郑州地铁机场站基坑支护验算.pdf

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1、 郑州地铁郑州地铁 17 号线机场站号线机场站 基坑稳定性验算基坑稳定性验算 中铁四局一公司郑州城际铁路项目部 2014 年 1 月 目目 录录 1 工程概况工程概况.1 1.1 工程概述.1 1.2 地质条件.1 1.2.1 工程地质.1 1.2.2 水文地质.2 1.2.3 特殊土与不良地质.3 1.2.4 地震效应.3 1.3 基坑支护设计.3 2 计算目标计算目标.5 3 计算依据计算依据.5 4 计算理论及方法计算理论及方法.5 5 数值模拟计算数值模拟计算.6 5.1 计算模型.6 5.2 计算参数及边界条件.7 5.3 计算结果.8 5.3.1 初应力.8 5.3.2 围护桩水平

2、位移.9 5.3.3 支撑轴力.11 5.3.4 基底隆起.14 6 分析讨论及结论分析讨论及结论.15 I 1 工程概况工程概况 1.1 工程概述工程概述 如图 1 所示，该地铁车站为地下二层岛式车站，位于综合交通换乘中心（GTC）结构下方。车站总长 260.35，轴线长度 259 m，标准段外包宽 23.3，车站结构外包高度约 16。车站结构顶板为 GTC 结构底板。车站起讫里程为 YDK0+149.550YDK0+409.900，车站有效站台中心里程为 YDK0+300.000。车站南侧与城际线地下车站相邻，两基坑间最大净距为 10.3，最小净间距为 8.1 m。车站东端为机场二期 T2

3、 航站楼地下室，西端为机场过夜停车场，北侧有一条污水沟，水流方向基本与基坑平行，水沟深约 5 m，宽 7 m。图 1 地铁 17 号线车站近接城际线车站平面示意图 1.2 地质条件地质条件 1.2.1 工程地质工程地质 根据场地野外钻探和静力触探试验结果，场地 80.0 m 勘探深度内的地层按地层的成因类型、岩性及工程地质特性将其划分为 14 个工程地质单元层和 6 个工程地质单元亚层，其中底板位于粉土和细砂层。现分述如下：第层（Q4ml）：杂填土，杂色，稍湿，稍密，含大量砖块、碎石等杂物，以粉土充填。第层（Q4al）：粉土，褐黄色、黄褐色，稍湿，稍密，稍有砂感，局部夹有少量粉砂。含大量灰褐色

4、斑块，夹有少量蜗牛碎片及小钙质结核。1 第层（Q4al）：粉砂，黄褐色，稍湿，中密，砂质纯净，主要矿物成分为长石、石英，含少量云母等暗色矿物，分选性好。第层（Q4al）：粉土，黄褐色，褐黄色，湿，中密-密实，土质均匀，颗粒较粗，有砂感，局部渐变为粉砂，含锈黄色及浅灰色斑块，见少量小钙质结核及蜗牛碎片。第层（Q4al）：粉土，黄褐色，湿，稍密-中密，颗粒含量较高，夹有粉质粘土层。含锈黄色及灰白色条纹，见少量钙质结核，直径 0.5-6.0 cm。第层（Q4al）：细砂，褐黄色，饱和，中密-密实，局部有砂感，含少量锈黄色及青灰色条纹，偶见小钙质结核。该层为第层细砂的夹层。第层（Q3al+pl）：粉土

5、，黄褐色，湿，中密-密实，稍具粘性，局部砂粒含量较高，夹有薄层细砂。含有锈黄色斑块及灰色斑点，含少量钙质结核。第1 层（Q3al+pl）：粉土，黄褐色，湿，中密-密实，粘性含量较高。含有锈黄色斑块及灰色斑点，见少量铁锰质斑点。含较多 2.0-4.0 cm 的钙质结核。第层（Q3al+pl）：粉质粘土，黄褐色，湿，中密-密实，稍具粘性，局部砂粒含量较高，夹有薄层细砂。含有锈黄色斑块及灰色斑点，夹有大量 0.5-2.0 cm 的钙质结核。第1 层（Q3al+pl）：粉土，黄褐色，褐黄色，湿，密实，稍有砂感，局部夹有薄层细砂。含有锈黄色斑块及灰色斑点，见少量 1.0-3.0 cm 的钙质结核。第层（

6、Q3al+pl）：粉土，黄褐色，湿，中密，含有锈黄色及灰白色斑点，土质均一，含有少量钙质结核及蜗牛碎片。第层（Q3al+pl）：细砂，黄褐色，饱和，密实，砂质较纯，主要矿物成分为长石、石英，含少量云母等暗色矿物。泥质含量稍高，局部夹有粉质粘土和砂质胶结薄层。1.2.2 水文地质水文地质（1）地下水的类型、赋存、径流排泄 根据区域地质资料，施工场地在分水岭之南，由北向南径流，主要以河流侧向径流和大气降水形式补给，以蒸发形式排泄。本场地地下水类型属于第四系松散岩类孔隙水，主要含水层为粉砂、细砂和粉土层中，本次勘察期间地下水水位高程为 142.92143.24 m，水位变幅约 1 m2 m。（2）各

7、岩土层渗透系性 根据抽水试验资料，结合拟建场地工程地质条件，经计算，本次钻探揭露地层的综合渗透系数取 3.0 m/d，引用补给半径可以取用 40 m。（3）地下水的腐蚀性 2 该场地环境类别按类考虑。环境水对混凝土结构不具腐蚀性，在长期浸水的状态下对钢筋混凝土中钢筋不具腐蚀性，在干湿交替状态下对钢筋混凝土中钢筋不具腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。（4）抗浮水位 车站抗浮水位按绝对标高 146.0 m 进行设计。（原地地面标高约 147.0 m）（5）气象特征 本区属北温带大陆性季风气候。冷暖气团交替频繁，四季分明。冬季漫长而干冷，雨雪稀少；春季干燥少雨，冷暖多变大风多；夏季比较炎热，降雨集中 7

8、 月下旬和 8 月上旬；秋季气候凉爽，时间短促。年平均温度 14.4，极端最低气温-17.9，极端最高气温 42.5；年平均降水量 622.3 mm，日雨量在 100 毫米以上的，平均每年只有 0.2天，年平均蒸发量 1476.2 mm；季节最大冻土深度 22 cm。1.2.3 特殊土与不良地质特殊土与不良地质 本场地存在松软土，表层粉土及粉砂为松软土，厚 28 m。本场地机场附近普遍分布有杂填土，成分主要有粉土、碎石，含有少量建筑和生活垃圾，成份混杂，结构松散，局部夹块石，为近几年人为填筑。其中在基坑北侧有一条污水沟，沟内淤泥沉积较厚，约 2.5 m，工程地质条件较差。1.2.4 地震效应地

9、震效应 本区域处于河北平原强震带与许昌淮南地震带之间，远离强震发震断裂带，区内断裂构造均为非区域性大断裂，规模小，且第三系以来活动微弱，区内历史地震多为中小地震。根据建筑抗震设计规范（GB50011-2010）和中国地震动参数区划图，拟建场区地震动峰值加速值为 0.1 g，抗震设防烈度为 VII 度，特征周期分区属于 II 区，地震动反应谱特诊周期为 0.55 s，场地卓越周期为 0.59 s。1.3 基坑支护设计基坑支护设计 图 2 为地铁 17 号线车站基坑第一种支护方案及近接城际线车站基坑支护立面图。两个基坑均采用钻孔灌注桩及旋喷桩作为周边围护结构，钻孔灌注桩直径为 1.2 m。抗拔桩直

10、径均为 1.2 m。郑机城际线车站基坑采用 4 道混凝土支撑进行支护。地铁 17 号线车站基坑第一种支护方案采用 5 道支撑进行支护，其中混凝土支撑 3 道，钢支撑两道。图 3 为地铁 17 号线车站基坑第二种支护方案，该方案采用 4 道混凝土支撑进行支护，3 抗拔桩及周边围护设计与第一种方案相同。图 2 地铁 17 号线车站基坑第一种支护方案及近接城际线基坑支护示意图 图 3 地铁 17 号线车站基坑第二种支护方案示意图 4 2 计算目标计算目标 本计算的计算目标为：通过数值模拟计算，对比分析基坑在两种不同支护方案条件下的稳定性，为进一步方案优化及最终方案确定提供依据及参考。3 计算依据计算

11、依据 本计算的计算依据如下：1 新建铁路郑州至新郑机场城际铁路施工图新郑机场站结构设计图纸；2 郑州至机场城际铁路工程施工图隧道及地下车站岩土工程勘察（DK35+355 DK43+965）；3 建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）4 混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）5 基坑工程手册（中国建筑工业出版社，2009）4 计算理论及方法计算理论及方法 采用软件 FLAC3D程序进行模拟计算，该软件以其原理清晰、适应性强的特点，在国内外岩土和水利工程的数值模拟中得到广泛的应用。该程序主要应用于工程地质、构造地质学、大陆动力学、成矿学等方面的研究。国内 90 年代初引进该程序

12、，主要应用于岩土力学分析，例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等，并逐步发展到地质力学问题的应用研究。目前，该程序已用于分析研究隧道、基坑等地下工程。FLAC3D 使用了以下三种计算方法：（1）离散模型方法：连续介质被离散为若干六面体单元，作用力集中在节点上。（2）有限差分方法：变量关于空间和时间的一阶导数均用有限差分来近似。（3）动态松弛方法：由质点运动方程求解，通过阻尼使系统运动衰减至平衡状态。FLAC3D 的优点：（1）对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。（2）即使模拟的系统是静态

13、的，仍采用了动态运动方程，这使得 FLAC3D 在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。（3）采用了一个“显式解”方案。显式解方案对非线性的应力-应变关系的求解所花费的时间，几乎与线性本构关系相同，而隐式求解方案将会花费较长的时间求解非线5 性问题。面且，它没有必要存储刚度矩阵，这就意味着：采用中等容量的内存可以求解多单元结构；模拟大变形问题并不比小变形问题多消耗更多的计算时间。5 数值模拟计算数值模拟计算 5.1 计算模型计算模型 图 4 为地铁 17 号线车站基坑第一种支护方案计算模型，图 5 为模型的立体示意图。图 6 为第二种支护方案计算模型。土体、钻孔桩及抗拔桩均采用实体单元进行

14、模拟，支撑采用梁结构单元进行模拟。（1）立面图 （2）平面图 图 4 地铁 17 号线车站基坑支护方案一计算模型图 图 5 地铁 17 号线车站基坑支护方案一计算模型立体示意图 6 （1）立面图 （2）平面图 图 6 地铁 17 号线车站基坑支护方案二计算模型图 5.2 计算参数计算参数及边界条件及边界条件 土体采用摩尔-库仑模型进行计算，计算参数如表 1 所示。钻孔灌注桩及抗拔桩假定为弹性模型，计算参数如表 2 所示。支撑采用结构单元进行模拟，第一种支撑方案的支撑类型、尺寸及计算参数如表 3 所示；第二种支撑方案设置 4 道混凝土支撑，第一道支撑截面尺寸为 0.8m0.8m，第 2、3、4

15、道支撑的截面尺寸均为 0.8m1.0m，计算参数与方案一中相同截面尺寸的计算参数相同。表 1 土层模拟计算参数 层数 土质 深度(m)密度(kg/m3)弾性模量(Pa)泊松比 黏聚力(Pa)摩擦角(o)侧压力系数 1 粉土 0-22.35 2060 2.30E+07 0.24 8.00E+03 27.7 0.43 2 粉砂-22.35-31.95 1990 1.00E+07 0.24 1.62E+04 28.8 0.43 3 粉质粘土-31.95-80 2060 4.00E+07 0.3 2.95E+04 24 0.43 表 2 钻孔灌注桩及抗拔桩计算参数 参数 值 弹性模量 E(kPa)3.

16、2e7 泊松比 0.23 密度 (kg/m3)2450 表 3 钻孔灌注桩及抗拔桩计算参数 参数 地铁 17 号线车站基坑 郑机城际线车站基坑 第 1 道 第 2 道 第 3 道 第 4 道 第 5 道 第 1 道 第 2 道 第 3 道 第 4 道 7 支撑类别 混凝土 混凝土 混凝土 钢 钢 混凝土 混凝土 混凝土 混凝土 截面尺寸（mm）0.80.8 0.81.0 0.81.0 609 609 0.80.8 0.81.0 1.01.0 1.01.0 密度（kg/m3）2450 2450 2450 7850 7850 2450 2450 2450 2450 弹性模量（kPa）3.2e7 3

17、.2e7 3.2e7 2.1e8 2.1e8 3.2e7 3.2e7 3.2e7 3.2e7 泊松比 0.23 0.23 0.23 0.2 0.2 0.23 0.23 0.23 0.23 截面积（m2）0.64 0.8 0.8 2.98e-2 2.98e-2 0.64 0.8 1 1 惯性矩 Iy（m4）0.034 0.043 0.043 1.31e-3 1.31e-3 0.034 0.043 0.083 0.083 惯性矩 Iz（m4）0.034 0.067 0.067 1.31e-3 1.31e-3 0.034 0.067 0.083 0.083 图 7 为第一种方案计算模型的边界条件。模

18、型左右边界固定水平方向位移，下边界固定水平方向和竖直方向的位移。两近接基坑之间以及城际线车站基坑右侧 10 m 范围内施加 20 kPa 的均布施工荷载。第二种方案边界条件与第一种方案相同。图 7 计算模型边界条件 5.3 计算结果计算结果 5.3.1 初应力初应力 图 8 和图 9 分别为土层竖向应力 zzS 和水平应力 xxS 示意图。zzS 和 xxS 随着深度增大呈线性递增，表达式如下：=zzSgh （1）=zzSKgh （2）式中：为土层密度；g为重力加速度；h为土层深度；K为侧压力系数。8 图 8 土层竖向应力示意图 图 9 土层水平应力示意图 5.3.2 围护桩水平位移围护桩水平

19、位移 图 10 为郑机城际线机场站基坑左侧围护桩在不同条件下的水平位移。由图可以看出，最大位移发生在桩顶。地铁 17 号线机场站基坑的开挖增大了桩体的水平位移，且支护方案二条件下桩体的水平位移较大。图 11 为郑机城际线机场站基坑右侧围护桩在不同条件下的水平位移。由图可以看出，类似于左侧桩体，最大位移发生在桩顶。地铁 17 号线机场站基坑的开挖增大了桩体的水平位移，但是增大幅度很小，可以忽略。且不同支护方案对桩体的位移没有影响。图 12 为地铁 17 号线机场站基坑左侧围护桩的水平位移。由图可以看出，最大位移发生在基坑底部附近。且支护方案二条件下桩体的水平位移较小。图 13 为地铁 17 号线

20、机场站基坑右侧围护桩的水平位移。由图可以看出，最大位移发生在基坑底部附近。且支护方案二条件下桩体的水平位移较小。9 图 10 郑机城际线机场站基坑左侧围护桩水平位移 图 11 郑机城际线机场站基坑右侧围护桩水平位移 10 图 12 地铁 17 号线机场站基坑左侧围护桩水平位移 图 13 地铁 17 号线机场站基坑右侧围护桩水平位移 5.3.3 支撑轴力支撑轴力 图 14 为地铁 17 号线基坑开挖前的城际线基坑支撑轴力示意图，由图可以看出第 311 道支撑轴力最大。轴力值如表 4 所示。图 15 为地铁 17 号线基坑开挖后且采用支护方案一条件下的城际线基坑支撑轴力示意图，由图可以看出第 2

21、道支撑轴力明显增大。轴力值如表 4 所示，由表可得地铁 17号线基坑开挖增大了城际线基坑第 1、2、3 道支撑的轴力，减小了第 4 道支撑的轴力。图 14 城际线基坑支撑轴力示意图（地铁 17 号线车站基坑开挖前）图 15 城际线基坑支撑轴力示意图（地铁 17 号线基坑开挖后-支护方案一）图 16 城际线基坑支撑轴力示意图（地铁 17 号线基坑开挖后-支护方案二）12 图 16 为地铁 17 号线基坑开挖后且采用支护方案二条件下的城际线基坑支撑轴力示意图，由图可以看出第 2 道支撑轴力明显增大。轴力值如表 4 所示，由表可得地铁 17号线不同支护方案条件下，城际线基坑支撑轴力差距不大，可以忽略

22、。表 4 城际线机场站基坑支撑轴力 支撑位置 支撑轴向力(kN)地铁 17 号线车站基坑开挖前 地铁 17 号线车站基坑开挖后（支护方案一）地铁 17 号线车站基坑开挖后（支护方案二）第 1 道支撑-7.864e5-1.173e6-1.155e6 第 2 道支撑-8.449e5-3.806e6-3.844e6 第 3 道支撑-4.069e6-4.287e6-4.345e6 第 4 道支撑-2.613e6-2.048e6-2.137e6 图 17 和图 18 分别为地铁 17 号线基坑支护方案一和方案二条件下的支撑轴力示意图。方案一中第 3 道支撑轴力最大。方案二中第 4 道支撑轴力最大。第 1

23、 道支撑均呈现拉力，主要由于 17 号线开挖后，城际线基坑桩顶向坑内发生了位移。轴力值如表 5 所示。图 17 地铁 17 号线机场站基坑支撑轴力分布示意图（支护方案一）图 18 地铁 17 号线机场站基坑支撑轴力分布示意图（支护方案二）13 表 5 地铁 17 号线机场站基坑支撑轴力 支撑位置 支撑轴向力(N)方案一 方案二 第 1 道支撑 8.446e5 1.479e5 第 2 道支撑-1.521e6-1.845e6 第 3 道支撑-5.111e6-4.068e6 第 4 道支撑-2.433e6-6.431e6 第 5 道支撑-3.063e6 5.3.4 基底隆起基底隆起 图 19 和图

24、20 分别为 17 号线基坑支护方案一和方案二条件下基坑周边土体位移不小于 0.03 m 的分布情况，由图可以看出不同支护方案对基坑周边土体位移分布几乎没有影响。最大位移发生在基坑底部，城际线基坑底部最大位移 40 cm，17 号线基坑底部最大位移 26 cm。图 19 支护方案一基坑周边土体位移（=0.03m）示意图 图 20 支护方案二基坑周边土体位移（=0.03m）示意图 14 6 分析讨论分析讨论及结论及结论 在该数值模拟计算中，对地层及支护结构的参数取值进行了简化处理，故需要对计算结果的准确性进行验证。只有较准确的计算结果才能对具体工程的设计及施工起到参考及指导作用。下面结合近接城际

25、线车站基坑的监测数据进行验证分析。表 6 为城际线车站基坑横向支撑轴力模拟计算结果与实测数据对比。可以看出，计算结果与实测数据均显示第三道支撑轴力最大。不同断面的监测数据不同，模拟计算结果均位于实测数据范围内，且接近不同断面实测数据的平均值。故可以认为该计算结果合理可信。表 6 城际线车站基坑横向支撑轴力模拟计算结果与实测数据对比 不同断面监测数据范围（kN）模拟计算值（kN）第 1 道支撑 1204.9-1671.6-786.4 第 2 道支撑 454.9-3734.4-844.9 第 3 道支撑-2035.1-6477.8-4069 第 4 道支撑-1799.7-4301.1-2613 由

26、于还没有正式的设计方案，本计算考虑了两种不同的支护方案。经综合讨论分析，拟采用第二种支护方案进行基坑支护。下面仅对第二种方案的计算结果是否满足要求进行分析说明。请将以上计算结果与设计参数进行对比分析。验证是否满足要求，并得出结论。最终形成可以符合评审要求的计算书。（1）（1）分析检算结果，每道支撑的受力情况，哪一道受力最大？根据 FLAC3D程序进行模拟计算所得出的各道混凝土支撑最大轴力值分别为：第一道砼支撑最大轴力为 147.9 kN（拉力）、第二道砼支撑最大轴力为-1845 kN（压力）、第三道砼支撑最大轴力为-4068 kN、第四道砼支撑最大轴力为-6431 kN。（2）参考城际铁路的支

27、撑设计轴力，参考近接城铁车站主体围护结构施工图复核验算计算书中的支撑设计轴力，第一道砼支撑最大轴力为 931 kN，第二道钢支撑最大轴力为 3091 kN，第三四道砼支撑最大轴力为 6852 kN，按最大轴力对对应的每道支撑进行配筋。（1）中所述的每道支撑最大轴力计算值均小于设计轴力，支撑承载力满足要求。进行比对分析，若存在超限情况，对其进行承载力验算，支撑配筋取地铁的设计标准。带格式的:带格式的:缩进:左侧:0 厘米,首行缩进:2 字符带格式的:带格式的:字体颜色:自动设置带格式的:带格式的:字体颜色:自动设置带格式的:带格式的:字体颜色:自动设置带格式的:带格式的:字体颜色:自动设置带格式的:带格式的:字体颜色:自动设置带格式的:带格式的:字体颜色:自动设置15 （3）结合现场监测的经验，取相应的修正系数，预估监测过程中可能会达到的轴力值。（43）由表 4 可得地铁 17 号线车站基坑的开挖对已开挖的近接城际线基坑支撑轴力有一定的影响，但是影响不大，可以忽略根据上述计算书，简述地铁基坑开挖对城际基坑的受力影响，各道支撑的变形情况。（54）方案二中第一道砼支撑 0.8m0.8m，第二、三、四道砼支撑 0.8m1m 的稳定性满足规范及现场施工要求。合理的建议，例如第四道混凝土支撑应加强施工质量控制等。带格式的:带格式的:正文,缩进:左侧:0厘米,行距:固定值 22 磅16