鋼支撐代替混凝土支撐可行性分析

【摘 要】在地鐵深基坑施工中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑的安全起著至關(guān)重要的作用。本文依據(jù)合肥地鐵一號(hào)線明光路站，施工過(guò)程中，由于車(chē)站3號(hào)出入口為出土口，原計(jì)劃的第一道鋼筋混凝土支撐無(wú)法實(shí)現(xiàn)，更改為鋼支撐，通過(guò)有限元分析軟件MIDAS-GTS＼NX，建立二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和地表沉降進(jìn)行分析，結(jié)果表明：第一道支撐采用鋼支撐代替鋼筋混凝土支撐對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移值影響不大，鋼筋混凝土支撐控制地表沉降的效果要比鋼支撐好，對(duì)今后類(lèi)似工程變更提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】深基坑；地連墻；地表沉降；內(nèi)支撐

【Abstract】In the construction of a subway deep foundation pit， The safety of the retaining structure of foundation pit plays a vital role.The article is based on mingguang road of HeFei subway station. In the process of construction，because the station 3gateway is used as unearthed mouth， the first reinforced concrete supporting of the original plan can not be achieved，change to steel support.Through the finite element analysis software MIDAS GTS＼NX，established two-dimensional model for numerical simulation，analyze the deformation of the retaining structure and the surface subsidence.The results show that：The first line of support used steel support instead of the reinforced concrete support is little effect on the value of the lateral retaining structure，the effect of the reinforced concrete support to control the surface subsidence is better than steel support.The result can provide the basis for change of similar projects in the future.

【Key words】Deep foundation pit；Underground diaphragm wall；Ground surface settlement；Inner support

0.引言

隨著很多城市修建地鐵，確保地鐵深基坑工程的安全施工是至關(guān)重要的，一旦發(fā)生事故，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果[1]。杭州地鐵湘湖路站發(fā)生坍塌事故，內(nèi)支撐和地連墻發(fā)生破壞，導(dǎo)致21人死亡[2]。因此，選擇合理安全的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是保證基坑安全施工的關(guān)鍵。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)地鐵深基坑一般采用地連墻加內(nèi)支撐的組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐一般為混凝土支撐和鋼支撐的組合，第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，其余的為鋼支撐，這種組合結(jié)構(gòu)起到了良好的效果[3-4]。鋼筋混凝土支撐由于其現(xiàn)澆而成的較強(qiáng)的空間連接剛度而使整個(gè)基坑受力變形呈現(xiàn)出較大空間整體效應(yīng)，具有較大的平面剛度，結(jié)構(gòu)變形小，能有效的保護(hù)基坑和周邊環(huán)境的穩(wěn)定。而鋼支撐施工相對(duì)簡(jiǎn)單且能重復(fù)利用，在基坑開(kāi)挖期間施加預(yù)壓力對(duì)確?；臃€(wěn)定和施工安全也能起到良好的作用。由于鋼支撐施工速度快，工序簡(jiǎn)單，在復(fù)雜條件下，當(dāng)施工鋼筋混凝土支撐難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以選擇用鋼支撐替代，因此，研究鋼支撐代替鋼筋混凝土支撐具有重要的意義[5]。本文根據(jù)合肥地鐵一號(hào)線的工程實(shí)例，分析分別用鋼支撐和鋼筋混凝土支撐作為第一道支撐的對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。

1.工程概況

明光路車(chē)站位于勝利路與明光路交口處，沿勝利路南北向布置，下穿東西方向待建的明光路下穿橋。車(chē)站里程起始于K6+179.787，終止于K6+448.697，總長(zhǎng)268.91m，車(chē)站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬23.2m，頂板覆土約0.8-4.4m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約22.8m。車(chē)站主體基坑距離周邊建筑物較遠(yuǎn)，東南角為合肥市長(zhǎng)安駕校、合肥長(zhǎng)途客運(yùn)站、金色梧桐30層商住樓及一些低矮商鋪和住宅，東北角為低、多層商鋪和住宅，西北角為合肥市郵政速遞局等低、多層建筑，車(chē)站北側(cè)為即將拆除的老淮南鐵路。擬建場(chǎng)地地形較為平坦，微地貌單元屬于南淝河一級(jí)階地。

車(chē)站設(shè)計(jì)采用明挖順做法施工，即開(kāi)挖至基坑底后順作車(chē)站底、中、頂板及側(cè)墻和其他結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)方式，內(nèi)支撐為第一道鋼筋混凝土支撐+四道鋼支撐。由于三號(hào)出入口作為出土口，如果繼續(xù)將第一道支撐作為鋼筋混凝土支撐施工很難實(shí)現(xiàn)，所以將三號(hào)出入口處的內(nèi)支撐換做鋼支撐，為基坑出土留出足夠的空間。

2.數(shù)值計(jì)算

2.1計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)施工勘察報(bào)告，將土層做了相應(yīng)簡(jiǎn)化，劃分的土層及各層土體的力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1所示。地下連續(xù)墻為C35混凝土，用線彈性梁?jiǎn)卧M計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將彈性模量E取為30GPa，泊松比取0.20，重度為25 ；各支撐采用線彈性桁架單元模擬，彈性模量E取200GPa，泊松比0.30。結(jié)構(gòu)所受恒荷載為自重與土壓力，活荷載為地面超載，取20kPa。見(jiàn)表 1。

主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)：1000mm厚地下連續(xù)墻，五道內(nèi)支撐，鋼管內(nèi)支撐直接采用609mm，壁厚t=16mm，可施加預(yù)壓力；第 1道支撐在地表下 2.3m，第2道支撐為地表下5.8m，第3道支撐為地表下10.55m，第四道支撐為地表下14.75m，第五道支撐為地表下18.28m。鋼筋混凝土支撐采用C30混凝土，截面尺寸1000mm×800mm。分析比較內(nèi)支撐采用鋼管和鋼筋混凝土情況下基坑支護(hù)特性的變化，因此，按以 2個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算分析：

表2 計(jì)算方案

2.2計(jì)算模型的建立

基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬為23.2m，深為21.8m，地下連續(xù)墻深取34.8m，計(jì)算邊界的范圍大小對(duì)模擬結(jié)果的精度有很大的影響，依據(jù)圣維南原理，開(kāi)挖區(qū)域一般選開(kāi)挖尺寸的2～4倍比較合理，取143.2m×70m（寬×深）建立二維模型，計(jì)算網(wǎng)格共有3640個(gè)單元，3716個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型的左右邊界采用法向約束，底邊采取固端約束，計(jì)算模型如圖1所示。

2.3計(jì)算結(jié)果的分析

2.3.1開(kāi)挖步驟

模型計(jì)算分為8個(gè)步驟：第1步：初始地應(yīng)力分析，第2步：澆筑地連墻，第3步：開(kāi)挖+第一道混凝土支撐；第4步：開(kāi)挖+第二道鋼支撐；第5步：開(kāi)挖+第三道鋼支撐；第6步：開(kāi)挖+第四道鋼支撐；第7步：開(kāi)挖+第五道鋼支撐；第8步：開(kāi)挖到坑底。變更方案是把第三步的鋼筋混凝土支撐更改為鋼支撐，其他施工步驟完全一樣。

2.3.2計(jì)算結(jié)果的分析

3.地連墻側(cè)移分析

地連墻的作用主要是抵抗基坑開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致墻背側(cè)土體向坑內(nèi)滑動(dòng)，從而保證基坑開(kāi)挖的安全。基坑開(kāi)挖過(guò)程后，土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，圍護(hù)墻受力開(kāi)始產(chǎn)生變形，當(dāng)基坑內(nèi)側(cè)卸去原有的土壓力時(shí)，墻外側(cè)受到主動(dòng)土壓力，在坑底的墻內(nèi)側(cè)受到部分被動(dòng)土壓力[6]。下圖為各開(kāi)挖步兩種方案地連墻的水平側(cè)移對(duì)比圖：

由上圖可以看出，隨著開(kāi)挖深度的加深，地連墻的側(cè)移值不斷的增大，并且側(cè)移最大值隨著開(kāi)挖深度的加深而加深，在開(kāi)挖到坑底時(shí)，側(cè)移值達(dá)到最大，并且開(kāi)挖變化趨勢(shì)都呈現(xiàn)出中間大兩頭小的弓型曲線，更改后的方案最大側(cè)移發(fā)生在坑深15m附近，達(dá)到10.05mm，僅為開(kāi)挖深度的0.046%，原方案最大側(cè)移發(fā)生在坑深14.5m附近，達(dá)11.23mm，僅為開(kāi)挖深度的0.051%。遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的0.3%H（H為開(kāi)挖深度）。更改后的方案地連墻側(cè)移值比更改前的小1.18mm，說(shuō)明鋼支撐代替混凝土支撐的起到了良好的效果。

4.地表沉降分析

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地連墻受力產(chǎn)生變形，使得基坑外圍土體的原始應(yīng)力狀態(tài)改變而引起地層移動(dòng)，使得地面發(fā)生沉降 。對(duì)周?chē)乇碜龊贸两当O(jiān)測(cè)，保證周?chē)?gòu)筑物的安全，是施工中必不可少的內(nèi)容。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分別作出兩種方案的地表沉降圖，如下圖所示：由圖可以看出，最大沉降并不是發(fā)生在坑壁附近，而是在距基坑邊15m左右的位置，原方案最大沉降值為12mm，更改后的方案最大沉降值為16.6mm，更改后的方案比原方案的沉降值大4.6mm，均小于地表沉降的警戒著30mm，說(shuō)明鋼筋混凝土支撐對(duì)控制地表沉降的效果比鋼支撐要好。

5.結(jié)論

（1）采用有限元分析軟件MIDAS-GTS/NX對(duì)原方案和更改方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出地連墻的最大側(cè)移值隨著開(kāi)挖深度的加深而增大，并且最大值并不是出現(xiàn)在坑底，而是出現(xiàn)在距開(kāi)挖深度 位置附近，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐和鋼支撐時(shí)，地連墻的最大側(cè)移值分別為11.23mm和10.05mm，二種方案的差別并不大。

（2）兩種方案地表沉降最大值均發(fā)生在距離基坑邊緣15m左右的位置，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐時(shí)，最大值為12mm，采用鋼支撐時(shí)，最大沉降值為16mm，說(shuō)明采用鋼筋混凝土支撐對(duì)控制地表沉降的效果比鋼支撐好。

（3）通過(guò)數(shù)值分析得出第一道鋼支撐代替鋼筋混凝土的方案是可行的，結(jié)果可供類(lèi)似工程做參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]張曠成，李繼民.杭州地鐵湘湖站“08.11.15”基坑坍塌事故分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（增刊）：338-342.

[3]孫凱，許振剛，劉庭金等.深基坑的施工監(jiān)測(cè)及其數(shù)值模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（2）：293-298.

[4]張忠苗，房凱，劉興旺等.粉砂土地鐵深基坑支撐軸力監(jiān)測(cè)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，7（增1）：426-429.

[5]劉樹(shù)亞， 潘曉明，歐陽(yáng)蓉，余志江.用鋼筋混凝土支撐代替鋼支撐的深基坑支護(hù)特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，11（增1）：309-314.

[6]施成華，彭立敏.基抗開(kāi)挖及降水引起的地表沉降預(yù)測(cè)[J].土木工程學(xué)，2006，39（5）：117-121.