩是深基坑工程中主要的围护结构，围护桩的变形直接关系到基坑的稳定和安全。这里重点分析3组模拟桩的桩身水平位移变化情况，并将计算结果进行比较分析。对比曲线如图6所示：
图6 桩身位移对比曲线图
从对比曲线图可以看出：
（1）工况一中由于基坑开挖深度不大，3组桩体整体变形量都较小。随着土方施工的持续进行，桩体的变形逐渐增大，主动土压力作用显著增强，特别第2层钢支撑施作完成后变形发展趋势得到控制。当施加一道预应力锚杆以后，桩顶位移向基坑内侧位移开始变小。
（2）围护桩最大最危险的地方不在桩顶而是出现在基坑中部到三分之二基坑深度处。
（3）3组模拟中，全长为钻孔灌注桩变形量最小，其次有新型支护结构的钻孔灌注桩+微型钢管桩，变形最大的是围护桩为全长钢管桩。经分析，第一组全长钻孔灌注桩施工困难，造价高；第二组全长钢管桩虽然造价低，但桩身位移在三者中较大，适宜用在地质非常好的条件下；第三组新型支护桩桩身位移虽比第一组略大，但是较第一组差别很小，而且施工方便合理，性价比最高，特别适合青岛这种岩土复合地层上应用。
4. 结束语
本文结合青岛双山站实际基坑工程，利用FLAC进行数值模拟，从结果分析来看，这种上段为钢筋混凝土支护桩，下段为超前支护微型钢管桩的新型支护型式有效地控制了基坑的水平和竖向位移，阻止了基坑周围土体的沉降，基坑变形趋于稳定状态，达到了设计目的。由于数值模拟计算没有考虑地下水渗流、天气、施工机械及时空效应的影响，地面没有施加载荷，计算结果在表现上普遍较小，预计会比监测结果小。但是由于目前双山站基坑支护监测还没完成，无法与实际数据进行对比，有待后期进行对此，从而更加合理的分析其位移变形，为后期的地铁项目提出指导性意见。
参考文献
［1］ Micro-pile Design And Construction Guidelines［M］.2000,FHWA,USA.
［2］ 谷伟平，李国雄，蒋利，李静.微型钻孔嵌岩钢管灌注桩.岩土工程学报，2000，22(3):344～347.
［3］ 刘波，韩彦辉. FLAC原理实例与应用指南. 北京:人民交通出版社，2002.
［4］ 张成龙.深基坑预应力锚杆柔性支护法的数值模拟研究:［硕士学位论文］.昆明:昆明理工大学，2007.
［5］ 贾金青，张明聚.深基坑土钉支护现场测试分析研究［J］.岩土力学，2003，24(3):413～416.
［6］ 杨雷霞，周勇发.台州地区某工程基坑支护设计与施工监测［J］.浙江水利水电专科学校学报.2005(3):31～34.
［文章编号］1006-7619（2011）11-03-013
［作者简介］ 解云芸（1985-），女，籍贯：临沂沂水人，学历：硕士研究生，主要从事青岛地铁站基坑支护研究。