鋼支撐滯后架設對深基坑圍護結構及地表的影響

魏波

針對某地鐵車站深基坑實際情況，在建立計算模型的基礎上，對鋼支撐滯后架設造成的影響進行深入分析，以此為后續施工與監測提供可靠的參考借鑒，起到保證施工安全的作用。

一、工程概況

某地鐵車站工程深基坑總長約392m，其標準段開挖施工寬度在24m左右，挖深17m左右，基坑的圍護結構為地下連續墻，墻深26m，嵌入基坑底部9m，以鋼支撐與鋼混支撐為內支撐體系，首道支撐采用鋼混支撐，按8m的水平間距設置，另外兩道為鋼支撐，按3．5～4．0m的水平間距設置。該站結構采用明挖順作法施工，于首道支撐施工完成且強度滿足要求后進行開挖，其斷面的開挖順序為：先開挖到地表下部4．5m，然后開挖到地表下部7．5m，再開挖到地表下部9．5m，設置第二道支撐；繼續開挖到地表下部11．5m、14．0m和16．0m，設置第三道支撐；最后開挖到基坑的底部。

二、計算模型

為對各位置上的鋼支撐的滯后架設程度造成的影響進行系統探究，找出滯后程度和圍護結構彎矩和變形與地表沉降之間的關系，需建立相應的計算模型，采用數值模擬分析研究。

1．模型構建

將以上地鐵車站的深基坑作為背景，構建相應的計算模型。該深基坑的挖深為17m，寬24m，寬度為挖深5倍，底部厚度為挖深3倍，圍護結構的總長為26m，進入深基坑底部9m，設置3道支撐體系，分別為鋼混支撐、鋼支撐×2，第一道處在地表下部1m，另外兩道分別處在地表下部7m與11．5m。

2．主要參數

深基坑底層基巖為強風化或微風化花崗巖，選擇摩爾庫倫模型，它的物理力學參數如下表所示。

深基坑基巖主要物理力學參數

其它地層都選擇HSS模型，以地質勘查成果為依據，結合現有資料，經假設獲得土體主要物理力學參數。

該深基坑所用圍護結構為地連墻，厚度800mm，用板單元進行模擬，物理力學參數：（1）軸向抗壓剛度為2．52×107kN；（2）抗彎剛度為1．34×106kNm2·m-1；（3）厚度為0．8m；（4）容重為24kN·m-3；（5）Poisson比為0．17。

三、深基坑圍護結構與地表沉降受鋼支撐架設之后的影響

1．深基坑圍護結構在水平方向上的變形所受影響

第2、3道支撐分別和均出現滯后架設條件下的深基坑圍護結構在水平方向上發生的變形如圖1所示。伴隨鋼支撐架設的實際滯后程度不斷增大，深基坑圍護結構發生的水平變形明顯增加，變形的最大值產生位置還伴隨滯后程度增大顯著上移；無論架設是否滯后，水平變形都表現為中間比兩邊大，類似于鼓肚形。

圖1 深基坑圍護結構水平位移

2．地表沉降變形所受影響

深基坑圍護結構水平方向變形和地表沉降之間的關系曲線如圖2所示。伴隨滯后程度不斷增加，沉降都明顯增大。地表沉降的最大值和水平變形的最大值具有相同的變化規律，即當滯后程度完全相同時，沉降最大值實際增長量比分別滯后略大；若滯后程度為5m，則分別滯后引起的沉降，其最大值的增長量等于正常施工50%；當滯后程度完全相同時，沉降最大值的增長量等于正常施工110%。

圖2 深基坑圍護結構水平方向變形和地表沉降之間的關系曲線

3．深基坑圍護結構彎矩所受影響

伴隨滯后程度不斷增加，深基坑圍護結構的彎矩都明顯增大；若第三道支撐的架設有所滯后，則對深基坑進行開挖施工時，深基坑圍護結構所受前一道支撐的約束將增強，使第二道支撐周圍圍護結構出現向深基坑外部反向彎曲的現象，導致其負彎矩明顯增大，但若第二道支撐的架設也有一定滯后，則深基坑圍護結構所受約束作用將減弱，這一部位的負彎矩不大。

伴隨滯后程度增大，若第二道支撐的架設有所滯后，則它對深基坑圍護結構造成的彎矩影響相對最小，由第三道支撐的滯后架設造成的影響居中，當支撐都滯后時，對彎矩造成的影響可以達到最大。當滯后程度相同時，第二和第三道支撐都滯后架設造成的彎矩增長大于分別滯后增長總和。當滯后程度為5m時，第二道支撐的架設有所滯后造成的彎矩增長等于正常施工23%左右，第三道支撐的架設有所滯后造成的彎矩增長等于正常施工67%左右，都滯后時，彎矩增長等于正常施工的一倍。

四、結語

將某采用內撐式結構的深基坑作為研究背景，以實測數據為基礎開展有限元分析，利用施工超挖厚度對支撐結構架設的滯后程度予以表征，然后深入分析支撐結構架設實際滯后程度對圍護結構自身和地表發生的沉降現象造成的影響。最后得出下列結論：

1．通過對工程實測數據的統計與分析可以看出，對基坑的中間進行開挖時，支撐結構滯后架設容易使深基坑圍護結構在水平方向上的變形與地表沉降都明顯增加，導致基坑自身與周圍都受到不利影響，亟需加強監測。

2．當支撐結構架設的滯后程度相同時，第二與第三道支撐結構都滯后架設對深基坑圍護結構造成的影響比分別滯后總和大，在實際施工過程中，應防止兩道支撐結構的架設都滯后。

3．當第二與第三道支撐結構的架設出現分別滯后時，其對深基坑圍護結構造成的影響大體相同，然而，若第三道支撐結構的架設滯后，則其造成的影響比第二道大。若圍護結構的彎矩過大，則會使結構發生開裂。基于此，與第二道支撐結構相比，當第三道支撐結構的架設出現滯后時，更容易導致圍護結構出現開裂。