深基坑圍護結構變形定量化控制分析

上海建科工程咨詢有限公司 上海 200032

1 兩種鋼支撐變形調查統(tǒng)計與分析

類似于上海地區(qū)軟土地層地鐵車站的地下連續(xù)墻圍護結構，內支撐多采用Φ609 mm鋼支撐。以深16 m、寬21 m，長180 m左右的標站為例，標準段3 道鋼支撐，兩端頭井4 道鋼支撐，圍護結構的變形量在60 mm左右，視為正常變形范圍。近幾年，在復雜的地段、周邊建筑物、管線保護等級較高的深基坑內支撐采用了軸力補償裝置的鋼支撐，圍護結構的變形量降到35 mm左右。對于周邊建筑物保護等級特高深基坑，除了采用軸力補償裝置鋼支撐，同時還需采用基坑內土體加固方法，圍護結構變形量一般控制在20～30 mm范圍。但由于軸力補償裝置是由液壓、動力、泵送、千斤頂、電控裝置和數據監(jiān)控系統(tǒng)等組成，管理復雜，成本較高，實際施工過程中難以普遍使用。

目前軟土地層地下車站圍護結構的內支撐第1 道采用混凝土支撐，以下采用Φ609 mm鋼支撐較為普遍。針對條件類似的深基坑，有軸力補償裝置和普通鋼支撐兩種支撐形式。開挖過程中實測每道支撐的桿件壓縮變形量與圍護結構的變形量，歸納如表1所示。

通過對表1的數據分析可知：

（a）第1道混凝土支撐桿件的壓縮變形量與圍護結構的變形量基本一致；

（b）第2道鋼支撐為無軸力補償裝置的鋼支撐時，支撐桿的壓縮變形量為14～16 mm，對應該層面的圍護結構的變形量為18～20 mm；為有軸力補償裝置的鋼支撐時，支撐桿件的壓縮變形量減少了，對應該層面的圍護結構變形量也減少了；

（c）第3、4道鋼支撐為無軸力補償裝置的鋼支撐時，桿件的壓縮變形量為22～26 mm；鋼支撐桿件受軸向壓力加大，為有軸力補償裝置的鋼支撐時，桿件的壓縮變形量為6～8 mm。

表1 兩 種支撐形式的變形量對比

2 關于支撐壓縮變形問題的分析推論

由于胡克定律可知，鋼支撐桿件理論壓縮變形量僅在3～4 mm。而實際調查統(tǒng)計，第3道鋼支撐壓縮變形量是理論計算的5～7 倍，帶軸力補償裝置的鋼支撐壓縮變形量也是理論計算的2～3 倍，說明Φ609 mm鋼支撐桿件還存在著其他方面的壓縮變形。

整個開挖過程，1層支撐軸力最大出現在支撐安裝的初始階段，4層支撐軸力最大出現在底板施工結束，2層、3層支撐軸力最大出現在4層支撐拆除階段，圍護結構受力最大的層面都在第3道支撐層面[2]。基坑開挖過程中，圍護結構是先變形，開挖到下道支撐的層面時鋼支撐才安裝支撐受力，我們稱之為無支撐暴露時間產生的變形。兩種支撐桿件的無支撐暴露時間產生的變形量也不相同，對有軸力補償裝置鋼支撐，除了及時補償了軸力損失，支撐桿件壓縮變形量小，上道支撐變形小，圍護墻產生斜率小，對減少了下道支撐影響的變形量，可定為疊加變形量。

3 關于基坑開挖過程中6 個變形量的發(fā)現

現以圖1、圖2 對鋼支撐的變形進行定量分析，圖中顯示圍護結構變形大于支撐桿件變形主要是無支撐暴露產生的疊加變形。疊加變形量是在圍護結構已經變形后才安裝支撐的，且影響到后續(xù)的圍護結構變形量累積，所以第1道支撐圍護結構變形和支撐桿件變形一致。側向土壓力越大，圍護結構產生的疊加變形越大；支撐軸力損失越大，圍護結構產生的疊加變形越大。

圖1 鋼支撐變形點分析

圖2 深基坑δ疊加變形示意

深基坑開挖過程采用Φ609 mm鋼支撐內支撐的形式，圍護結構變形量歸類為由如下6 個方面的變形量累積：

式中：△δ端——墻面與鋼支撐端面平整度產生的壓縮量（mm）；

△δ楔——楔子的壓縮變形量（mm）；

△δ法蘭——鋼支撐受力后法蘭間的壓縮變形量（mm）；

△δ彈——鋼支撐材料的彈性壓縮變形量（mm）；

△δ撓——鋼支撐撓度產生的變形量（mm）；

△δ疊加——時、空、力的共同作用下產生的地下連續(xù)墻變形量（mm）。

通過以上的分析、推理，找到了圍護結構變形量與鋼支撐桿件變形量之間累積關系。這一重要發(fā)現，使我們對圍護結構的變形量有了細化的認識，使基坑施工圍護變形由定性分析到6 個方面的定量控制成為可能。

4 變形原因分析及解決途徑

4.1 影響基坑及支撐主要變形量的分析及解決途徑

我們通過實際調查，歸類統(tǒng)計、概率分析、邏輯推理等方法，將支撐桿件的節(jié)點變形，以及開挖過程圍護結構受力變化影響的變形，歸納如表2所示。

表2 影響基坑及支撐主要變形量分析與解決途徑

4.2 影響基坑主要變形量解決途徑分析

4.2.1 楔子變形量的解決途徑

楔子產生的變形量主要是楔子沒有制作標準，出現受力面積不滿足鋼材的彈性、屈服強度要求。楔子沒有穿過軸力產生的偏心受力所致。解決途徑：按標準制作能減小的楔子產生的變形量[3]。

4.2.2 端頭支撐軸力計產生變形量的解決途徑

軸力計安放在支撐桿件的端頭，直接和圍護墻面接觸，由于軸力計的截面積小，安裝偏差，端面不平整等因素鋼支撐產生的偏心受力、壓縮變形，甚至安全隱患。解決途徑：改進軸力計為預先安放在支撐內，使軸力計軸心和鋼支撐軸心同心[4]，見圖3、圖4。

圖3 安放在端頭軸力計

圖4 改進放在支撐軸心軸力計

4.2.3 疊加變形量的解決途徑

上道支撐壓縮變形量對下道支撐高度產生的斜率疊加變形量；時空效應地層的力學參數值產生的無支撐暴露變形量。解決途徑：改進鋼支撐整體壓縮變形量（楔子改進、軸力計安裝、端面處理、法蘭擰緊）可減少用圍護墻斜率增大的疊加變形量。帶軸力補償裝置的鋼支撐，圍護結構變形量小，主要是減少了圍護結構的疊加變形量。

4.2.4 其他變形量的解決途徑

鋼支撐桿件法蘭連接的壓縮變形量、桿件長度產生的撓度變形量，可以通過管理改進減少桿件的整體壓縮變形量；鋼支撐端頭和圍護墻接合面可以通過找平處理減少圍護結構的整體變形量。

5 結語

6 個方面變形量的提出，使我們認識了圍護結構變形量的累積因素和過程，而對現有鋼支撐關鍵部位的改進，不但使支撐桿件的受力更加合理，便于安裝施工，更重要的是在不增加施工成本的條件下，減少了圍護結構的變形總量。