地鐵車站深基坑支撐下方中立柱設(shè)置優(yōu)化研究

周群立 王 斌 孫宏斌

(1. 合肥城市軌道交通有限公司，230001，合肥；2. 安徽省綜合交通研究院股份有限公司，230001，合肥//第一作者，高級工程師)

地鐵明挖基坑主要采用排樁或地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式。當(dāng)支撐長度超過20 m時，在支撐下設(shè)置格構(gòu)式臨時立柱，作為豎向支撐，用以減小支撐計(jì)算長度，提高支撐穩(wěn)定性。在基坑開挖過程中，坑底回彈會帶動立柱樁和立柱發(fā)生向上隆起，因此:當(dāng)立柱與圍護(hù)樁(墻)之間存在差異沉降時，支撐會產(chǎn)生附加內(nèi)力；當(dāng)附加內(nèi)力累計(jì)到一定程度時，支撐會失穩(wěn)或被破壞，嚴(yán)重影響基坑安全。文獻(xiàn)[1-2]研究了立柱豎向位移對支撐穩(wěn)定性的影響。

本文根據(jù)某地鐵車站基坑開挖過程中立柱和圍護(hù)樁的豎向位移實(shí)測數(shù)據(jù)，分析中立柱隆起對支撐體系的影響，研究地鐵基坑工程中取消中立柱情況下增大支撐承載力或減小支撐內(nèi)力的措施。

1 工程概況

1. 1 基坑工程概況

合肥市軌道交通5號線云谷路站主體基坑總長145.85 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.3 m，深約24.8 m；盾構(gòu)工作井寬26.0 m，深約26.0 m。基坑開挖范圍及坑底均位于硬塑狀黏土層中。地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 云谷路站主體基坑地層物理力學(xué)參數(shù)

車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1.2 m鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)體系，豎向共設(shè)5道支撐+1道換撐。其中,第1道支撐為鋼筋混凝土支撐，其余均采用外徑為609 mm、壁厚16 mm的Q235鋼管支撐。支撐設(shè)鋼格構(gòu)式臨時立柱，立柱下設(shè)φ1.2 m立柱樁兼抗拔樁，樁長20 m，樁底位于⑥全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層中。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面如圖1所示。

圖1 云谷路站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖

基坑開挖遵循“先撐后挖、分層開挖”的原則，依次開挖至各道支撐底再架設(shè)支撐直至開挖至坑底，最后澆筑底板。

1. 2 中立柱、圍護(hù)樁及支撐的豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在中立柱及支撐兩端圍護(hù)樁頂布置豎向位移監(jiān)測點(diǎn)，如圖2所示。該基坑于3月2日開始開挖，10月15日完成最后一塊底板澆筑。中立柱與圍護(hù)樁豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線如圖3～4所示。

圖2 中立柱與圍護(hù)樁豎向位移監(jiān)測點(diǎn)布置圖

圖3 中立柱豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖4 圍護(hù)樁豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線圖

由圖3～4可見，基坑開挖導(dǎo)致圍護(hù)樁及中立柱均產(chǎn)生了向上隆起位移。圍護(hù)樁隆起位移相對較小，開挖一段時間后隆起量趨于穩(wěn)定，最大隆起量為9.8 mm；中立柱隆起位移相對較大，隨著基坑開挖深度的增加，隆起量亦不斷增長，底板澆筑完成后略有回落，之后隆起放緩并逐漸趨于穩(wěn)定；LZ3測點(diǎn)最大隆起量達(dá)到了55 mm，遠(yuǎn)超過了20 mm的監(jiān)測報(bào)警值。

2 中立柱隆起對支撐的影響

2. 1 內(nèi)支撐豎向位移

混凝土支撐直接支承在中立柱上，鋼支撐通過鋼連系梁支承在中立柱上。計(jì)算分析時，可將中立柱視為內(nèi)支撐的中間支座，中立柱隆起相當(dāng)于內(nèi)支撐中部發(fā)生了位移。在研究中立柱隆起對內(nèi)支撐的影響時，應(yīng)采用中立柱圍護(hù)樁的相對位移進(jìn)行分析，在不同工況條件下，各道支撐中支座位移為各工況相對位移減去架設(shè)時的相對位移。

本文選取最具代表性的標(biāo)準(zhǔn)段LZ2中立柱進(jìn)行分析。考慮支座位移的相對性，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到在不同工況條件下各道支撐的中間支座相對圍護(hù)樁的豎向位移，如表2所示。

表2 在不同工況條件下各道支撐的中間支座相對圍護(hù)樁的豎向位移表

2. 2 混凝土支撐影響分析

由表2可見，第1道混凝土支撐對內(nèi)支撐中間支座相對位移在工況5時最大，達(dá)到37.0 mm。為研究中立柱隆起對混凝土支撐的影響，分別計(jì)算混凝土支撐兩端為固定和簡支邊界條件下，內(nèi)支撐中間支座發(fā)生37.0 mm隆起時的混凝土支撐內(nèi)力，計(jì)算簡圖見圖5。混凝土支撐截面尺寸為0.8 m×1.0 m，混凝土強(qiáng)度等級為C30，支撐截面上、下排主筋均配置8根φ25 mm HRB400級鋼筋。工況5時單根混凝土支撐軸力為400 kN。混凝土支撐受彎剛度根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.2節(jié)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖5 混凝土支撐計(jì)算簡圖

圖6 混凝土支撐彎矩圖

由圖6可見，在兩端固定或兩端簡支邊界條件下，混凝土支撐最大彎矩均發(fā)生在內(nèi)支撐中間支座位置。由彎矩計(jì)算的混凝土支撐受力狀態(tài)見表3。

表3 混凝土支撐受力計(jì)算結(jié)果

由表3可知：在兩端固定或兩端簡支邊界條件下，混凝土支撐內(nèi)鋼筋的最大應(yīng)力均小于鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360 MPa，滿足受力要求；在兩端固定時，最大裂縫寬度為0.52 mm，超過了GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4節(jié)中最大裂縫寬度限值0.3 mm；兩端簡支時最大裂縫寬度滿足規(guī)范要求。由于混凝土支撐實(shí)際邊界條件是介于兩端固定與兩端簡支之間，故混凝土支撐承載能力滿足規(guī)范要求，但最大裂縫寬度可能會超限。

2. 3 鋼支撐影響分析

鋼支撐計(jì)算長度為21.3 m，與鋼圍檁相交處可視為簡支。根據(jù)軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)，第2～5道鋼支撐單根最大軸力分別為1 810 kN、2 230 kN、1 453 kN和743 kN，綜合考慮鋼支撐軸力和表2中的相對位移值，分別選取第2、第3道鋼支撐，計(jì)算該相對位移產(chǎn)生的附加彎矩，并根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第8.2節(jié)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行偏心受壓時的鋼支撐穩(wěn)定性驗(yàn)算，得到工況5時中間支座相對圍護(hù)樁的最大豎向位移情況下鋼支撐的計(jì)算結(jié)果(見表4)。

表4 中間支座相對圍護(hù)樁最大豎向位移情況下鋼支撐計(jì)算結(jié)果

由表4可知，第2、第3道鋼支撐的中支座發(fā)生豎向位移后，經(jīng)計(jì)算鋼支撐穩(wěn)定性均小于1.0,滿足規(guī)范要求，且存在一定富余量。因本工程鋼支撐軸力實(shí)測值比理論計(jì)算值小，故穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果偏小。

3 取消中立柱對比分析

設(shè)置中立柱是為了提高支撐的豎向穩(wěn)定性，但另一方面中立柱隆起又降低了支撐穩(wěn)定性。為研究設(shè)置中立柱的利弊，針對本基坑，進(jìn)行了取消中立柱對混凝土支撐及鋼支撐的影響對比分析。

3. 1 混凝土支撐內(nèi)力及變形

混凝土支撐下設(shè)置立柱主要是為了減小由自重引起的彎矩和撓度。JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：混凝土支撐截面高度不宜小于豎向平面內(nèi)計(jì)算長度的1/20，故一般當(dāng)支撐長度大于20 m時，應(yīng)在支撐下設(shè)置立柱。

若LZ2位置處混凝土支撐下不設(shè)中立柱，計(jì)算得到本基坑混凝土支撐在兩端固定條件下的最大彎矩為836 kN·m，滿足結(jié)構(gòu)受力及最大裂縫寬度限值要求，在兩端簡支條件下混凝土支撐的最大彎矩為1 254 kN·m。因此，適當(dāng)加大混凝土支撐截面高度或下排配筋面積可滿足結(jié)構(gòu)受力要求及最大裂縫寬度限值要求。

3. 2 鋼支撐內(nèi)力及變形

若取消中立柱，經(jīng)計(jì)算，長21.3 m的鋼支撐由自重產(chǎn)生的跨中撓度為20.4 mm，彎矩為130 kN·m，鋼支撐承載力約為1 700 kN，小于第2、第3道鋼支撐軸力監(jiān)測值。可見，若取消中立柱，由于長細(xì)比增大，鋼支撐承載力降低，不能滿足該基坑的受力要求。

在取消中立柱情況下，可采取措施增大支撐承載力或減小支撐內(nèi)力，以滿足受力要求。增大支撐承載力的措施有加大鋼支撐直徑或壁厚、采用高強(qiáng)度鋼支撐、選用混凝土支撐等；減小支撐內(nèi)力的措施有減小支撐水平間距、調(diào)整支撐豎向布置等。

對于本基坑工程，若選用外徑為800 mm、壁厚16 mm的Q235鋼支撐，經(jīng)計(jì)算，長21.3 m的鋼支撐由自重產(chǎn)生的跨中撓度為13.4 mm，彎矩為172 kN·m，鋼支撐承載力約為3 250 kN，可滿足受力要求。因此，不僅可以不設(shè)中立柱及立柱樁，還可以優(yōu)化取消換撐。經(jīng)初步測算，優(yōu)化取消中立柱后基坑支護(hù)體系造價(jià)可節(jié)省約85萬元。

4 結(jié)語

本文結(jié)合某地鐵車站深基坑立柱隆起實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算分析了立柱隆起對支撐體系的影響，通過對比分析設(shè)置與取消中立柱這兩種情況，得到主要結(jié)論及建議如下：

1) 基坑開挖卸載和豎向荷載作用產(chǎn)生的中立柱豎向位移會對支撐產(chǎn)生不利影響，因此設(shè)計(jì)時應(yīng)予以考慮，必要時可采取增加立柱樁樁長或樁徑、控制豎向荷載等措施以減小中立柱豎向位移。

2) 對于地鐵車站深基坑，可通過加大支撐截面尺寸、提高支撐材料強(qiáng)度等級、調(diào)整支撐體系及調(diào)整支撐間距等措施，優(yōu)化施工方案取消中立柱。這不僅能提高施工效率，而且還可以避免因中立柱豎向位移造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。