鋼支撐對基坑開挖土體沉降的影響性分析

劉大雙

(中鐵九局集團第二工程有限公司，四川成都 610051)

隨著經濟快速發展，對交通要求逐步提高，地鐵成為必要的一種交通方式。在地鐵線路的修建中，會穿越既有建筑等[1]。基坑開挖過程中會對地表土體，建筑物產生影響，造成應力重分布或結構變形，因此對基坑開挖的研究分析是極其必要的。一些學者將數值模擬應用到基坑工程中[2-3]，將所得結果與現場情況進行對比得出結論。

本文選用巖土工程計算軟件Midas-GTS/NX模擬成都某地鐵基坑開挖施工過程，為基坑開挖提供一定指導和借鑒[4-9]。

1 工程概況

某地鐵明挖暗埋段區間長330.8 m，基坑寬度為11.8～15.8 m，深度為10.9～13.9 m，結構頂板覆土2.4～7.1 m。

2 數值計算模型

2.1 數值模型

基坑開挖過程采用大型數值模擬軟件Midas GTS/NX進行模擬，對基坑開挖過程建立不同工況。防止模型邊界效應所造成的影響，模型的最終尺寸為長100 m，高30 m。模型分為6層土，分別為雜填土、素填土、黏土、全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖。

模型中土體及結構材料采用各向同性，土體采用修正莫爾-庫侖模型。模型圖見圖1。

圖1 計算模型

2.2 模型計算參數

模型參數如下表1、表2，斷面示意圖見圖2。

2.3計算工況

計算工況見表3。

2.4 計算假定

(1)基坑開挖施工期間，僅考慮正常使用工況，不考慮地震、人防等工況。

表1 土層力學參數

表2 支護結構材料參數

表3 計算工況

(2)假定支護結構為線彈性材料。

(3)假定基坑支護結構和土體之間符合變形協調原則。

圖2 基坑斷面示意(單位:mm)

(4)本計算分析的前提是施工嚴格按照設計及相關規范、規定操作流程，并處于正常良好控制的條件下。

2.5 計算結果規定

本章節將對不同施工階段下圍護結構產生的變形計算結果進行分析。數值的正負符號規定如下：

(1)豎向變形結果負值表示沉降，正值表示隆起。

(2)橫向水平變形結果正值表示指向軌道右側，負值表示指向軌道左側。

2.6 計算步驟

(1)初始地應力分析，計算平衡，位移清零。

(2)施工圍護樁、及冠梁，計算平衡。

(3)基坑開挖及支護。

Step1：施作第一道橫撐，并開挖至相應位置，計算平衡；

Step2：施作第二道橫撐，并開挖至相應位置，計算平衡；

Step3：施作第三道橫撐，并開挖至坑底，計算平衡。

2.7 坑底隆起及基坑周邊沉降分析

坑內土體開挖后，坑壁的法向約束逐層消除，打破了原有的初始應力平衡場，內力進行重分布，基坑周圍地層發生沉降，且該沉降量伴隨開挖深度的增大而增大，隨著與基坑距離的加大而逐漸降低，直到較遠處為零，而坑底則有明顯的隆起。基坑開挖過程中基坑周邊及坑底的豎向變形云圖及變形曲線如圖3～圖11所示。

圖3 Step1基坑地表土體豎向變形云圖

圖4 Step2基坑地表土體豎向變形云圖

圖5 Step3基坑地表土體豎向變形云圖

圖6 Step1基坑地表土體豎向變形云圖

圖7 Step2 基坑地表土體豎向變形云圖

圖8 Step3 基坑地表土體豎向變形云圖

圖9 基坑地表土體豎向變形云圖

圖10 基坑地表土體豎向位移云圖

圖11 基坑地表土體豎向位移云圖

2.7.1 工況一

由圖3～圖5可知，基坑開挖的進程中，地表土體會產生相應的沉降，沉降曲線分布為拋物線狀；地表的整體變形規律是在靠近基坑處發生最大的豎向變形，計算的最大沉降值為4 mm，隨著距離坑邊越來越遠，沉降變形則慢慢減小，最終趨于穩定，總體的沉降量并不大，能夠滿足基坑設計中關于地面最大沉降的控制要求；隨著基坑開挖深度加大，坑底回彈量和回彈范圍逐漸增大，坑底最大回彈量為30.8 mm；隨著基坑開挖深度的加大，坑周土體的垂直沉降變形亦逐步增大，且影響范圍也越來越遠，距離坑邊達開挖深度2倍范圍的地表也能受到施工帶來的影響，故在基坑施工過程中，一定要密切注意基坑周邊可能要發生最大沉降的區域，必要時可進行監測預警，防止工程事故的發生。

2.7.2 工況二

由圖6～圖8可知，基坑地表土體會產生相應的沉降，沉降曲線分布為拋物線狀的“凹槽型”；地表的整體變形規律是在靠近基坑處發生最大的豎向變形，設有兩道鋼支撐的基坑開挖后，計算的最大沉降值為7.25 mm，隨著距離坑邊越來越遠，沉降變形則慢慢減小，最終趨于穩定，總體的沉降量并不大，能夠滿足基坑設計中關于地面最大沉降的控制要求；隨著基坑開挖深度加大。

坑底回彈量和回彈范圍逐漸增大，坑底最大回彈量為30.7 mm；距離坑邊達開挖深度2倍范圍的地表也能受到施工帶來的影響，故在基坑施工過程中，一定要密切注意基坑周邊可能要發生最大沉降的區域，必要時可進行監測預警，防止工程事故的發生。

2.7.3 工況三

由圖9可知，土體沉降最大值為4.21 mm，基坑底部隆起31.3 mm。

2.7.4 工況四

由圖10可知，土體沉降最大值為4.07 mm，基坑底部隆起31.6 mm。

2.7.5 工況五

由圖11可知，土體沉降最大值為4.41 mm，基坑底部隆起31.3 mm。

通過進行分析比較可知：

(1)地表土體沉降呈凹槽形，隨著基坑開挖逐步推進，坑周土體沉降也逐漸增大。

(2)基坑開挖完成后，設有三道支撐情況坑周最大沉降約為4 mm，基底土體隆起最大值為30.9 mm；設有兩道支撐情況坑周最大沉降約為7.25 mm，基底土體隆起最大值為30.7 mm。

(3)去掉第三道支撐，基坑開挖完成后，隨著第二道支撐位置的變化，地表土體沉降以及基底土體隆起均發生變化，當第二道鋼支撐位置下移4 m時，地表土體沉降最小，為4.07 mm。

(4)在相同鋼支撐數條件下，可以通過調整鋼支撐位置，降低土體沉降，達到與原設計相同效果，從而降低施工成本。

3 結論

本文采用Midas-GTS/NX計算軟件研究了地鐵基坑開挖時地表土體的沉降以及基底土體隆起情況，通過模擬計算不同鋼支撐條件下，基坑地表土體及基底土體變形結果得出如下結論：

(1)隨著基坑開挖深入，坑周土體沉降逐漸增大。

(2)可以通過調整鋼支撐位置，達到節約資源，節省施工成本的效果。

(3)設有三道鋼支撐時，基坑地表土體最大沉降為4 mm，基底土體最大隆起為30.9 mm；設有兩道鋼支撐時，基坑地表土體最大沉降的最小值為4.07 mm，基底土體最大隆起的最小值為30.7 mm。

(4)基底土體隆起變化明顯，說明基底土體隆起與鋼支撐的位置變化無明顯關系，應通過控制其他因素減小基底土體的隆起。

本文只研究了鋼支撐對基坑開挖的影響，未考慮其他因素如混凝土支撐、圍護樁結構、冠梁等對其開挖的影響等，將來將對這些方面進行主要研究。