鋼支撐代替混凝土支撐可行性分析

【摘 要】在地鐵深基坑施工中，圍護結構對基坑的安全起著至關重要的作用。本文依據合肥地鐵一號線明光路站，施工過程中，由于車站3號出入口為出土口，原計劃的第一道鋼筋混凝土支撐無法實現，更改為鋼支撐，通過有限元分析軟件MIDAS-GTS＼NX，建立二維模型進行數值模擬，對圍護結構的變形和地表沉降進行分析，結果表明：第一道支撐采用鋼支撐代替鋼筋混凝土支撐對圍護結構的側移值影響不大，鋼筋混凝土支撐控制地表沉降的效果要比鋼支撐好，對今后類似工程變更提供依據。

【關鍵詞】深基坑；地連墻；地表沉降；內支撐

【Abstract】In the construction of a subway deep foundation pit， The safety of the retaining structure of foundation pit plays a vital role.The article is based on mingguang road of HeFei subway station. In the process of construction，because the station 3gateway is used as unearthed mouth， the first reinforced concrete supporting of the original plan can not be achieved，change to steel support.Through the finite element analysis software MIDAS GTS＼NX，established two-dimensional model for numerical simulation，analyze the deformation of the retaining structure and the surface subsidence.The results show that：The first line of support used steel support instead of the reinforced concrete support is little effect on the value of the lateral retaining structure，the effect of the reinforced concrete support to control the surface subsidence is better than steel support.The result can provide the basis for change of similar projects in the future.

【Key words】Deep foundation pit；Underground diaphragm wall；Ground surface settlement；Inner support

0.引言

隨著很多城市修建地鐵，確保地鐵深基坑工程的安全施工是至關重要的，一旦發生事故，將會帶來嚴重的后果[1]。杭州地鐵湘湖路站發生坍塌事故，內支撐和地連墻發生破壞，導致21人死亡[2]。因此，選擇合理安全的圍護結構，是保證基坑安全施工的關鍵。根據經驗，國內地鐵深基坑一般采用地連墻加內支撐的組合結構，內支撐一般為混凝土支撐和鋼支撐的組合，第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，其余的為鋼支撐，這種組合結構起到了良好的效果[3-4]。鋼筋混凝土支撐由于其現澆而成的較強的空間連接剛度而使整個基坑受力變形呈現出較大空間整體效應，具有較大的平面剛度，結構變形小，能有效的保護基坑和周邊環境的穩定。而鋼支撐施工相對簡單且能重復利用，在基坑開挖期間施加預壓力對確?；臃€定和施工安全也能起到良好的作用。由于鋼支撐施工速度快，工序簡單，在復雜條件下，當施工鋼筋混凝土支撐難以實現時，可以選擇用鋼支撐替代，因此，研究鋼支撐代替鋼筋混凝土支撐具有重要的意義[5]。本文根據合肥地鐵一號線的工程實例，分析分別用鋼支撐和鋼筋混凝土支撐作為第一道支撐的對基坑穩定性的影響。

1.工程概況

明光路車站位于勝利路與明光路交口處，沿勝利路南北向布置，下穿東西方向待建的明光路下穿橋。車站里程起始于K6+179.787，終止于K6+448.697，總長268.91m，車站基坑標準段寬23.2m，頂板覆土約0.8-4.4m，標準段底板埋深約22.8m。車站主體基坑距離周邊建筑物較遠，東南角為合肥市長安駕校、合肥長途客運站、金色梧桐30層商住樓及一些低矮商鋪和住宅，東北角為低、多層商鋪和住宅，西北角為合肥市郵政速遞局等低、多層建筑，車站北側為即將拆除的老淮南鐵路。擬建場地地形較為平坦，微地貌單元屬于南淝河一級階地。

車站設計采用明挖順做法施工，即開挖至基坑底后順作車站底、中、頂板及側墻和其他結構，圍護結構采用地下連續墻+內支撐的支護方式，內支撐為第一道鋼筋混凝土支撐+四道鋼支撐。由于三號出入口作為出土口，如果繼續將第一道支撐作為鋼筋混凝土支撐施工很難實現，所以將三號出入口處的內支撐換做鋼支撐，為基坑出土留出足夠的空間。

2.數值計算

2.1計算參數的選取

根據施工勘察報告，將土層做了相應簡化，劃分的土層及各層土體的力學計算參數見表1所示。地下連續墻為C35混凝土，用線彈性梁單元模擬計算，根據經驗將彈性模量E取為30GPa，泊松比取0.20，重度為25 ；各支撐采用線彈性桁架單元模擬，彈性模量E取200GPa，泊松比0.30。結構所受恒荷載為自重與土壓力，活荷載為地面超載，取20kPa。見表 1。

主體圍護結構：1000mm厚地下連續墻，五道內支撐，鋼管內支撐直接采用609mm，壁厚t=16mm，可施加預壓力；第 1道支撐在地表下 2.3m，第2道支撐為地表下5.8m，第3道支撐為地表下10.55m，第四道支撐為地表下14.75m，第五道支撐為地表下18.28m。鋼筋混凝土支撐采用C30混凝土，截面尺寸1000mm×800mm。分析比較內支撐采用鋼管和鋼筋混凝土情況下基坑支護特性的變化，因此，按以 2個方案進行計算分析：

表2 計算方案

2.2計算模型的建立

基坑標準段寬為23.2m，深為21.8m，地下連續墻深取34.8m，計算邊界的范圍大小對模擬結果的精度有很大的影響，依據圣維南原理，開挖區域一般選開挖尺寸的2～4倍比較合理，取143.2m×70m（寬×深）建立二維模型，計算網格共有3640個單元，3716個節點。模型的左右邊界采用法向約束，底邊采取固端約束，計算模型如圖1所示。

2.3計算結果的分析

2.3.1開挖步驟

模型計算分為8個步驟：第1步：初始地應力分析，第2步：澆筑地連墻，第3步：開挖+第一道混凝土支撐；第4步：開挖+第二道鋼支撐；第5步：開挖+第三道鋼支撐；第6步：開挖+第四道鋼支撐；第7步：開挖+第五道鋼支撐；第8步：開挖到坑底。變更方案是把第三步的鋼筋混凝土支撐更改為鋼支撐，其他施工步驟完全一樣。

2.3.2計算結果的分析

3.地連墻側移分析

地連墻的作用主要是抵抗基坑開挖卸荷導致墻背側土體向坑內滑動，從而保證基坑開挖的安全?；娱_挖過程后，土體的應力狀態發生改變，圍護墻受力開始產生變形，當基坑內側卸去原有的土壓力時，墻外側受到主動土壓力，在坑底的墻內側受到部分被動土壓力[6]。下圖為各開挖步兩種方案地連墻的水平側移對比圖：

由上圖可以看出，隨著開挖深度的加深，地連墻的側移值不斷的增大，并且側移最大值隨著開挖深度的加深而加深，在開挖到坑底時，側移值達到最大，并且開挖變化趨勢都呈現出中間大兩頭小的弓型曲線，更改后的方案最大側移發生在坑深15m附近，達到10.05mm，僅為開挖深度的0.046%，原方案最大側移發生在坑深14.5m附近，達11.23mm，僅為開挖深度的0.051%。遠小于規范規定的0.3%H（H為開挖深度）。更改后的方案地連墻側移值比更改前的小1.18mm，說明鋼支撐代替混凝土支撐的起到了良好的效果。

4.地表沉降分析

基坑開挖過程中，地連墻受力產生變形，使得基坑外圍土體的原始應力狀態改變而引起地層移動，使得地面發生沉降 。對周圍地表做好沉降監測，保證周圍建構筑物的安全，是施工中必不可少的內容。根據數值模擬結果，分別作出兩種方案的地表沉降圖，如下圖所示：由圖可以看出，最大沉降并不是發生在坑壁附近，而是在距基坑邊15m左右的位置，原方案最大沉降值為12mm，更改后的方案最大沉降值為16.6mm，更改后的方案比原方案的沉降值大4.6mm，均小于地表沉降的警戒著30mm，說明鋼筋混凝土支撐對控制地表沉降的效果比鋼支撐要好。

5.結論

（1）采用有限元分析軟件MIDAS-GTS/NX對原方案和更改方案進行了數值模擬，得出地連墻的最大側移值隨著開挖深度的加深而增大，并且最大值并不是出現在坑底，而是出現在距開挖深度 位置附近，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐和鋼支撐時，地連墻的最大側移值分別為11.23mm和10.05mm，二種方案的差別并不大。

（2）兩種方案地表沉降最大值均發生在距離基坑邊緣15m左右的位置，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐時，最大值為12mm，采用鋼支撐時，最大沉降值為16mm，說明采用鋼筋混凝土支撐對控制地表沉降的效果比鋼支撐好。

（3）通過數值分析得出第一道鋼支撐代替鋼筋混凝土的方案是可行的，結果可供類似工程做參考。

【參考文獻】

[1]劉建航，侯學淵.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

[2]張曠成，李繼民.杭州地鐵湘湖站“08.11.15”基坑坍塌事故分析[J].巖土工程學報，2010，32（增刊）：338-342.

[3]孫凱，許振剛，劉庭金等.深基坑的施工監測及其數值模擬分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23（2）：293-298.

[4]張忠苗，房凱，劉興旺等.粉砂土地鐵深基坑支撐軸力監測分析[J].巖土工程學報，2010，7（增1）：426-429.

[5]劉樹亞， 潘曉明，歐陽蓉，余志江.用鋼筋混凝土支撐代替鋼支撐的深基坑支護特性研究[J].巖土工程學報，2012，11（增1）：309-314.

[6]施成華，彭立敏.基抗開挖及降水引起的地表沉降預測[J].土木工程學，2006，39（5）：117-121.