基于有限元模型的地連墻鋼支撐預加軸力研究

安會麗，李洪元，付飛，劉炳，馮家強

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

隨著市政工程的快速發展，目前基坑工程也越來越多，為保障基坑施工安全， 對于其進行支護結構設計及控制至關重要[1-2]。地下連續墻搭配鋼支撐是應用較為廣泛的支撐體系，對控制基坑變形和保護周圍環境有著積極作用[3]。有限元模型作為一種常用的數值模擬方法， 在深基坑工程中得到了廣泛的應用。 有限元模型可以對鋼支撐結構的力學行為進行準確的分析和預測，從而為設計和施工提供科學的依據。 為此，本文研究利用有限元模型對深基坑工程中地連墻鋼支撐的預加軸力進行深入分析，以得到鋼支撐預加軸力的合理取值范圍。

2 工程概況

本文研究對象為深圳市一座位于松福大道與橋和路交叉路口的地下2 層島式車站。 車站位于城際鐵路高架橋30#至31#橋墩之間路段的下方。 該車站標準段寬度為21 m，總長為230 m，基坑開挖深度約為17 m。經過勘察得出，基坑開挖涉及范圍共計7 類土，分別為填埋石層、淤泥層、粉質黏土層、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖和微風化花崗巖。 填埋石層結構較為松散，主要為建筑垃圾等，在基坑工程區域內分布較廣。 圍護結構采用厚1 200 mm 地下連續墻，地下連續墻深59 m，采用銑接頭形式，車站底板埋深最深達32.7 m。 地下連續墻采用1 道鋼筋混凝土支撐+4 道鋼支撐的支撐體系。第一道支撐混凝施于冠梁處， 土標號采用C35， 鋼筋采用HRB300。 第2～5 道支撐為鋼支撐體系，第2～3 鋼支撐直徑為602 mm，第4～5 鋼支撐直徑為790 mm。 由于車站上方存在鐵路高架結構，故在設計地下連續墻，為基坑維護結構中的鋼支撐預加軸力時也需要考慮上方橋墩位移。 車站北側與相鄰橋墩之間的凈距為8.1 m，采用摩擦樁基礎，樁基長度約為62 m；南側與相鄰橋墩之間的凈距為21.9 m，采用嵌巖樁基礎，樁基長度約為42 m。

基坑工程施工會給周邊環境帶來擾動， 擾動程度也會隨著開挖深度的增大而增大。 施工時會通過多種措施降低其擾動程度。 對鋼支撐預加軸力是降低擾動程度的有效措施，但目前的設計及施工中預加軸力的施工設計并不夠精細。 為此，研究對其微變形進行控制， 探尋更加精細的預加軸力的取值范圍。 項目首先對地連墻的變形狀況以及橋墩的水平位移進行控制，以保證工程的穩定性和安全性，得到鋼支撐中預加軸力的最佳取值范圍。

3 有限元模型分析

研究采用Adina 有限元軟件對該深基坑項目進行三維建模。 首先，進行深基坑項目的三維建模需要收集和整理大量的項目相關數據和資料。 這些數據包括地質勘探報告、 設計圖紙、土層參數等。 地質勘探報告是建模的基礎，其中包含各土層的物理性質、力學性質和地下水位等信息，這些信息將直接影響模型的精確度和分析結果。 設計圖紙則提供了基坑的尺寸、形狀和周邊環境等重要信息，是模型建立的重要參考。 土層參數則是建模中不可忽視的一環， 不同的土層屬性會對基坑的穩定性產生不同的影響，因此，必須根據實際情況進行詳細的記錄和分類。 在完成數據收集和整理后， 研究人員使用Adina 有限元軟件進行建模。 首先，需要創建一個新的工程文件，這個文件需要選擇適當的單位制和坐標系，并根據實際情況設置模型的尺寸和幾何形狀。 這些設置將直接影響到模型的精確度和分析結果，因此需要仔細對待。 然后，將土層參數和地質勘探報告中的數據輸入建模軟件， 通過設置土層的彈性模量、剪切模量、泊松比等參數，反映不同土層的力學性質。這些參數的設置需要與實際的土層特性一致，如果設置不當，可能會導致模型的分析結果出現較大偏差。 然后，根據設計要求和地鐵基坑的荷載情況，需要設置模型中的荷載條件，包括地下水位變化產生的浮力、土壓力、支撐力等。 最后，通過計算土體的位移，并比較實測結果，評估模型的準確性及可靠性。該項目土層參數見表1。

表1 該項目土層參數

在參數計算結束后，對模型中預加軸力進行設計。 根據設計資料，第2～5 道支撐為鋼支撐，設計軸力依次為2 975 kN、2 900 kN、4 585 kN、3 250 kN。 為充分對比鋼支撐不同預加軸力時的變形控制效果， 研究分別按照設計軸力的0%至100%對模型施加預加軸力。 然后按照實際的施工順序，對車站基坑進行開挖，并施加不同的預加軸力，對不同工況下的地下連續墻的變形以及橋墩位移進行分析。

4 數據模擬分析結果

為保證基坑施工對城際鐵路高架結構的影響控制在合理范圍內， 施工現場需要對下穿段地連墻進行微變形控制。 為此，研究在施工過程中，不斷記錄下不同施工情況下的形變量與下沉深度。通過觀察變化曲線了解其受力情況。不同工況下的地連墻水平變形情況模擬分析如圖1 所示。

圖1 地連墻水平變形情況模擬分析

圖1 中，F 表示鋼支撐預加軸力。 當鋼支撐預加軸力為0時，墻體水平變形量最大可達8 mm。 這是因為在沒有鋼支撐預加軸力的情況下，墻體受到外部荷載的作用，導致水平變形量較大。 在鋼支撐預加軸力施加后， 墻體水平形變量逐漸減小。 這是因為鋼支撐預加軸力能夠提供額外的支撐，減小了墻體受外部荷載作用的影響，從而使墻體的水平變形量減小。 當施加100%的鋼支撐預加軸力后，墻體水平變形量最小。 這是因為100%的鋼支撐預加軸力能夠提供最大的支撐力，使墻體受外部荷載作用的影響最小化， 從而使墻體的水平變形量達到最小值。 在預加軸力小于0.5F 時， 不足以產生對于地連墻變形的強有力的抑制作用，但預加軸力達到0.5F～F 時，地連墻變形程度得到了較為顯著的控制。 鋼支撐預加軸力在深度5～20 m 范圍內對地連墻變形影響較大。 在5 m 深度內影響較小的原因是此時基坑開挖引起的土體卸荷變形較小， 鋼支撐的作用效果不明顯。 對于大于20 m 深度處影響較小是因為地連墻距離鋼支撐的布設位置較遠，且底部地層較為復雜，受鋼支撐作用相對較小。 在墻體深度超過20 m 后，幾種鋼支撐軸力情況下的地連墻都存在形變量變小的情況。 這是由于隨著深度的增加，土層的側壓力逐漸減小。 在深基坑中，隨著土層的深度增加， 土層的側壓力會逐漸減小， 對墻體的作用力減小，從而導致墻體形變量減小。 因此，在模擬分析時，需要考慮不同深度土層的側壓力對墻體形變量的影響。

綜上所述， 鋼支撐預加軸力對地連墻的水平變形有顯著的影響。 在沒有鋼支撐預加軸力的情況下，墻體的水平變形量較大；而在施加鋼支撐預加軸力后，墻體的水平變形量逐漸減小，最終達到最小值。為保證數值模型的模擬結果與實際情況差距不大，確保鋼支撐預加軸力分析的準確性，研究將模擬數據與利用測斜管進行測量得到的實際土體位移情況進行對比。開挖完成時，測斜管的測量數據與模擬數據對比如圖2 所示。

圖2 模擬結果與實測土體位移情況數據對比

通過對比土體位移的實測數據和模擬數據發現， 它們呈現相同的變化趨勢，并且數據之間的差值不明顯。 這表明建立的模型能夠較好地模擬施工的實際情況。 鋼支撐預加軸力作用下，附近既有橋墩的位移變化如圖3 所示。

圖3 橋墩的位移變化

從圖3 中可見，隨著鋼支撐預加軸力的增加，橋墩的水平位移逐漸減小， 表明預加軸力對橋墩的穩定性起到了積極的作用。當預加軸力小于35%時，橋墩的水平位移未能得到有效控制，可能存在安全隱患。然而，當預加軸力增加到51%以后，兩個橋墩的位移被控制在允許范圍內， 說明適當增加預加軸力可以有效地控制橋墩的位移，提高基坑結構的穩定性。

5 結語

研究以深圳地鐵為項目背景， 使用Adina 有限元軟件分析地下2 層的深基坑施工過程。 研究以地下連續墻為主體維護結構，內支撐設計5 道，其中一道為鋼筋混凝土支撐，其余全為鋼支撐。 結果表明，鋼支撐預加軸力對地連墻的水平變形有顯著的影響。 在沒有預加軸力的情況下，墻體的水平變形量較大；而在施加預加軸力后，墻體的水平變形量逐漸減小，最終達到最小值。 測斜管的測量數據與模擬數據對比結果較為一致， 說明建立的模型能夠較好地模擬施工的實際情況。 此外，適當增加預加軸力可以有效地控制橋墩的位移，提高基坑結構的穩定性。 此次研究通過有限元模擬分析，對深基坑項目進行了全面的研究， 對于深基坑施工的穩定性和安全性具有重要意義。 研究表明，通過合理設置鋼支撐預加軸力，可以有效控制地連墻和橋墩的變形， 確保基坑施工對周圍結構的影響在合理范圍內。