寧波市軌道交通海晏北路換乘站基坑支撐優化與分析*

陳金銘 狄宏規 宣 煒 梁浩毅 蘇光北

(1. 寧波市軌道交通集團有限公司， 315012， 寧波； 2. 同濟大學上海市軌道交通結構耐久性與系統安全重點實驗室， 201804， 上海∥第一作者， 高級工程師)

在城市軌道交通建設中，控制深基坑的開挖變形對于基坑自身安全和周邊環境的保護極其重要[1-2]。目前，城市軌道交通車站的基坑施工主要采用鋼支撐與混凝土支撐相結合的方式。近年來，相關人員設計出基于液壓自動伺服控制原理的液壓伺服鋼支撐。該支撐方式采用設備對支撐軸力及圍護結構變形實施全天候動態監測，將監測結果發送至程控主機，與預先設計的軸力值進行對比，再通過液壓系統自動調整鋼支撐軸力，做到低壓自動補償、高壓自動報警，從而避免出現因軸力損失過大而導致圍護結構變形過大的風險[3]。但該支撐方式的造價較高，尚未在城市軌道交通建設中大規模推廣，可供研究的案例極少。

本文基于寧波市軌道交通5號線海晏北路站接駁既有車站工程，通過實測數據的分析，對比液壓伺服鋼支撐與普通鋼支撐的支撐效果，討論采用液壓伺服鋼支撐代替第5道混凝土支撐的可行性，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

海晏北路站為寧波市軌道交通1號線與5號線的換乘車站。其中：1號線海晏北路站為地下雙層島式車站，沿東西向敷設，目前已開通運營；5號線海晏北路站為地下3層車站，沿南北向敷設，與1號線海晏北路站形成“十”字形交叉接駁，其基坑平面布置如圖1所示。5號線海晏北路站的主體框架結構長度為189.00 m，標準段基坑寬度為22.10 m，深度為24.71～24.76 m，南、北端頭井基坑寬度為26.20 m，基坑深度為26.46～26.51 m。該站基坑開挖采用明挖順筑法，以1 000 mm和1 200 mm厚的地下連續墻作為車站主體的圍護結構，以鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐(直徑609 mm或800 mm，壁厚16 mm)作為圍護結構的支撐體系。常規支撐體系與伺服支撐體系結構剖面圖如圖2所示。該基坑工程周邊環境較為復雜，對于該基坑施工的變形控制而言，施工的風險較大。

2 基坑變形與沉降的監測、分析

在該基坑的開挖過程中，對圍護結構的水平變形、地表沉降進行了監測，根據實際情況選取了部分監測點進行分析，其測點布置如圖3所示。其中，測斜點20個，地表沉降監測點54個。

圖1 海晏北路換乘站基坑平面布置示意圖

a)普通鋼支撐段

b)液壓伺服鋼支撐段

圖3 基坑圍護結構的監測點布置圖

為對比液壓伺服鋼支撐與普通鋼支撐的支撐效果，選取普通鋼支撐段的測斜管CX11，以及液壓伺服鋼支撐段的測斜管CX17、CX15、CX13進行數據分析。圖4為該圍護結構累計水平變形隨深度變化的曲線。從圖4可以看出，CX17的最大累計水平變形量(29.3 mm)明顯小于CX11的水平變形最大值(90.1 mm)，說明伺服支撐圍護結構的變形控制效果更好；CX13的最大累計水平變形值較大(76.1 mm)，原因是CX13更靠近普通鋼支撐段，故此處優化效果不明顯；CX15的最大累計水平變形值最小(27.9 mm)，這是由于CX15處既采用了液壓伺服鋼支撐，且距離既有車站最近，故圍護結構水平變形得到了很好的控制。

圍護結構累計水平變形量/mm

圖4 圍護結構累計水平變形量隨開挖深度變化曲線

從圖4還可以得出結論：圍護結構水平變形量隨開挖深度的增大而增大，其最大累計水平變形值出現在開挖深度附近。從第4道鋼支撐架設完成至第5道混凝土支撐施作，該基坑的累計水平變形增量變化較大，增量最大的測點的變形量達到了總變形量的40%。其原因主要為該基坑時空效應明顯，從混凝土支撐的施作完成至達到設計強度值需要一定養護齡期，此階段的基坑處于無支撐暴露狀態，因而會產生較大的水平變形。

3 鋼支撐替代混凝土支撐的有限元模擬

3.1 有限元模型的建立

采用有限元計算軟件Plaxis3D 2017對該基坑開挖過程進行數值模擬，設基坑的開挖深度為26 m，模型沿x、y、z3個方向的尺寸分別為310 m、220 m、80 m，如圖5所示。

圖5 海晏北路換乘站的有限元模型

土體本構模型采用小應變土體硬化模型(HSS)。根據地質勘查報告及施工現場的軟土工程特征，合并相近土層后得到土體模型參數如表1所示。

表1 海晏北路換乘站的土體模型參數表

施工中，圍護結構采用板單元，車站主體結構采用線彈性實體單元，混凝土支撐采用梁單元，普通鋼支撐采用錨桿單元，液壓伺服鋼支撐系統采用點荷載。土體與結構之間的接觸作用通過界面單元來模擬。數值模擬分為2種方案，其主要差異在于第5道支撐方式:方案1中第5道撐為混凝土支撐，方案2中第5道撐為鋼支撐(液壓伺服鋼支撐段為液壓伺服鋼支撐，普通段為普通鋼支撐)。

3.2 數值模擬結果分析

3.2.1 模型可靠性驗證

為驗證模型的可靠性，提取方案1中CX17位置處圍護結構的累計水平位移與實測數據進行對比分析，結果如圖6所示。由圖6可知，數值模擬圍護結構的累計水平變形與實測結構的累計水平變形規律基本一致，表明采用該模擬方法是合理可行的。

圖6 CX17處圍護結構的累計水平變形量對比

3.2.2 數值模擬方案設計

為了驗證用伺服剛支撐代替第5道混凝土支撐的可行性，將伺服鋼支撐區段的第5道支撐替換成不同軸力情況下的液壓伺服鋼支撐，并與混凝土支撐方案進行比對。

城市軌道交通車站基坑所用的鋼支撐可視為細長薄壁圓柱型結構。根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》來計算鋼支撐的穩定性，計算公式為：

式中：

N——構件極限穩定承載力；

φ——構件穩定系數。其值根據長細比、鋼材屈服強度、截面分類決定；

A——截面面積；

f——鋼材的屈服強度。

本基坑所采用的液壓伺服鋼支撐參數為：直徑為800 mm，壁厚為16 mm，長度為26.2 m。根據截面回轉半徑及長細比，確定式(1)中的φ取0.584；鋼材材料為Q235B，則f取235 MPa，A為39 388.16 mm4。由式(1)可得到該類型液壓伺服鋼支撐的極限穩定承載力N為5 405.63 kN。

根據文獻[4]，將傳統鋼支撐預加60%的極限穩定承載力作為預加軸力，可以起到良好的支撐效果，因而本文在數值模擬方案中設計了3種方案進行可行性驗算。這3種方案的區別在于：在其他鋼支撐軸力情況不變的情況下，第5道混凝土支撐的液壓伺服鋼支撐標定軸力分別采用2 000 kN、3 000 kN、4 000 kN進行試算，以驗證第5道支撐替換為鋼支撐的可行性。

3.2.3 數值模擬結果對比分析

提取上文3種方案中伺服支撐段CX17處圍護結構的累計水平變形量，結果如圖7所示。

圖7 3種標定軸力下CX17處圍護結構的累計水平變形量對比

從圖7可以看出，采用第5道支撐為液壓伺服鋼支撐時，伺服支撐軸力越大，圍護結構的累計水平變形量越小，其變化規律與采用混凝土支撐時的變化規律相同。軸力為4 000 kN、3 000 kN、2 000 kN情況時，圍護結構的水平累計變形分別為39.39 mm、41.99 mm、44.40 mm；而混凝土支撐情況下，圍護結構的水平累計變形為40.13 mm。由此可以得到，當支撐軸力達到3 000 kN時,液壓伺服鋼支撐對圍護結構累計水平變形的控制近似達到混凝土支撐的效果，所以第5道混凝土支撐用伺服液壓鋼支撐代替混凝土支撐具有一定的可行性。參照GB 50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》，上述3個方案的軸力情況均能夠滿足規范要求。

同樣提取這3種方案中伺服支撐段南基坑的地表沉降監測點(D17)斷面位置處的數據，基坑邊緣地表沉降的模擬結果如圖8所示。

由圖8可以看出，在距離基坑邊緣約12 m處為地表的沉降最大處。此位置在混凝土支撐情況下的地表最大沉降為24.92 mm，在液壓伺服鋼支撐情況下軸力為2 000 kN、3 000 kN、4 000 kN時地表最大沉降分別為41.29 mm、38.85 mm、36.46 mm。由此可知混凝土支撐控制地表沉降的效果優于液壓伺服和普通鋼支撐組成的伺服剛支撐體系。

圖8 3種標定軸力下D17處地表沉降量對比

DG/TJ 08-61—2018《上海基坑工程技術規范》中規定，根據工程經驗，由基坑的開挖引起的建筑物容許總沉降量建議取值為40 mm。因而，混凝土支撐以及液壓伺服鋼支撐3 000 kN、4 000 kN軸力下的最大地表沉降量可以滿足該規范對基坑變形控制的要求。

4 結論

1) 實測數據表明，與普通鋼支撐的水平變形相比，液壓伺服鋼支撐的水平變形可以減少22%左右，液壓伺服鋼支撐能更有效地控制圍護結構水平變形。

2) 在施作混凝土支撐過程中，圍護結構水平變形增量最大可占總變形量的40%。

3) 在液壓伺服支撐段，用液壓伺服鋼支撐代替第5道混凝土支撐后，軸力為2 000 kN的設計方案優化效果不明顯，軸力為3 000 kN和4 000 kN的設計方案均能有效控制地表沉降與圍護結構累計水平變形，從而可以有效避免混凝土支撐在施工過程中無支撐暴露期產生較大水平變形的情況，具有一定的施工可行性。