鋼支撐滯后架設對圍護結構變形影響數值模擬研究

吳志偉，商國奇 （中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

1 引言

自20 世紀80 年代，隨著我國城市建設的不斷深入，出現越來越多的深基坑工程，相關的研究工作逐漸深入，許多學者取得了一些矚目的成就。在此之后隨著計算機技術的發展，出現了大量的商業軟件，可用于解決基坑工程中復雜的圍護結構、地基土、周邊結構的相互作用問題，使得數值分析成為基坑工程分析計算中不可缺少的方法，在此基礎上，學者們針對具體的基坑工程進行了數值模擬，取得了大量的成果。在實際施工中因為工期的原因，施工單位在架設鋼支撐時往往會滯后架設，這樣直接影響施工工序的正常進行，從而對基坑工程產生不利影響。基于此，本文依托合肥地鐵黃河路車站基坑工程項目背景，采用有限差分軟件FLAC3D 對鋼支撐滯后架設的不同工況進行數值模擬，研究鋼支撐滯后架設對圍護結構側向變形的影響規律。

2 工程概況及地質條件

黃河路車站主體結構總長158m，標準段結構寬度21.9m，標準段基坑深度為23.11m～23.50m，南側端頭井段基坑深度為24.87m，北側端頭井段基坑深度為 25.44m。 圍 護 結 構 選 用Φ1000@1300 鉆孔灌注樁排樁，基坑標準段設四道支撐，其中第一道為鋼筋混凝土支撐，其余三道支撐為鋼支撐，南北兩側端頭井段設五道支撐，其中第一道為鋼支撐，其余四道支撐為鋼支撐，采用明挖法施工，基坑平面布置圖如圖1 所示。

圖1 黃河路站主體基坑平面布置圖

土體參數 表1

根據黃河路站巖土工程勘察報告，車站土體參數，如表1 所示。

地下水主要有上層滯水以及基巖孔隙、裂隙水。淺部地下水主要賦存于人工填土中，以上層滯水為主，水量微弱。勘探期間測得水位埋深為0.20m～3.80m。基巖裂隙水主要賦存于巖石強、中風化帶中，本車站基巖孔隙水埋藏較深，層頂埋深48.20m～49.00m。地下水徑流形式主要為孔隙間滲流。粘土和全風化巖富水性及透水性較差，連通性差，因此地下水徑流一般。

3 計算模型及工況設置

圖2 模型網格示意圖

模型材料參數 表2

僅有一道鋼支撐滯后工況設置 表3

鋼支撐架設滯后組合工況設置 表4

3.1 模型建立

模擬基于有限差分軟件FLAC3D，以黃河路地鐵車站基坑為工程背景建立數值分析模型。土體本構采用莫爾—庫倫模型，土體介質均假設為非線性、彈塑性介質材料，模型中土體參數見表1。應用空模型（null）實現土方開挖過程的模擬。根據基坑幾何尺寸及開挖對周圍環境的影響范圍，擬定模型尺寸為280.2m×148.6m×73m（X×Y×Z）。模型共劃分為514580 個單元、546256 個節點，模型網格劃分如圖2 所示。在模型的底部施加豎向約束，在模型的側面處施加水平約束，模型的頂面為自由面，不施加約束。

模型中排樁深度為37m，冠梁寬為1.5m，高1m。冠梁和排樁都采用實體單元，選取各向同性彈性模型，支撐體系采用beam 結構單元。模型材料參數如表2 所示。

3.2 開挖工況及鋼支撐滯后架設狀態模擬

模擬基坑開挖的總深度為25m，在標準段共有四道支撐，其中第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，其余三道支撐為鋼支撐，各道支撐之間的間隔均是5m。第一道鋼筋混凝土支撐在基坑開挖之前已澆筑養護，所以一般不會出現滯后的情況。由于各道支撐之間的間隔均是5m，因此模擬各道鋼支撐在滯后0～5m 時，基坑開挖至設計標高所引起的樁體側向變形。首先考慮在某一道鋼支撐滯后時，其余鋼支撐均按設計架設的工況，然后再對各道鋼支撐滯后程度進行組合，工況設置見表3 和表4。

4 鋼支撐架設滯后對樁體側向位移影響

4.1 僅有一道鋼支撐滯后工況

基坑全場鋼支撐按一定的滯后量進行架設，在某一道鋼支撐滯后時，其余鋼支撐均按設計架設，開挖至設計標高，不同鋼支撐在相同滯后量下樁體側向位移如圖3 所示。

由圖3 可知，不同鋼支撐在相同滯后量下，樁體側向位移的分布形式十分接近，樁體最大側向位移也十分接近；各工況下，樁體側向位移均表現為中間大，兩端小的分布形式；隨著滯后量的增加，樁體側向位移均隨之增加，同時，與按設計架撐的工況相比，樁體側向位移最大值點位置隨著滯后量的增加而下移，但在相同滯后量下，鋼支撐位置的不同，對樁體側向位移最大值及其位置的影響不大。

圖3 樁體側向位移

樁體最大側向位移 表5

對圖3 中各工況下的樁體最大側向位移進行輸出，如表5 所示。以S 表示樁體最大側向位移值，S表示按設計架撐工況下樁體最大側向位移值，S=23.4mm，h 表示滯后量。

對表5 中不同滯后程度下樁體側向位移最大值進行歸一化處理，如圖4 所示。圖4 中縱坐標表示樁體最大側向位移，相較于按設計架撐工況下的變化率。各道支撐沿基坑深度方向的間距H 為5m，則圖4 中橫坐標表示滯后量對鋼支撐間距占比。

圖4 滯后量對樁體側向位移最大值歸一化處理

由圖4 可知，樁體側向位移最大值的變化率，隨著鋼支撐滯后程度的增加呈現線性增加，線性回歸方程為

由式（1）可見，滯后程度達到一道鋼支撐的高度時，樁體側向位移最大值增大約65%。

綜合分析圖3 和圖4 可知，樁體側向位移增量只與滯后程度有關，與滯后支撐的位置無顯著關聯，與滯后支撐數量也不相關。

4.2 三道鋼支撐滯后組合工況

對三道鋼支撐滯后程度進行組合，研究各道鋼支撐在滯后總量一定的工況下，樁體側向位移的變化規律，模擬的結果如圖5 所示。

圖5 不同滯后組合下樁體側向位移

由圖5 可看出，在總滯后程度一定時，樁體側向位移沿樁體深度方向的分布曲線基本重合，變化規律一致，不同的滯后組合對樁體側向位移的影響較小。在總滯后程度為2m 時，不同滯后組合下樁體最大側向位移在28.4mm ～29.1mm 之間。在總滯后程度為3m 時，不同滯后組合下樁體最大側向位移在31.6mm～33.3mm 之間。在總滯后程度為4m 時，不同滯后組合下樁體最大側向位移在35.6mm ～37.3mm 之間。隨著總滯后程度的增加，樁體側向位移最大值呈現線性增加的趨勢，而在同一總滯后程度下，樁體側向位移最大值之間的差別不大。

5 總結

①鋼支撐未按設計架設對樁體的側向位移影響顯著，樁體側向位移增量只與滯后總量有關，與滯后支撐的位置無顯著關聯，與滯后支撐數量也不相關。