地鐵車站異形基坑內角撐優化分析

王小剛， 馬凝宇， 郭岳雷， 郭 偉

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610213； 2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

隨著社會的快速發展，提高城市地下空間利用率得到越來越大的重視。在實際工程中，為達到主體的結構功能需求，并防止對周邊建筑物的沉降產生影響。往往會選用形狀不規則的異形基坑。相對于常見的矩形基坑，為滿足異形基坑穩定性的設計要求，對內支撐體系的選型和施工工藝都提出了更高的要求[1-3]。

在基坑工程建設中，角撐因其結構型式簡單，可靈活布置施工，節省工期，因而在基坑工程中得到了大量的運用。種正江等[4]采用環形支撐的設計方案，結合實測數據，研究了環形支撐在軟土層異形深基坑中的作用。成守澤[5]對圓撐和角撐2種支撐體系下的基坑開挖過程進行了對比計算，分析了兩者在實際施工時的利弊。路康康[6]采用在基坑拐角圈梁處加角撐，達到基坑結構受力合理及減小變形的作用。但對異形基坑工程中角撐選用的分析研究較少。本文以洛陽市區內某深大異形基坑工程為背景，研究不同支護形式的角撐對基坑異形區受力產生的影響，得出適合于異形深基坑的角撐布置方法，具有較高的實用價值。

1 模型建立

1.1 模型建立

首先利用CAD繪制二維基坑模型，基坑長度為447m，兩側寬度分別為23.3m、32.3m，基坑深度為16m。其中，基坑模型右側部分為異形區域呈“三角”形狀，基坑右上角點向外凸起.。將繪制好的基坑模型導入有限元分析軟件中，根據已有研究，基坑施工垂直影響范圍大約是2～3倍挖深。同時為解決邊界效應，并保證計算方便、準確，土體模型尺寸設定為600m×150m×40m。之后通過，擴展、復制移動等功能形成三維實體圖形。最后對各類區域進行實體網格劃分，模型如圖1所示。

圖1 基坑模型

1.2 支護結構

1.2.1 支護結構介紹

基坑采用灌注樁作為圍護結構，共設3道內支撐，第1道為混凝土支撐設置于基坑表面，第2道、第3道為鋼支撐分別布設在深度6.6m、11.6m處。每次開挖完成后依次布置3道內支撐。支護結構的參數如表1所示。

表1 支護結構參數

1.2.2 支護工況分類

內支撐主要由橫撐、角撐、圍檁構成，為了保證基坑結構的穩定性需對角撐支護間距的取值進行相關研究。參照現有的角撐支護間距一般為2m左右[7]，本文根據異性區內角撐分布間距的不同，模擬6類不同工況，為了比較不同參數條件下同一位置角撐的受力，本文約定以異形區中間位置角撐為參照標準，由此向兩側均勻布置下一節角撐，構建了不同的基坑模型，各工況如表2所示。

表2 不同布置間距

當角撐間距為2m時，異形區支撐布置如圖2所示。本文主要研究施工完成后，第2層內支撐異形性區產生的影響。之后根據有限元分析的結果，進而比選出最佳布置方案，并對類似工況提出施工建議。

圖2 角撐布置

1.3 土層參數

基坑分3次開挖，分別開挖6.6m、5m、4.4m。土層從上到下分別為粉質黏土、細沙、卵石土。土層參數詳見表3。

表3 土層參數

1.4 本構模型

基坑模型采用莫爾—庫倫模型，莫爾—庫倫模型適用范圍廣[8]，可應用于對地基的實際承載能力的非線性分析計算，且結果比較可靠。劃分的土體單元為3D實體單元，地下連續墻為2D板單元，橫撐、圍檁、角撐、立柱、抗拔樁單元為1D梁單元，單元類型見表4。

表4 單元類型

1.5 施工過程控制

模型建立后，為有效還原基坑開挖過程中圍護結構的變形情況，采用動態模擬施工步驟，具體施工步驟：

(1)進行初始滲流場分析。

(2)進行初始應力場分析，施加自重，并進行位移清零。

(3)模擬施加地連墻、格構柱、止水帷幕。

(4)開挖第1層基坑，架設第1道混凝土支撐及圍檁。

(5)開挖第2層基坑，架設第2道鋼支撐及圍檁。

(6)模擬進行基坑第1次降水及降水變形。

(7)開挖第3層基坑，架設第3道鋼支撐、圍檁及抗拔樁。

2 計算結果分析

2.1 角撐間距的影響分析

2.1.1 角撐間距對異形區腰梁水平位移的影響

異形區腰梁水平位移會對基坑穩定性造成影響，現以第2層鋼支撐的右側異形區域腰梁為研究對象，計算腰梁在距離基坑角點1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m位置處的水平位移，見表5，并繪制腰梁水平位移，如圖3所示。

表5 腰梁水平位移 單位:mm

圖3 腰梁水平位移

由圖3可以清晰地看出，距基坑角點從1m增加到7m的過程中，角撐對異形區腰梁水平位移的約束作用逐漸減弱，且衰減速率整體呈增大趨勢。以第一類工況為例，從距基坑角點3m處起每個位置比上一位置水平位移分別減小10.22%、13.53%、37.65%。

距基坑角點1～3m的區間內，各工況水平位移變化量非常小，說明在此區間內角撐間距對腰梁水平位移沒有太大的影響。距基坑角點3～7m的區間內，異形區腰梁水平位移由正轉負值，且逐漸增大。距基坑角點7m處，每一類工況比下一類工況水平位移分別增大15.28%、13.6%、18.52%、22.22%、32.41%，由此可知變化幅度逐漸增大。

綜上，考慮到結構的安全性及施工的經濟性，角撐間距控制在2～3m之間是合適的。

2.1.2 角撐間距對角撐軸力的影響

除了腰梁位移，角撐軸力也會影響基坑的受力狀態，故以異形區中間角撐作為研究對象，繪制在各類工況下角撐所受最大軸力的關系，見圖4。

圖4 角撐最大軸力

由圖4可知，隨著角撐間距的增大，角撐中最大軸力逐漸減小，角撐間距從1m增加到3.5m的過程中，中間角撐最大軸力依次減小4.69%、12.88%、18.56%、24.08%、39.79%。當角撐間距增大時，角撐數量減小，相應的角撐所承受的最大軸力隨之增大。因為異形區空間有限，所以不能忽略由角撐數量不同而產生的影響，計算結果偏大。但有限元模擬的變化趨勢符合實際情況，隨著角撐間距的增加，角撐最大軸力增加的趨勢越顯著。因此，適當增加角撐間距，能有效改善異形區角撐的最大軸力。

綜上，考慮增大趨勢，異形區角撐間距控制在2～2.5m是合適的。

2.2 角撐剛度的影響分析

2.2.1 角撐剛度對角撐水平位移的影響

除上述角撐間距外，角撐剛度的選擇對于基坑支護也是非常重要的影響因素，需要謹慎的選擇。由前文所述，角撐間距控制在2～2.5m是合適的，因此，這里取異形區角撐間距為2m進行分析。

假設前文角撐剛度為K，通過改變異形區角撐的橫截面積進行分析，下設6類工況，如表6所示。

表6 折算剛度

通過有限元軟件對上述6種不同的工況進行有限元模擬分析。得到6類不同工況下，異形區角撐在1/10跨、1/4跨、2/5跨、1/2跨位置處的水平位移，如圖5所示。

圖5 角撐水平位移

由圖5可知，隨著角撐剛度的增加，異形區角撐水平位移的減小幅度逐漸放緩，以角撐1/10跨處為例，每一工況的水平位移比上一工況分別減小31.63%、24.21%、24.31%、12.69%、7.17%。

同時可以看出，異形區角撐越靠近跨中位置水平位移越小。并且隨著折算剛度的增加，水平位移減小趨勢逐漸放緩。因此從經濟性和安全性的角度考慮，異形區角撐橫截面積采用600mm×600mm～700mm×700mm是合適的。

2.2.2 角撐剛度對腰梁彎矩的影響

角撐的彎矩影響著基坑的穩定性，過大的彎矩會使支護變形，甚至導致基坑失穩。因此合理設置角撐，控制彎矩的大小尤為重要。圖6為角撐間距為2m時6類不同角撐剛度情況下，異形區腰梁最大彎矩圖。

圖6 腰梁彎矩

由圖6可以看出，腰梁上的3個不同位置處，隨著角撐剛度增加腰梁所受彎矩均呈線性減小的趨勢，且距離基坑角點越遠處，減小幅度更為迅速。異形區腰梁上距基坑角點8m處，每一工況比上一工況分別減小了39.08%、27.72%、21.32%、9.62%、2.26%。異形區腰梁上距基坑角點6m處，每一工況比上一工況分別減小了20.16%、24.89%、18.14%、20.42%、16.39%。異形區腰梁上距基坑角點4m處，每一工況比上一工況分別減小了33.44%、25.28%、18.60%、13.40%、9.28%。由此可見，角撐橫截面積從400mm×400mm增加到700mm×700mm的過程中，異形區腰梁所受彎矩值變化幅值很大，平均占到彎矩總變化幅度的80%左右。

因此，改變角撐剛度，對異形區腰梁的彎矩值影響非常大。為有效的控制腰梁的彎曲變形，使腰梁更加穩固，減小基坑開挖的危險性。同時確保經濟效益，角撐橫截面積取600mm×600mm至700mm×700mm。

3 結論

針對城市內異形基坑支護布置的問題，本文對深基坑支護中角撐間距及角撐剛度的影響進行了分析，所得結論：

(1)隨著距基坑角點距離的增加，異形區腰梁的水平位移逐漸增大，角撐對異形區腰梁水平位移的約束作用逐漸減弱，且衰減速率整體呈增大趨勢。增大角撐間距，對距離基坑角點近處的異形區腰梁影響較小，對遠處的異形區腰梁影響較大，且變化幅度呈增長趨勢。

(2)以中間角撐為研究對象，隨角撐間距增大，異形區角撐最大軸力逐漸增加，且增加的趨勢越顯著。考慮到結構的安全性及施工的經濟性，角撐間距控制在2～2.5m之間是合適的。

(3)異形區角撐采用2m間距，隨著角撐剛度的增加，異形區角撐水平位移的逐漸減小，且變化幅度放緩。同時，異形區角撐越靠近跨中位置水平位移越小。

(4)隨著角撐剛度增加腰梁所受彎矩均呈線性減小的趨勢，且變化幅度逐漸放緩。同時，距離基坑角點越遠，異形區腰梁減小越迅速。為有效的控制腰梁的彎曲變形，同時確保經濟效益，異形區角撐橫截面積取600mm×600mm至700mm×700mm是合適的。

綜上所述，在實際工程中可以考慮對同一基坑工程采用不同的角撐間距或不同的角撐橫截面積，基坑角點近處采用大支護間距或小剛度角撐，基坑角點遠處采用小支護間距或大剛度角撐。增強角撐對距異形區腰梁的約束作用，控制彎曲變形的同時，還可以節約支護材料，提高工程經濟性。