深基坑內支撐支護結構冗余度設計

高 濤

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

隨著深入各地城市軌道交通建設工作，工程方對深基坑施工的要求也越來越高。在開發地下空間的過程中，深基坑開挖與支護是最重要、也是最復雜的環節。雖然基坑支護是臨時性工程，但作用很大，支撐支護結構既要承擔基坑開挖后的土壓力和地下水壓力，又要保障基坑開挖過程中主體結構和周圍環境的安全，同時，由于基坑自身的多物性，即使是同一類型的支撐支護結構，在不同的工程和水文地質條件下，其穩定性也存在較大差異[1]。因此，在工程建設中，應結合現場勘察結果，并根據具體的工程實際情況，選擇合適的支護結構。部分深基坑工程分布在鄰近建筑和人口密集區，在基坑開挖過程中，支護結構和周圍地面的應力會有較大變化，而對應位置支護結構的整體安全性又相對較低，因此，在深基坑工程開挖作業的過程中，支護結構存在較大的安全隱患[2]。為解決該問題，深化深基坑工程建設工作，該文將在研究中，以某深基坑工程項目為例，從冗余度角度對內支撐支護結構進行設計研究。

1 構建基坑開挖三維數值模型

1.1 基坑開挖中內支撐支護結構冗余度評估指標

為確保相關工作在實施中可以達到預期效果，提高內支撐支護結構冗余度設計的規范性，在研究前，應先對基坑開挖中的結構冗余度評價指標進行設計[3]。從結構自身角度出發，可用R1（屈服強度儲備比）、R2（最大位移儲備比），對支護結構自身冗余度進行評價。計算R1和R2如公式（1）和公式（2）所示。

式中：q為內支撐支護結構自身的屈服應力；σd為在設計荷載的條件下，內支撐支護結構的計算應力值；Vm為內支撐支護結構自身可以承受的最大位移；Vd為內支撐支護結構在設計荷載條件下的位移值。

在上述內容的基礎上，可以從內支撐支護結構體系承載力入手，用RSR（結構儲備強度比）、RIF（結構體系剩余影響系數）、DSR（結構體系損傷強度比）和SRF（結構體系冗余度數），評價其冗余度，計算RSR、RIF、DSR和SRF如公式（3）～公式（6）所示。

式中：Vu為內支撐支護結構體系的極限承載力；Vr為內支撐支護結構體系在局部發生破壞后的極限承載力。

通過上述內容，在設計過程中，從不同角度對內支撐支護結構的冗余度進行評價。

1.2 建模中深基坑內支撐支護結構對應土體應變—剛度關系

根據上述內容，該文選用PLAXIS 3D 三維建模軟件，該軟件能根據具體情況，結合自身數據庫中的本構內容，模擬復雜的巖土結構和施工過程，適用于各類巖土工程施工模擬與結構體系建模分析，不但可以廣泛應用于基坑、邊坡和隧道等工程，還可以引進深基坑中HS（土體硬化模型），使建模成果與工程實際匹配得更好[4]。考慮該文研究的深基坑內支護結構對應的土體結構較為復雜，因此，選用HS模型作為建模中的本構模型，對建模中深基坑開挖過程中內支撐支護結構對應土體應變—剛度關系進行分析[5]。如圖1 所示。

圖1 建模中深基坑內支撐支護結構對應土體應變—剛度關系

1.3 支護結構力學參數設計與模型生成

在上述內容的基礎上，在本構模型中錄入支護結構對應不同土層結構的主要物理力學參數，按照規范錄入深基坑內支撐支護結構的力學參數，相關內容見表1。

表1 深基坑內支撐支護結構的力學參數

完成深基坑內支撐支護結構力學參數的設計后，使用Plaxis 3D 有限元軟件進行建模，在建模過程中，引進四面體單元，對模型結構進行網格單元劃分，為保證構建的模型符合標準，將網格單元間的密度調節為中粗，在確定單元總數的前提下，劃分單元對應的節點，建立基坑開挖模型，如圖2 所示。

圖2 基坑開挖模型

通過上述方式構建基坑開挖三維數值模型。

2 深基坑內支撐支護結構冗余度設計

2.1 墻體厚度設計

結合構建的模型，對深基坑內支撐支護結構的冗余度進行設計，分析墻體厚度對支護結構穩定性及冗余度的影響，確定最合理的墻體厚度參數[6]。利用系數提出的冗余度計算公式，計算墻體厚度分別為1.2m、1.0m、0.8m 和0.6m 時的冗余度，如公式（7）所示。

式中：RS為深基坑內支撐支護結構冗余度；Sinstant為原始結構體系中產生的最大位移量；Sdamage為局部遭到破壞后結構體系產生的最大位移量。記錄計算結果，見表2。

表2 不同墻體厚度下內支撐支護結構冗余度分析

為方便分析，繪制不同墻體厚度條件下的冗余度變化值曲線，如圖3 所示。

圖3 不同墻體厚度條件下的冗余度變化曲線

分析表中數據可知，隨著墻體厚度降低，深基坑內支撐支護結構的冗余度呈現線性遞減的趨勢。結合理論知識，深基坑內支撐支護結構的冗余度越大，安全儲備越充足。當墻體的厚度從1m 降至0.6m 時，墻體厚度變化對冗余度影響十分明顯；當墻體厚度從1.2m 降至1.0m 時，冗余度的降低幅度明顯變小。結合上述結果進一步分析得出：當深基坑內支撐發生破壞時，根據“就近傳遞”的原則，如果墻體夠厚，就能分擔更多關鍵支撐失效后傳遞的大部分荷載，以此分擔內力，減少關鍵支撐失效的影響，對主柱的破壞影響更小[7]。從上述分析可以看出，在基坑施工期間，因支護結構的臨時性質，所以其安全系數很低。為避免支護系統因支護結構破壞導致安全系數降低，應采取加厚措施。因此，根據已有的基坑工程設計方案，結合工程實際情況，考慮經濟與安全，墻體的厚度設置為0.8m～1.0m。

2.2 支撐剛度設計

利用上述冗余度計算公式，計算不同支撐剛度條件下深基坑內支撐支護結構的冗余度，確定支撐剛度。設置4 種不同的支撐剛度分別為0.5K、1.0K、2.0K 和4K，通過計算得到的冗余度結果見表3。

表3 不同支撐剛度條件下內支撐支護結構冗余度分析

在得到表中數據后，為方便分析，繪制不同支撐剛度條件下深基坑周邊地表沉降量，如圖4 所示。

圖4 不同支撐剛度條件下深基坑周邊地表沉降量變化曲線

結合圖4 和表3 的數據可知，深基坑外土體豎直方向上的最大位移隨著支撐剛度增加呈現逐漸減少的趨勢，支撐剛度的變化不會影響深基坑外土體在豎直方向上最大位移的位置[8]。隨著支撐剛度從0.5K 增至2.0K，能有效約束當支撐失效時地下連續墻的變形，但當支撐剛度過大時，冗余度反而變小。因為支撐失效且支撐的剛度太大，所以每個支撐的軸力增加，造成的破壞范圍變大，基坑承受的變形也會變大。基于此，建議支撐剛度設置為1K～2K。

2.3 支撐位置設計

按照上述研究思路，確定最佳的支撐位置。針對這4道支撐結構，設置3 個位置分別為原始位置、上升1m 和下降1m 處，分別計算不同支撐結構在不同工況位置上的冗余度，結果見表4。

表4 不同支撐位置條件下內支撐支護結構冗余度分析

由表中數據可知，當第四道支撐結構下降1m 時，內支撐支護結構的冗余度最大，取值為11.2，遠高出其他位置條件下的內支撐支護結構冗余度。縮短關鍵支撐結構與最近的水平支撐間在豎直方向上的距離，能有效分擔支撐承擔的荷載，間接增加了支護體系的傳力途徑，以此降低關鍵支撐結構失效對支撐體系造成的影響，增加支護體系安全儲備，避免產生連續倒塌效應。

3 結語

隨著持續推進各地經濟建設工作，各地城市化進程明顯加快，住宅、市政等建筑密度不斷增加，城市可用空間日趨緊張，因此導致空氣質量下降、大氣環境遭受污染、交通堵塞以及綠色空間減少等一系列問題。城市地表空間以其“高度”與“廣度”持續突破歷史新高，而拓展“深度”對提升城市空間承載力、緩解地表交通擁堵和提高城市基礎設施水平等十分重要。因此，如何有效開發和利用地下空間迫在眉睫。為落實該項工作，通過研究，得到以下3 個結論：1）墻體厚度、支撐剛度和支撐位置都會影響支護結構的冗余度。2）從經濟與安全角度出發，墻體的厚度設置在0.8m～1.0m 最適宜，冗余度在該范圍內最大。3）建議支撐剛度設置在1K～2K，在該范圍內可以保證冗余度最大。4）縮短關鍵支撐結構與最近的水平支撐間在豎直方向上的距離，能夠有效分擔支撐所承擔的荷載，提高冗余度，保障支護體系安全儲備。