地鐵深基坑支護結構鋼支撐力學參數研究

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(沈陽建筑大學 土木工程學院， 遼寧 沈陽 110168)

近年來，城市地鐵建設發展越來越快，施工開挖越來越深，從最初的開挖深度為5～7 m發展到目前最深已超過20 m。深基坑工程大量出現，各種支護結構也在不斷地完善和發展。鋼支撐具有自重小、施工方便、工期短、造價低廉、可重復使用等優點，因此得到廣泛使用。地鐵站坐落于人口密集地區，地狹人稠，存在大量建筑物和重要管線，在施工過程中必須嚴格控制基坑的變形。如果鋼支撐體系缺乏準確的設計，出現異常情況而沒有采取技術措施，則容易造成圍護結構失效、基坑塌方，甚至道路破壞和建筑物倒塌[1]。在施工過程中，開挖深度不斷增大，通過對鋼支撐監測可以明確其受力狀態并保證圍護結構安全。本文中通過對沈陽市地鐵10號線北大營街站深基坑圍護結構變形和周邊地表沉降進行監測，并結合數值模擬，探討在施工過程中基坑圍護結構和周邊地表的變化規律。

1　工程概況

沈陽地鐵10號線北大營街站位于北海街與合作街路口以西，為10號線與4號線的換乘站。車站周邊老舊房屋密集， 居民、 車流量較多， 環境風險源較多， 施工難度大。 車站北側為北海街一環橋，南側為高層住宅小區思和苑，西南角為12層住宅小區北海嘉園，西北角為沈陽市第十人民醫院(沈陽市胸科醫院)。10號線車站為地下2層雙柱三跨島式站臺車站，車站長度為189 m,標準段寬度為22.7 m，擴大段寬度為26.5 m， 基坑深度為18.25 m。 車站采用半蓋挖順做工法施工， 支護方式為鉆孔灌注樁加內支撐， 基坑采用坑外井點降水方案。 車站小里程盾構井段圍護樁采用直徑為1 000 mm、 樁間距為1 200 mm的鉆孔灌注樁，標準段圍護結構臨近高架橋側采用直徑為1 000 mm、樁間距為1 200 mm的鉆孔灌注樁，另一側采用直徑為800 mm、樁間距為1 200 mm的鉆孔灌注樁，換乘節點部分基坑采用直徑為1 200 mm、樁間距為1 500 mm的鉆孔灌注樁，車站基坑采用坑外降水方案。基坑支護結構剖面圖見圖1。

2　數值模擬分析

2.1　計算模型建立

根據圣維南原理和相關施工規范， 深基坑開挖影響范圍約為基坑開挖深度的3倍[2]。 本文中地鐵10號線最大開挖深度為18.25 m，為了簡化計算，有限元模型尺寸取為80 m×80 m×40 m(長度×寬度×深度)。基坑施工階段模擬中，選用Mohr-Coulonb模型作為土體本構模型，根據地質條件將土體分為5層，土體計算參數如表1所示。地下連續墻、鋼支撐等構件采用通用實驗室參數，如表2所示。整體模型如圖2所示。地下連續墻及支撐模型如圖3所示。使用MIDAS GTS NX軟件建立基坑開挖模型時，一般通過公式把圍護樁結構轉化為等剛度結構的壁式地下連續墻[3]。鉆孔灌注樁轉換公式為

圖1　基坑支護結構剖面圖

(1)

(2)

式中：D為鉆孔樁的直徑，取為1 m；s為相鄰2個鉆孔樁之間的凈距離，取為0.2 m；h為地下連續墻的厚度。取D為1 m，s為0.2 m，由式(2)可得到等剛度轉換后的h為0.79 m。

表1　主要土層參數

表2　圍護結構設計參數

圖2　整體模型示意圖

圖3　地下連續墻及支撐模型示意圖

2.2　基坑施工階段定義

在模型建立完成后，通過定義施工階段的方法對基坑開挖過程進行模擬， 而施工階段中土體的開挖、襯砌及支護結構的安裝、架設主要通過對網格組單元、邊界條件和靜力荷載的激活和鈍化來完成。定義施工階段如表3所示。

表3　基坑施工階段定義表

2.3　計算模型適用性驗證

深基坑開挖過程中，坑內土體開挖后產生的卸荷作用使得基坑地下連續墻產生水平位移，地下連續墻水平位移最直接體現基坑的變形情況。基坑開挖必然對周邊環境產生影響，地表沉降反映了基坑開挖工程對環境的影響，也是判別支護體系是否有效性的重要指標[4]。本文中將對北大營街站深基坑進行三維數值模擬： 1)通過軟件計算得到基坑在開挖過程中的支護結構和周邊環境的變形情況，為下一步基坑開挖提供理論依據； 2)對地下連續墻水平位移實測數值與模擬數值進行對比分析，根據兩者數據是否吻合，可以驗證三維數值模型建立是否準確。圖4、 5所示分別為開挖過程中地下連續墻深層水平位移變形云圖和地表沉降云圖。模擬值與實測值對比結果如圖6、 7所示。

由圖4、5可知， 在基坑開挖過程中圍護結構變形較大的位置發生在地下連續墻上部或者中部位置。 由圖6可知，地下連續墻深層水平位移實測值與模擬計算值吻合較好，地下連續墻變形趨勢基本相同，這說明土體采用的本構模型能較好地預測地下連續墻的水平位移。 由圖7可知， 當基坑開挖至坑底時， 地表沉降值在距基坑邊緣10 m左右位置達到最大值， 在距離邊緣0～10 m時，沉降量不斷增加，超過10 m時沉降量不斷減小。數值模擬值與實測值吻合較好，進一步驗證了計算模型的適用性，表明可采用數值模擬分析在開挖過程中基坑支護結構和周邊地表變形狀況，從而信息化指導現場施工。

圖4　地下連續墻水平位移云圖

圖5　第5步開挖地表沉降云圖

圖6　地下連續墻水平位移模擬值與實測值對比結果

圖7　第5步開挖后地表沉降實測值與模擬值對比結果

3　鋼支撐力學參數對基坑支護結構變形的影響

3.1　預加軸力的影響

鋼支撐施加預加力對基坑的變形有重要影響，能夠起到減小圍護結構變形的作用，因此在支撐安裝完畢后，應及時施加預加力[5]。支撐預加力過大會使支護結構向外移動，影響周圍建筑和管線安全，破壞原有的土體結構，同時地下連續墻彎矩和剪力過大，使基坑發生失穩破壞；支撐預加力過小會使圍護結構位移變形過大，從而影響基坑的安全。在本次模擬計算中，以支撐設計預加軸力為準，分別對支撐施加設計值的0%、50%、100%、150%、200%的軸力進行模擬分析。在鉆孔灌注樁加內支撐的支護體系下，一般采取增加鋼支撐的預加軸力的方法來控制地下連續墻最大水平位移量，結合上述模擬，在其他條件均不變的情況下，單獨改變鋼支撐的預加軸力， 觀察不同預加力對控制深基坑變形的影響， 將得到的模擬結果用于后續基坑開挖過程中。圖8所示為不同預加軸力下的地下連續墻深層水平位移曲線。由圖可知，在鋼支撐初始預加軸力從設計值的0%增至200%的過程中，地下連續墻深層水平位移不斷減小，在地下連續墻上部及樁體下部，地下連續墻水平位移變形相對較小。當支撐預加軸力為設計值的0%～100%時， 地下連續墻水平位移減小幅度較大；當支撐預加力為設計值的100%～200%時， 樁體水平位移減少幅度較小，說明預加軸力小于設計值時對地下連續墻變形的影響較大，大于設計值時對地下連續墻變形的影響逐漸減弱。

圖8　不同預加軸力時地下連續墻的水平位移

圖9所示為不同預加軸力時的地表沉降。 由圖可知， 地表沉降值隨著支撐預加軸力的增大而減小， 即增大支撐預加軸力可以減小周圍地表沉降值。 在數值模擬中， 地表沉降量最大值出現在距離基坑邊緣10～12 m處。在沉降值達到最大時，地表沉降開始增大，但是增大趨勢相對平緩。總體來看，各施工階段沉降值的趨勢是先增大后減小。結合地下連續墻水平位移曲線與地表沉降曲線來看，在基坑開挖至基底，地下連續墻水平位移曲線并沒有出現懸臂形狀，而是呈現拋物形，原因是土體受到冠梁和支撐的約束，限制了土體的位移。地下連續墻水平位移曲線與地表沉降曲線變形規律存在關聯性。

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圖9　不同預加軸力時的地表沉降

表4所示為不同預加軸力時地下連續墻水平位移及地表沉降最大值。由表可知，增大支撐預加軸力可以起到減少地下連續墻變形及地表沉降的作用。當支撐預加軸力從設計值的0%增至150%的過程中，地下連續墻水平位移和地表沉降最大值均有較大程度的減小， 超過150%時最大值減小幅度較小， 當預加軸力為0時，地下連續墻水平位移和地表沉降均超過16 mm， 為控制值的80%， 已達黃色預警。 結合北大營街站的地質條件及周圍環境， 在基坑分階段開挖時， 鋼支撐預加軸力為設計值的50%～150%時，能夠對限制基坑變形起到明顯作用，滿足基坑安全。

表4　不同預加軸力時地下連續墻的水平位移及地表沉降最大值

3.2　支撐剛度的影響

在基坑開挖過程中，地下連續墻與鋼支撐共同組成基坑支護體系，支撐剛度是衡量基坑安全的重要性因素[6]。基坑支撐體系采用的支撐剛度越大，地下連續墻變形越小，但是過大的鋼支撐剛度會造成資源浪費。結合本工程的數值模擬，通過增加直徑和壁厚的方法來實現鋼支撐剛度的增加，研究不同剛度鋼支撐對地下連續墻深層水平位移以及地表沉降的影響。圖10所示為不同壁厚和直徑時地下連續墻的水平位移。由圖可知，地下連續墻中部受支撐影響最大，地下連續墻的頂部及墻底變化較小。隨著鋼支撐直徑和壁厚的增大，地下連續墻水平位移逐漸較小，但是變化幅度不大。將鋼支撐剛度增大到一定范圍，可以起到抑制地下連續墻變形的作用，但是支撐剛度過大對抑制地下連續墻變形起到的作用并不很明顯。只有對地下連續墻變形要求嚴格的工程，才能通過提高支撐剛度來控制地下連續墻變形。由此可知，在滿足基坑安全的前提下，可以減小支撐剛度，這樣可以節省施工成本。

圖11所示為不同壁厚和直徑時的地表沉降。由圖可知，支撐直徑和壁厚的增大均能在一定程度上限制地表沉降量，但是作用不明顯。地表沉降最大值出現在基坑邊緣10 m左右位置，在基坑邊緣及距基坑較遠處，地表沉降量均較小。地表位移曲線變化的整體趨勢是先大幅度減小，后又緩慢增大，最終趨于穩定狀態。

表5、6所示為不同鋼支撐直徑和壁厚時地下連續墻的水平位移及地表沉降最大值。由表5、6可知，隨著支撐剛度的增大，地下連續墻水平位移和地表沉降不斷減小，其中地下連續墻中部水平位移變化幅度稍大。當鋼支撐直徑為600～630 mm、 壁厚為14～16 mm時，地下連續墻水平位移與地表沉降最值減小量均較大，對支護結構變形抑制較好，但是鋼支撐剛度過大，無疑會增加支撐體系預算；因此結合本基坑開挖，應優先選用直徑為609 mm、壁厚為14 mm和直徑為609、壁厚為16 mm的鋼支撐，這樣既可以滿足圍護結構的變形要求，又能降低造價。

4　鋼支撐施工方案優化設計

通過第3節中深基坑施工對基坑地下連續墻變形和周邊地表沉降的影響研究，以及不同鋼支撐力學參數的分析， 深基坑施工對圍護結構變形產生影響的形式和影響因子已有一定基礎結論，但是在原設計方案中，對于鋼支撐力學參數的選取過于保守。雖然可以充分保證鄰近基坑的安全性能，但是不利于提高施工效率、經濟效益。為此，結合第3節的分析，提出在原鋼支撐設計方案的基礎上進行優化設計，主要對深基坑施工中的鋼支撐預加軸力、鋼支撐剛度進行優化設計，各項參數優化列表見表7。

(a)不同壁厚(直徑為609 mm)(b)不同直徑(壁厚為16 mm)圖10 不同鋼支撐壁厚和直徑時地下連續墻的水平位移

(a)不同壁厚(直徑為609 mm)(b)不同直徑(壁厚為16 mm)圖11 不同鋼支撐壁厚和直徑時的地表沉降

表5　不同鋼支撐直徑時地下連續墻的水平位移及地表沉降最大值

表6　不同鋼支撐壁厚時地下連續墻的水平位移及地表沉降最大值

表7　鋼支撐參數優化表

使用數值模擬分析基坑開挖對周圍地表沉降和地下連續墻水平位移的影響以確定優化方案的可行性，數值計算后的地下連續墻水平位移、地表沉降與原方案對比如圖12所示。由圖可知，基坑的地下連續墻的水平位移優化前的最大值為10.50 mm，優化后最大位移為12.01 mm， 增大了14%，基坑周圍地表沉降優化前地表沉降量最大值為-8.69 mm，優化后沉降量為-9.51 mm，增大了10%，地下連續墻水平位移和地表沉降均有所增大，但增大幅度很小，都處于監測安全范圍值以內，不會對基坑造成影響，同時鋼支撐材料減少了很多，節省了大量工程成本。

(a)水平位移

(b)地表沉降圖12　不同施工案地下連續墻的水平位移及地表沉降對比

5　結論

本文中以沈陽10號線北大營街站深基坑工程為背景，采用有限元軟件MIDAS GTS NX進行模擬分析，研究施工過程中鋼支撐預加軸力、鋼支撐剛度等力學參數對基坑支護結構變形的影響，進一步對鋼支撐施工方案進行優化分析，得出以下結論：

1)增大鋼支撐預加軸力能夠有效減弱基坑支護結構的變形，當預加軸力值為設計值的50%～150%時，限制地下連續墻水平位移和地表沉降的效果較明顯，超過設計值150%時對地下連續墻的影響逐漸減弱，因此在基坑施工過程中應選擇合理的預加軸力。

2)隨著鋼支撐剛度的增大，基坑支護結構的變形不斷減小，當剛度過大時，對限制支護結構變形作用不明顯，并且會增加成本，綜合分析可知，選用直徑為609 mm、壁厚為14 mm和直徑為609 mm、壁厚為16 mm的鋼支撐對限制地下連續墻水平位移和地表沉降的作用較好。

3)通過數值模擬對鋼支撐施工方案設計進行優化，結果表明，經優化后地下連續墻水平位移和地表沉降均有微弱增大，但是都處于監測安全范圍值以內，同時節省了大量工程成本。