鋼支撐對基坑的影響分析—以武漢地鐵2號線為例

代祥，周春梅

武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074

鋼支撐對基坑的影響分析—以武漢地鐵2號線為例

代祥，周春梅*

武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074

以武漢地鐵2號線機場線盤龍城車站出入口基坑為例，采用圍護樁水平位移監測及數據采集方法，分析有無架設鋼支撐支護樁深度-位移曲線，探討圍護樁水平位移變化規律.然后采用有限元軟件PLAXIS 2D模擬分析基坑開挖過程有無架設鋼支撐支護樁內力和水平位移變化規律，并與現場監測數據相互驗證.由圍護結構水平位移的監測數據和數值模擬結果可得，在基坑內架設鋼支撐可以減緩基坑偏移速率以及在距圍護樁樁底的H/3～2H/3處，偏移量最為明顯，偏移量也最大，呈“弓”字型.

基坑；現場監測；數值模擬；鋼支撐；圍護樁

隨著我國經濟飛速發展，地鐵建設成為當前的一股熱潮，隨之而來，地鐵深基坑工程數量越來越多，伴隨著施工難度也越來越大［1］.基坑的施工過程中，隨著土體開挖，基坑周圍土體應力釋放，會產生地面沉降、圍護結構變形，過大的變形將直接影響到施工現場的安全［2］.所以對深基坑變形進行研究，為地鐵建設提供有利保障［3-4］.

在深基坑開挖中，近年通過現場監測以及支撐軸力變化監測，分析鋼支撐對支護結構偏移的影響.劉利民［5］、胡鈞［6］和李愛民［7］通過在支護結構中埋設測斜管，監測現場支護結構水平位移，能反映真實基坑水平位移情況.Long［8］在統計分析了大量基坑現場監測數據的基礎上，得到軟土地區的基坑最大水平位移與開挖深度之間的關系.陳軍［9］和任建喜［10］對深基坑進行監測，通過設計、施工和監測相結合，得出基坑變形規律.劉杰等［11］建立彈塑性有限元模型，對地鐵車站深基坑開挖進行仿真模擬計算，得出了鋼支撐+圍護樁的圍護形式對基坑土體的側向變形有較好的限制作用結論. Thomas［12］和張明聚［13］通過現場監測數據與FLAC3D軟件模擬計算數據做對比，得出不同的支撐軸力作用和剛度變化與維護結構變形的關系.郭楠［14］對基坑支護結構鋼支撐施加軸向施加預應力，發現鋼支撐可以防止因土體流變而產生較大的位移.朱彥鵬［15］采用FLAC3D軟件模擬基坑開挖、鋼支撐施工，得到支護樁的水平位移曲線呈弓型分布，最大值位于距離坑底H/2～H/3處.

前人雖然在深基坑開挖方面做了很多的監測，但并沒有分析鋼支撐的架設對圍護結構變形、圍護結構水平位移的影響規律，沒有結合數值建模驗證監測數據是否符合變形規律.本文根據基坑圍護樁變形的監測數據，分析圍護樁水平位移影響變化規律.對比有無架設鋼支撐、基坑開挖深度及開挖速率，分析圍護樁水平位移的動態變化規律.采用有限元軟件PLAXIS 2D建立有限元模型，模擬分析基坑開挖過程有無架設鋼支撐，對圍護樁內力變化規律，并與監測數據進行對比，驗證監測數據真實性.

1 工程概況

1.1 工程概況及地質情況

本文以武漢市軌道交通2號線北延線工程盤龍城車站為例，對出入口基坑圍護樁水平位移進行監測，分析有無鋼支撐對樁體水平位移影響.盤龍城車站位于盤龍大道與湯云海路相交路口，盤龍大道西側.周邊現狀為綠化空地和新陽光地產開發用地.車站東側為盤龍城遺址保護區域，車站沿盤龍大道南北向布置，西北方為已建成巢上城居住小區.

盤龍城站為地下兩層11 m單柱雙跨明挖島式站臺車站，車站共設4個出入口、2組風亭.車站起點里程為右BDK11+182.700，車站終點里程為右BDK11+474.697，有效站臺中心里程為右BDK11+ 349.000，全長292.0 m.盤龍城站現地面標高一般26.35 m～27.73 m，Ⅱ號出入口基坑開挖深度約2.75 m～13.25 m，基坑開挖面積535 m2，為了支撐深基坑土方側壓力，防止土體變形產生位移，采用鉆孔灌注樁進行基坑支護；Ⅳ號出入口基坑開挖深度約10.65 m～13.70 m，基坑開挖面積717 m2，采用鉆孔灌注樁支護.出入口采用明挖法施工.

1.2 工程地質

圖1為Ⅱ號出入口工程地質剖面圖.根據鉆探資料、原位測試和土工試驗成果分析，基坑地面以下10 m深度范圍內地基土主要由人工填土、可塑-硬塑狀態黏性土、稍密-中密狀碎石土、軟塑-硬塑狀紅粘土、可塑-硬塑狀殘積土、中風化灰巖構成.

圖1 Ⅱ號出入口工程地質剖面圖（單位：m）Fig.1Engineering geological profile of entranceⅡ（unit：m）

2 圍護結構水平位移監測過程

2.1 監測內容

基坑監測內容包括圍護樁頂水平位移和豎向位移、鋼支撐的軸力.本文重點監測出入口基坑在開挖過程中，在圍護樁架設鋼支撐前后圍護樁水平位移.

2.2 監測頻率

為了更好的反應圍護結構的變形，監測的初始值一定要在基坑開挖之前相對穩定時進行測量，對所有的監測項目進行連續三次獨立的監測，取其算術平均值，得出的數值做為監測初始值，基坑開挖的過程中，按表1監測頻率來進行監測，當監測變化量超過有關預警值或者地表沉降變化較大時，要及時預警，反饋數據給施工方或有危險事故生征兆時加大監測次數.

表1 基坑監測頻率Tab.1Monitoring frequency of foundation pit

2.3 現場監測點位布置及埋設原則

2.3.1 監測點布置原則在基坑圍護樁內安裝測斜管，沿基坑縱向每20 m～30 m布設.深度等同圍護結構長度，以盤龍城Ⅱ出入口和Ⅳ出入口為基坑監測點平面布置圖，如圖2所示.

圖2 （a）Ⅱ出入口基坑，（b）Ⅳ出入口基坑監測點平面布置（單位：m）Fig.2Plane layout of foundation pit monitoring points（a）Ⅱentrance pit and（b）Ⅳentrance pit（unit：m）

2.3.2 測點的埋設技術要求測點埋設方法：本工程測斜管采用綁扎，測斜管通過扎帶直接綁扎固定在圍護樁鋼筋籠上，圖3為鋼筋籠內綁扎測斜管，鋼筋籠導入鉆孔后，澆筑混凝土.將測斜管拼接后放入鋼筋籠迎土側，并按0.5 m左右間距用扎絲或者扎帶固定，頂底用蓋子封堵，并保證測量槽與基坑邊垂直.

圍護結構測斜管埋設與安裝應按照以下要求：1）測斜管底部應與鋼筋籠底部保持水平或略低于鋼筋籠的底部，頂端到達地面以上；2）測斜管與圍護樁的鋼筋籠綁接時，綁接間距不宜大于0.5 m；3）上下測斜管應對接良好，無縫隙，底部用地帽用螺絲固定，頂端密封；4）測斜管綁扎時應調正方向，使管內的一對測槽垂直于基坑內；5）地面以上的測斜管，做好標記和防護工作.

圖3 綁扎測斜管Fig.3Binding inclinometer pipe

2.4 監測方法和數據采集

圖4為測斜儀的測量原理.探頭下滑動輪作用點相對上滑動輪作用點的水平偏差長度可以通過儀器測得的傾角φ計算得出，計算公式：

式（1）中：Dδi第i測量段的相對水平偏差增量值；Li第i測量段的垂直長度，值取1.0 m；Dφi第i測量段的相對傾角增量值.

工程屬于地鐵車站深基坑，對圍護樁水平位移進行監測，主要采用CX-06A型測斜儀及其配套?70PVC測斜管.

圖4 測斜儀測量原理Fig.4Measuring principle of the inclinometer

3 監測結果分析

3.1 架設鋼支撐位移監測結果

深基坑變形分析過程中，由于基坑開挖，基坑中圍護樁受土壓力作用下產生的水平位移最能反映基坑變形問題.本文以盤龍城站Ⅱ號出入口CX3和Ⅳ號出入口CX3水平位移對比分析，探討圍護樁的任意深度水平位移隨著基坑開挖深度的變化而變化關系，以及對比基坑開挖有無架設鋼支撐對圍護樁水平位移影響.圖5為Ⅱ號出入口架設鋼支撐樁體深度-位移圖，所有數據經過處理（本次累計位移量減去上次累計位移量），有助于分析樁體單次變化量.

圖5 Ⅱ號出入口架設鋼支撐樁體深度-位移曲線Fig.5Depth-displacement curves of entranceⅡwith steel support installed

圖6是Ⅱ號出入口基坑架設鋼支撐樁體部分深度-位移曲線.

圖6 Ⅱ出入口架設鋼支撐的樁體部分深度-位移曲線Fig.6Partial depth-displacement curves of entranceⅡwith steel support installed

由圖6可知，在基坑內側，11月19日的圍護樁水平位移量比11月18日位移量較小，鋼支撐對圍護樁有明顯減緩偏移的趨勢作用，11月20日，11月21日的圍護樁水平位移比11月19日水平位移有減少的趨勢，表明鋼支撐起到了減少圍護樁向基坑內水平位移的作用.表2為架設鋼支撐前后圍護柱水平位移的變化量，鋼支撐的架設對圍護樁向基坑內偏移的速率有明顯的減緩作用.

表2 架設鋼支撐圍護樁水平位移變化量Tab.2Horizontal displacement variation of supporting pile with steel support installed

3.2 未架設鋼支撐監測結果分析

圖7為Ⅳ號出入口未架設鋼支撐樁深度-位移圖，圖8為Ⅳ號出入口基坑未架設鋼支撐樁體部分深度-位移曲線.整個出入口開挖過程歷時5天（11月5-9日）.

圖7 Ⅳ號出入口未架設鋼支撐深度-位移曲線Fig.7Depth-displacement curves of entranceⅣwithout steel support installed

圖8 Ⅳ號出入口未架設鋼支撐樁體部分深度-位移曲線Fig.8Partial depth-displacement curves of entranceⅣwithout steel support installed

由圖7可知：1）測斜管的水平位移偏移量在距圍護樁樁底的H/3～2H/3，偏移最明顯，位移量也最大.2）該基坑的測斜管的測量深度為13 m，基坑連續開挖2天（11月5日-11月6日）圍護樁向基坑內單次最大水平位移量為7.96 mm.3）當基坑開挖完成，土體應力釋放產生向基坑內水平位移，測量的頻率為1天/次～3天/次，由于基坑開挖完成，未架設鋼支撐，水平位移單次變化量最大值在基坑深度6 m處（11月7日）為3.53 mm.4）基坑開挖深度13 m，在11月5日-11月6日2天內完成，單次變化量最大7.96 mm.表3為Ⅳ號出入口基坑未架設鋼支撐樁體深度-位移變化量. 5）從表3可以看出：11月7日、8日、9日基坑開挖完成后，未架設鋼支撐圍護樁總位移量、位移偏移速率呈增加趨勢.

表3 未架設鋼支撐圍護樁水平位移累計量Tab.3 Cumulant of horizontal displacement of supporting pile without steel support installed

對比圖6和圖8可得：1）架設鋼支撐的影響：在施工過程中，基坑開挖深度將直接影響圍護樁各個深度位置水平位移；在基坑開挖前期，圍護樁的水平位移偏移相對較小，當開挖的速度加大，其水平位移變化速率有著明顯的增大趨勢.2）開挖速率的影響：相比Ⅱ號基坑在3天內開挖10 m，單次變化量最大為1.84 mm，說明開挖速度較大時，基坑開挖偏移量隨之增大.

劉杰［11］鋼支撐+圍護樁的圍護形式對基坑土體的側向變形有較好的限制作用，與本監測數據規律一致，結果表明架設鋼支撐對基坑偏移起一定減緩速率作用.

4 有限元計算模擬及分析

4.1 數值計算模型

在PLAXIS 2D中建立如圖9所示的不同土層模型，模型大小27 m×27 m，地質土層深27 m，寬27 m.基坑的模型大小13 m×10 m，基坑的寬為13 m，開挖深度為10 m，鋼支撐架設在距冠梁為7 m，圍護樁的樁長13 m，基坑土層分層開挖以2 m為標準，鋼支撐的設計軸力為1 980 kN，預加軸力為190 kN.網格劃分疏密度為“很細”；采用平面應變模型，15節點單元.圍護樁、鋼支撐采用板單元，冠梁采用embedded beam rom單元模擬.采用軟件PLAXIS 2D建立有限元模型，有限元計算模型見圖9.

4.2 計算參數的選取

根據試驗室試驗得到盤龍城地鐵站出入口基坑的周邊土體的基本物理力學參數數據，見表4.圍護樁采用C30混凝土，根據經驗將圍護樁彈性模量E取為30 GPa，泊松比ν取為0.25，其重度為24 kN/m3.鋼支撐采用線彈性桿單元模擬，彈性模量E取為206 GPa，泊松比ν取為0.24.各層土物理力學參數是武漢市軌道交通機場線工程4標段，盤龍城站的地質勘察.

圖9 PLAXIS 2D中基坑模型及網格（單位：m）Fig.9Foundation pit model and grid in PLAXIS 2D（unit：m）

表4 各層土物理力學參數Tab.4Mechanical parameters of soil in each layer

4.3 數值計算結果對比

根據現場施工過程的模擬，將盤龍城車站出入口基坑開挖施工過程分成初始地應力狀態、基坑圍護樁的施工、基坑內土體開挖至設計標高、架設鋼支撐4個過程.

圖10是PLAXIS 2D模擬樁體位移和彎矩隨深度的變化規律.由圖10可知：

1）位移變化.在基坑初始地應力狀態下，基坑內土體開挖完成，在樁體深度8 m處，樁體的水平位移量最大值12.236 mm.在架設鋼支撐位置樁體7 m處，水平位移量為12.161 mm.架設鋼支撐后，在樁體深度5 m處，樁體水平位移量最大值為5.493 mm；在架設鋼支撐樁體深度7 m處，水平位移為0.584 mm，基坑內偏移水平位移量減緩11.577 mm.經過有無架設鋼支撐對比發現基坑開挖完成，架設鋼支撐對基坑向基坑內偏移量有著明顯減緩速率作用.

2）彎矩變化.運用PLAXIS 2D有限元軟件模擬計算圍護樁的彎矩內力，架設鋼支撐，圍護樁所受彎矩整體變大，在距樁底H/3～2H/3處，水平位移較為明顯.

3）架設鋼支撐.在距樁底H/3～2H/3處，樁體所受彎矩整體變大，圍護樁的水平位移減小，這與Ⅱ號基坑圍護樁加了鋼支撐后實際監測的位移和曲線變化規律相一致.

由此可知，運用有限元軟件PLAXIS 2D模擬計算得出的基坑開挖架設鋼支撐對樁體偏移影響規律與現場的實測數據得出的規律相一致.

圖10 樁體位移和彎矩隨深度變化規律（a）深度-水平位移；（b）深度-彎矩曲線Fig.10Rules of displacement and moment changed with depth（a）Curves of depth-horizontal displacement；（b）Curves of depth-bending moment

5 結語

本文以武漢地鐵2號線盤龍城地鐵站為例，分析在基坑開挖過程中架設鋼支撐對圍護結構水平位移的影響.

1）基坑開挖過程中，Ⅱ號出入口開挖深度為10 m，最大位移在距樁底3 m處；Ⅳ號出入口開挖深度為13 m，最大位移在距樁底4 m處，樁體的水平位移偏移量在距圍護樁樁底H/3～2H/3處最明顯，偏移量也最大，呈“弓”字型.

2）在基坑開挖完成后及時地架設鋼支撐，樁體累計位移量持續增加，但單次增加速率減小.

3）通過PLAXIS 2D模擬計算，模擬基坑開挖完成到添加鋼支撐板單元，未架設支撐7 m處位移12.161 mm，架設支撐7 m處位移0.584 mm，架設鋼支撐有減小變化量速率的作用，與實際監測數據結果相吻合，變化規律相一致，表明有限元分析可以為基坑設計提供理論參考.

4）在架設鋼支撐處，加載軸力對樁體產生負彎矩（向基坑外），所受彎矩比未架設鋼支撐時反向彎矩變大.

［1］黃山.廣州地鐵九號線高增站深基坑數值分析與研究［D］.廣州：廣州大學，2011.

［2］吳曉旺，付建軍，杜學飛.某隧道基坑監測及安全穩定分析［J］.城市地質，2009，15（3）：26-28.

WU X W，FU J J，DU X F.Monitoring and stability analysis on a tunnel foundation pil［J］.Urban Geology，2009，15（3）：26-28.

［3］曾繁慧，鄒存靜.巷道圍巖變形破壞數值模擬［J］.遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2013，32（12）：1664-1668.

ZENG F H，ZOU C J.Numerical simulation of roadway surroundingrockdeformationanddestruction［J］. JournalofLiaoningTechnicalUniversity（Natural Science），2013，32（12）：1664-1668.

［4］俞建霖，龔曉南.基坑工程變形性狀研究［J］.土木工程學報，2002，35（4）：89-90.

YU J L，GONG X N.Traits of excavation deformation［J］. Journal of Civil Engineering，2002，35（4）：86-90.

［5］劉利民，張建新.深基坑開挖監測時測斜管不同埋設位置量測結果比較［J］.勘察科學技術，1995，78（6）：37-39.

LIU L M，ZHANG J X.Comparison of measuring result for different setting position of the inclinometer tube for the monitoring of deep foundtion pit excavation［J］. Exploration Science and Technology，1995，78（6）：37-39.

［6］胡鈞，楊熙章，杜堅.上海人民大舞臺商廈深基坑監測與分析［J］.上海同濟學報，1997，129（5）：604-608.

HU J，YANG X Z，DU J.Deep foundation pit monitoring ofshanghairenmindawutaibusinessmansion［J］.Journal of Tongji University，1997，129（5）：604-608.

［7］李愛民.關于深基坑水平位移監測方案的探討［J］.測繪學院學報，2000，17（1）：19-21.

LIAM.Researchonhorizontaldisplacement monitoring project of the deep foundation［J］.Journal of Institute of Surveying and Mapping，2000，17（1）：19-21.

［8］LONG M.Database for retaining wall and ground movements due to deep excavations［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ASCE，2001，127（33）：203-224.

［9］陳軍.深基坑支護工程的設計、施工與監測［J］.湖南大學學報，2002，29（3）：117-121.

CHEN J.Design，construction and monitoring of deep foundation pit support engineering［J］.Journal of Hunan University，2002，29（3）：117-121.

［10］任建喜，馮曉光，劉慧，等.地鐵車站深基坑圍護結構變形規律監測研究［J］.鐵道工程學報，2009，137（3）：89-92.

REN J X，FENG X G，LIU H，et al.Research on the deformationlawofsupportingstructurefordeep foundation pit of metro station［J］.Journal of Railway Engineering Society，2009，137（3）：89-92.

［11］劉杰，姚海林，任健喜.地鐵車站基坑圍護結構變形監測與數值模擬［J］.巖土力學，2010，31（增刊2）：456-461.

LIU J，YAO H L，REN J X.Monitoring and numerical simulation of deformation of retaining structure in subway station foundation pit［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31（Suppl.2）：456-461.

［12］ADDENBROOK T I.Displacement flexibility number for mutilpropped retaining wall design［J］.Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering，2000，126（1）：718-726.

［13］張明聚，何歡，李春輝，等.明挖地鐵車站圍護結構受力變形監測與數值模擬分析［J］.北京工業大學學報，2013，209（6）：875-880.

ZHANG M J，HE H，LI C H，et al.Deformation and force analysis on retaining structure of an openexcavated subway station by monitoring and numerical simulation［J］.JournalofBeijingUniversityof Technology，2013，209（6）：875-880.

［14］郭楠.蘭州地鐵車站某深基坑樁撐支護結構施工監測與數值模擬分析［D］.蘭州：蘭州理工大學，2014.

［15］朱彥鵬，楊校輝，周勇，等.蘭州地鐵車站深基坑支護選型分析與數值模擬研究［J］.水利與建筑工程學報，2016，14（1）：55-59.

ZHU Y P，YANG X H，ZHOU Y，et al.Deep foundation pit retaining structure selection in Lanzhou metro station and its numerical simulation［J］.Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2016，14（1）：55-59.

本文編輯：苗變

Influence of Steel Supports on Deformation of Foundation Pit：a Case of No.2 Subway Line in Wuhan

DAI Xiang，ZHOU Chunmei*
School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

Taking entrance foundation pit of Panlongcheng station of airport section in line 2 Wuhan Metro System as a case，we employed the horizontal displacement monitoring and data collection method to analyze the depth-displacement curves of the steel supporting and retaining pile and the rules of horizontal displacement of retaining pile.And then we used the finite element software PLAXIS 2D to explore variation law of the horizontal displacement and inner stress of supporting piles in the project of foundation.By comparing the data of field monitoring and simulation，the results show that the installing steel support slows down the displacement's development rate and the change of development rate is significant at the 1/3-2/3 height from the bottom of the pile，showing a bow appearance.

foundation pit；field monitoring；numerical simulation；steel support；supporting pile

TU473.2

A

10.3969/j.issn.1674?2869.2017.03.010

1674-2869（2017）03-0259-08

2016-06-20

湖北省教育廳科學技術研究項目（Q20151511）；武漢工程大學青年科學研究基金（Q201403）；武漢工程大學重點教學建設工程項目（J201403）

代祥，碩士研究生.E-mail：1197781736@qq.com

*通訊作者：周春梅，博士，副教授.E-mail：2564937223@qq.com

代祥，周春梅.鋼支撐對基坑的影響分析—以武漢地鐵2號線為例［J］.武漢工程大學學報，2017，39（3）：259-266. DAI X，ZHOU C M.Influence of steel supports on deformation of foundation pit：a case of No.2 subway line in Wuhan［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（3）：259-266.