地鐵車站深基坑支撐下方中立柱設置優化研究

周群立 王 斌 孫宏斌

(1. 合肥城市軌道交通有限公司，230001，合肥；2. 安徽省綜合交通研究院股份有限公司，230001，合肥//第一作者，高級工程師)

地鐵明挖基坑主要采用排樁或地下連續墻加內支撐的圍護結構型式。當支撐長度超過20 m時，在支撐下設置格構式臨時立柱，作為豎向支撐，用以減小支撐計算長度，提高支撐穩定性。在基坑開挖過程中，坑底回彈會帶動立柱樁和立柱發生向上隆起，因此:當立柱與圍護樁(墻)之間存在差異沉降時，支撐會產生附加內力；當附加內力累計到一定程度時，支撐會失穩或被破壞，嚴重影響基坑安全。文獻[1-2]研究了立柱豎向位移對支撐穩定性的影響。

本文根據某地鐵車站基坑開挖過程中立柱和圍護樁的豎向位移實測數據，分析中立柱隆起對支撐體系的影響，研究地鐵基坑工程中取消中立柱情況下增大支撐承載力或減小支撐內力的措施。

1 工程概況

1. 1 基坑工程概況

合肥市軌道交通5號線云谷路站主體基坑總長145.85 m，標準段寬22.3 m，深約24.8 m；盾構工作井寬26.0 m，深約26.0 m。基坑開挖范圍及坑底均位于硬塑狀黏土層中。地層物理力學參數見表1。

表1 云谷路站主體基坑地層物理力學參數

車站主體結構采用明挖順作法施工，圍護結構采用φ1.2 m鉆孔灌注樁+內支撐支護體系，豎向共設5道支撐+1道換撐。其中,第1道支撐為鋼筋混凝土支撐，其余均采用外徑為609 mm、壁厚16 mm的Q235鋼管支撐。支撐設鋼格構式臨時立柱，立柱下設φ1.2 m立柱樁兼抗拔樁，樁長20 m，樁底位于⑥全風化泥質砂巖層中。基坑圍護結構橫剖面如圖1所示。

圖1 云谷路站主體基坑圍護結構橫剖面圖

基坑開挖遵循“先撐后挖、分層開挖”的原則，依次開挖至各道支撐底再架設支撐直至開挖至坑底，最后澆筑底板。

1. 2 中立柱、圍護樁及支撐的豎向位移監測數據分析

在中立柱及支撐兩端圍護樁頂布置豎向位移監測點，如圖2所示。該基坑于3月2日開始開挖，10月15日完成最后一塊底板澆筑。中立柱與圍護樁豎向位移監測數據變化曲線如圖3～4所示。

圖2 中立柱與圍護樁豎向位移監測點布置圖

圖3 中立柱豎向位移監測數據變化曲線圖

圖4 圍護樁豎向位移監測數據變化曲線圖

由圖3～4可見，基坑開挖導致圍護樁及中立柱均產生了向上隆起位移。圍護樁隆起位移相對較小，開挖一段時間后隆起量趨于穩定，最大隆起量為9.8 mm；中立柱隆起位移相對較大，隨著基坑開挖深度的增加，隆起量亦不斷增長，底板澆筑完成后略有回落，之后隆起放緩并逐漸趨于穩定；LZ3測點最大隆起量達到了55 mm，遠超過了20 mm的監測報警值。

2 中立柱隆起對支撐的影響

2. 1 內支撐豎向位移

混凝土支撐直接支承在中立柱上，鋼支撐通過鋼連系梁支承在中立柱上。計算分析時，可將中立柱視為內支撐的中間支座，中立柱隆起相當于內支撐中部發生了位移。在研究中立柱隆起對內支撐的影響時，應采用中立柱圍護樁的相對位移進行分析，在不同工況條件下，各道支撐中支座位移為各工況相對位移減去架設時的相對位移。

本文選取最具代表性的標準段LZ2中立柱進行分析。考慮支座位移的相對性，對監測數據進行處理后，得到在不同工況條件下各道支撐的中間支座相對圍護樁的豎向位移，如表2所示。

表2 在不同工況條件下各道支撐的中間支座相對圍護樁的豎向位移表

2. 2 混凝土支撐影響分析

由表2可見，第1道混凝土支撐對內支撐中間支座相對位移在工況5時最大，達到37.0 mm。為研究中立柱隆起對混凝土支撐的影響，分別計算混凝土支撐兩端為固定和簡支邊界條件下，內支撐中間支座發生37.0 mm隆起時的混凝土支撐內力，計算簡圖見圖5。混凝土支撐截面尺寸為0.8 m×1.0 m，混凝土強度等級為C30，支撐截面上、下排主筋均配置8根φ25 mm HRB400級鋼筋。工況5時單根混凝土支撐軸力為400 kN。混凝土支撐受彎剛度根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》第7.2節中的相關規定進行計算，計算結果見圖6。

圖5 混凝土支撐計算簡圖

圖6 混凝土支撐彎矩圖

由圖6可見，在兩端固定或兩端簡支邊界條件下，混凝土支撐最大彎矩均發生在內支撐中間支座位置。由彎矩計算的混凝土支撐受力狀態見表3。

表3 混凝土支撐受力計算結果

由表3可知：在兩端固定或兩端簡支邊界條件下，混凝土支撐內鋼筋的最大應力均小于鋼筋強度設計值360 MPa，滿足受力要求；在兩端固定時，最大裂縫寬度為0.52 mm，超過了GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》第3.4節中最大裂縫寬度限值0.3 mm；兩端簡支時最大裂縫寬度滿足規范要求。由于混凝土支撐實際邊界條件是介于兩端固定與兩端簡支之間，故混凝土支撐承載能力滿足規范要求，但最大裂縫寬度可能會超限。

2. 3 鋼支撐影響分析

鋼支撐計算長度為21.3 m，與鋼圍檁相交處可視為簡支。根據軸力監測數據，第2～5道鋼支撐單根最大軸力分別為1 810 kN、2 230 kN、1 453 kN和743 kN，綜合考慮鋼支撐軸力和表2中的相對位移值，分別選取第2、第3道鋼支撐，計算該相對位移產生的附加彎矩，并根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》第8.2節中的相關規定進行偏心受壓時的鋼支撐穩定性驗算，得到工況5時中間支座相對圍護樁的最大豎向位移情況下鋼支撐的計算結果(見表4)。

表4 中間支座相對圍護樁最大豎向位移情況下鋼支撐計算結果

由表4可知，第2、第3道鋼支撐的中支座發生豎向位移后，經計算鋼支撐穩定性均小于1.0,滿足規范要求，且存在一定富余量。因本工程鋼支撐軸力實測值比理論計算值小，故穩定性計算結果偏小。

3 取消中立柱對比分析

設置中立柱是為了提高支撐的豎向穩定性，但另一方面中立柱隆起又降低了支撐穩定性。為研究設置中立柱的利弊，針對本基坑，進行了取消中立柱對混凝土支撐及鋼支撐的影響對比分析。

3. 1 混凝土支撐內力及變形

混凝土支撐下設置立柱主要是為了減小由自重引起的彎矩和撓度。JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》規定：混凝土支撐截面高度不宜小于豎向平面內計算長度的1/20，故一般當支撐長度大于20 m時，應在支撐下設置立柱。

若LZ2位置處混凝土支撐下不設中立柱，計算得到本基坑混凝土支撐在兩端固定條件下的最大彎矩為836 kN·m，滿足結構受力及最大裂縫寬度限值要求，在兩端簡支條件下混凝土支撐的最大彎矩為1 254 kN·m。因此，適當加大混凝土支撐截面高度或下排配筋面積可滿足結構受力要求及最大裂縫寬度限值要求。

3. 2 鋼支撐內力及變形

若取消中立柱，經計算，長21.3 m的鋼支撐由自重產生的跨中撓度為20.4 mm，彎矩為130 kN·m，鋼支撐承載力約為1 700 kN，小于第2、第3道鋼支撐軸力監測值。可見，若取消中立柱，由于長細比增大，鋼支撐承載力降低，不能滿足該基坑的受力要求。

在取消中立柱情況下，可采取措施增大支撐承載力或減小支撐內力，以滿足受力要求。增大支撐承載力的措施有加大鋼支撐直徑或壁厚、采用高強度鋼支撐、選用混凝土支撐等；減小支撐內力的措施有減小支撐水平間距、調整支撐豎向布置等。

對于本基坑工程，若選用外徑為800 mm、壁厚16 mm的Q235鋼支撐，經計算，長21.3 m的鋼支撐由自重產生的跨中撓度為13.4 mm，彎矩為172 kN·m，鋼支撐承載力約為3 250 kN，可滿足受力要求。因此，不僅可以不設中立柱及立柱樁，還可以優化取消換撐。經初步測算，優化取消中立柱后基坑支護體系造價可節省約85萬元。

4 結語

本文結合某地鐵車站深基坑立柱隆起實測數據，計算分析了立柱隆起對支撐體系的影響，通過對比分析設置與取消中立柱這兩種情況，得到主要結論及建議如下：

1) 基坑開挖卸載和豎向荷載作用產生的中立柱豎向位移會對支撐產生不利影響，因此設計時應予以考慮，必要時可采取增加立柱樁樁長或樁徑、控制豎向荷載等措施以減小中立柱豎向位移。

2) 對于地鐵車站深基坑，可通過加大支撐截面尺寸、提高支撐材料強度等級、調整支撐體系及調整支撐間距等措施，優化施工方案取消中立柱。這不僅能提高施工效率，而且還可以避免因中立柱豎向位移造成的安全風險。