深基坑鋼支撐預加力對圍護墻變形影響

曹雪山，額力素*，曹懷玉

(1.河海大學 道路與鐵道研究所，江蘇 南京 210098；2. 河海大學 環境學院，江蘇 南京 100084)

隨著地鐵建設的快速發展，基坑開挖所引起的變形問題愈發引起工程界的關注。由于城市內復雜的周邊環境對基坑變形要求嚴格，基坑開挖設計必須從傳統的強度控制設計向以位移控制設計方向轉變，這就要求對現有工程技術措施展開更為深入的研究[1]。

鋼支撐預加力技術對基坑變形具有重要影響。Terzaghi[2]在研究基坑工程中的巖土工程問題時提出了預估開挖穩定程度和支撐荷載大小的總應力法。Mana和Clough[3]利用有限元方法，分析了支撐預加力對支護結構變形的影響，指出在支撐兩端施加預力可以有效地減少基坑支護結構變形。Clough和Tsui[4]通過有限元研究了支撐預加力數值、墻體剛度、開挖深度等因素對圍護墻性能的影響，發現當預加力為 0.2～0.4 倍的靜土壓力時，圍護墻位移量可比無預加力時減小 50%以上，由此提出合理選擇參數，可以顯著地減少墻體位移和周圍土體的沉降。洪德海[5]分析了預加力的作用和工程實際中圍護墻變形過大的原因，并通過實例分析證明了施加合適的預加力，可有效減少圍護墻變形。曹雪山等[6]認為土體變形過大后會導致土體強度參數減小。

鋼支撐預加力不足的現象很普遍。《上海市基坑工程設計規程》(DG/TJ08—61—2010)[7]規定，鋼支撐預加力控制值應為支撐軸力設計值的50%～80%；并強調預加力可檢驗支撐連接結點的可靠性。《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)[8]規定鋼支撐預加力控制值取軸向壓力標準值的50%～70%。可見規程不同，對鋼支撐預加力值控制值的基準也不同。《建筑基坑工程監測技術規范》(GB 50497—2009)[9]規定一級基坑的軸力預警值取構件承載能力的60%～70%，但沒有給出構件承載能力的參考值或計算方法。《江蘇省城市軌道交通工程監測規程》(DGJ 32/J195—2015)[10]規定一級基坑的軸力控制值取支撐軸力設計值的60%～70%，并提出預警等級，黃色預警值為控制值的80%。雖然確定軸力控制值的參考標準不同，但都提出了支撐預加力值控制值的指標。與基坑的其他測項，如變形、水位等的預警理解思路相同，當軸力實測值小于軸力設計值的48%～56%是安全的，不存在危險信號。設計人員從規范出發，通常建議預加力值為低值，如取40%的支撐軸力設計值，以達到施加預加力后軸力值不大于預警值的目的。施工過程中參建各方也遵從規范和設計要求，認為軸力值宜小不能大，鋼支撐施加的預加力達不到設計建議值，仍符合規范和設計要求。這說明在工程中對鋼支撐預加力作用的認識是極其模糊的，這也是造成實際工程中鋼支撐預加力普遍不足的一個重要原因。

綜上，雖然學術界已經明確了鋼支撐預加力對基坑變形具有顯著的控制效果，但由于國家標準、規范、規程條文規定有差別，以及工程界對條文理解差異，導致預加力施加嚴重不足，進而大大削弱了鋼支撐的作用效果。為此，本文以南京某地鐵車站深基坑開挖工程為例，應用Midas GTS 軟件數值分析，進一步分析了鋼支撐預加力對圍護墻變形的影響，明確了鋼支撐預加力的意義，提出了鋼支撐軸力雙向預警、預加力比值確定方法，為類似工程提供參考。

1 工程概況及鋼支撐預加力施加意義

1.1 工程概況

某地鐵車站基坑總長179.3 m，車站中部標準段基坑寬20.9 m，深度17.908 m，支護結構采用800 mm厚地下連續墻加內支撐的結構形式，地連墻深度33.5 m，標準段共設四道支撐，第一道混凝土撐，截面尺寸為1 000×1 200 mm，間距為9 m；第二—第四道采用φ609，t=16 mm規格的鋼支撐，間距為3 m。

圖1 基坑標準段剖面圖

1.2 預加力施加的工程意義

實際預加力明顯低于設計預加力。圖2為該基坑各斷面鋼支撐預加力實測值。三層鋼支撐，每層5個共15個預加力實測數據，僅有一個實測預加力達到設計預加力。表1為實測預加力與設計預加力的百分比。表1中平均值為39%，且以小于40%居多。李書銀[11]報道了昆明地鐵4號大唐子站標準段與擴大段的鋼支撐預加力數據統計，擴大段為設計預加力的5%～69%，以小于30%的居多；標準段為22%～56%之間，其中以小于40%的居多。這說明實際預加力不足的現象已經成為工程常態。

實際預加力不足的本質是工程技術指標不達標。由現有工程技術水平較低或復雜地質條件等原因造成了鋼圍檁與圍護墻面存在不整合縫隙，例如對鼓包、凹凸不平的地連墻或樁墻平整度處理不夠，鋼支撐端部鋼板變形、扭曲等。工程施工過程中，通常對不顯著的不整合縫隙工況直接架設，否則加塞鋼楔子，填筑水泥砂漿、水泥加部分細骨料，加入適量早強劑或提高填料的強度等級，以能在較短時間內達到理想強度，達到填塞不整合縫隙的目的。但實際上效果并不理想[11]，表現為預加力損失仍顯著。

預加力的工程意義在于能克服鋼支撐理論抗壓剛度小的缺點。鋼支撐、鋼圍檁、圍護墻之間連接緊密、無間隙時，力的產生機理與混凝土支撐相同。混凝土支撐，由于截面積大，相應的理論抗壓剛度EA就大。本基坑的混凝土支撐抗壓剛度為3.78×1010N，而鋼支撐抗壓剛度為5.96×109N，前者是后者的6.34倍。設計軸力接近2 000 kN，支撐長度取基坑寬度20.9 m，則混凝土支撐軸向壓縮量為1.15 mm，而鋼支撐為7.28 mm。鋼支撐壓縮量大的根本原因是其理論抗壓剛度小。設計方案中鋼支撐的水平間距3 m，混凝土支撐間距9 m，似乎具有通過增加支撐密度彌補鋼支撐抗壓剛度不足的目的，其實還不夠。但是如果預加力達到2 000 kN，則鋼支撐無壓縮量；混凝土支撐因無法施加預加力，壓縮變形不可避免，于是預加力技術間接地增大了鋼支撐的理論抗壓剛度。

預加力技術還能提高鋼支撐的實際抗壓剛度。理論的支撐壓縮量表現為圍護墻向坑內的變形量。在實際施工過程中，洪德海[5]觀測到圍護墻變形約18～35 mm，同時發現鋼圍檁與圍護墻之間存在縫隙5 ～10 mm，認為兩者關系密切。鋼圍檁與圍護墻之間縫隙不可避免，通常加塞鋼楔子或不作處理等不規范的處理方法是造成預加力大幅度損失顯著的主要原因。規范的做法是在鋼圍檁背后適量加塞鋼板，但也不可能達到理想狀態。因此鋼支撐的實際抗壓剛度要明顯小于理論值。檢測實際預加力值是否滿足要求是評價鋼支撐架設質量的重要手段。在軸力值從無到設計值的變化過程中，低軸力值的支撐連接結點可靠性不能等同于高軸力值的可靠狀況，因此在施加預加力時，有必要檢測設計軸力值時支撐連接結點可靠性[7]。

圖2 鋼支撐預加力實測值

表1 各斷面鋼支撐預加力施加率情況(單位:%)

2 有限元數值模擬方法

2.1 模型建立

利用巖土和隧道工程有限元分析軟件Midas GTS，模擬基坑工程開挖過程，研究預加力對基坑變形的影響。模擬計算中，選取修正摩爾-庫倫模型的土體本構關系，支撐及圍護樁采用線彈性模型；計算范圍為可能影響區，即基坑周邊2.0～3.0倍開挖深度，即62 m，深度為50 m，約為開挖深度的3倍。因基坑為軸對稱的，如圖3所示為半個基坑。

圖3 模擬計算剖面有限元模型

2.2 模型參數及施工階段模擬

模型參數取自場地的地質勘察報告及施工方案，通過場地巖土勘察及現場取樣，分析室內試驗數據所得。具體巖土參數及基坑支護結構詳見表2、表3。

模型建立完成后，根據施工方案所確定的分層開挖順序進行分步模擬，主要有初始狀態的初始應力，位移歸零；接著圍護墻施工，然后分層開挖；每層土開挖后，架設圈梁或鋼圍檁和支撐，最后一層開挖后完成墊層及底板。

表2 土體物理力學參數

表3 支護結構構件計算參數

2.3 計算模型適用性驗證

圖4為基坑標準段斷面ZL03處基坑圍護墻水平位移計算值與實測值對比圖。由于圍護墻內測斜管底部未進入穩定巖土體，管口墻頂位置為鋼筋混凝土支撐，結構剛度大，變形小，可近似作為固定零位移起算點。從圖4可知，深層水平位移曲線呈現“鼓肚形”的拋物線狀，計算值與實測值總體趨勢一致，數值相當。當基坑土方開挖至基底時，深層水平位移的最大值及其位置深度的實測值與計算值對比如表4所示，最大位移偏差為6.4%，深度位置偏差為11.1%。鋼支撐軸力實測值與計算值對比如表5。鋼支撐在第二道處的支撐軸力相對誤差最小，僅有8.1%，第四道其次，第三道最大，為27.5%。

綜上，模型計算值與實測值吻合較好，驗證了計算模型及計算參數的適用性，可進一步采用本模型及參數分析鋼支撐預加力對基坑圍護墻變形、支撐軸力最終值的影響。

表4 圍護墻深層水平位移最大值的實測值與計算值比較

表5 鋼支撐軸力實測值與計算值對比

圖4 圍護墻深層水平位移計算值與實測值對比

3 預加力施加效果研究

3.1 預加力施加方案

為了能模擬分析不同預加力值對圍護墻深層水平位移、最終支撐軸力的影響，考慮鋼支撐預加力閾值的5 種工況：實際預加力值(即實測初始軸力值)，設計預加力值，規范控制低值、規范控制高值及軸力設計值等，具體計算方案如表6所示。

本基坑的鋼支撐預加力實測平均值為設計預加力值的39%，考慮文獻資料[11]以及計算方便性，實測預加力值為設計預加力值的40%；同時在本基坑的設計預加力值為設計軸力值的40%，于是實測預加力值為支撐軸力設計值的16%。如果定義預加力比值αpd為支撐軸力預加力值與設計值f之比所計算的數值，即

(1)

式中，f為支撐軸力設計值；fy為支撐軸力預加力值。于是實測預加力比值αpd為0.16。

相應地《江蘇省城市軌道交通工程監測規程》(DGJ 32/J195—2015)[10]規定一級基坑的軸力控制值取支撐軸力設計值的60%～70%，則取規范控制低值、規范控制高值時預加力比值αpd分別為0.60和0.70。

表6 鋼支撐預加力值計算方案(單位：kN)

3.2 預加力對圍護墻深層水平位移的影響

圖5為支撐軸力預加力比值αpd不同時，不同深度處圍護墻深層水平位移值。很明顯，隨著預加力比值αpd愈大，即表示預加力愈大，深層水平位移最大值愈小。

圖5 不同鋼支撐預加力比值時圍護墻水平位移

圖6展示了不同的鋼支撐預加力比值αpd時，圍護墻深層水平位移最大位移值及其位置變化趨勢。總體趨勢是預加力比值αpd與圍護墻深層水平位移最大值成很好的線性關系，其相關度R2達到0.999 8；而與最大位移發生的位置深度的線性關系明顯降低，其相關度R2達到0.864 7，這與模型驗證時最大位移值及位置的相對誤差相對應。

預加力愈大，相應的圍護墻深層水平位移最大值愈小的關系與目前文獻研究成果[3-5]相一致，再一次證明了加大鋼支撐預加力可減小基坑變形的作用。

圖6 圍護墻深層水平位移最大位移值及其位置與預加力比值αpd的關系

3.3 預加力對支撐軸力最終值的影響

圖7展示了不同的鋼支撐預加力比值αpd時，不同深度支撐的最終支撐軸力值變化趨勢。總體趨勢是隨著預加力比值αpd增大，第二、第三道支撐軸力最終值呈現線性減小趨勢，而第四道支撐軸力最終值呈現線性增大趨勢；支撐軸力最終值變化趨勢明顯小于軸力預加值變化趨勢。這與洪德海[5]關于預加力與支撐軸力最終值的影響不明顯的結論相驗證。

圖7 不同深度鋼支撐的最終支撐軸力值、預加力值與預加力比值αpd的關系

設計文件中，每道支撐的軸力設計值是不同，故定義軸力最終比值αld為支撐軸力最終值與設計值之比所計算的數值，即

(2)

式中，fl為支撐軸力最終值。αld作為支撐軸力最終相對值，避免了絕對值的差異影響。αld計算結果及其統計值如表7所示。支撐軸力最終比值αld的變化趨勢同于支撐軸力的最終值。本例中該比值αld對第二道是最大，均值達0.68；第三道最小，均值達0.33；，第四道介于中間。隨著預加力值比值αpd增大，最終軸力比值αld均值雖有增長趨勢，但基本處于平穩狀態。

表7 不同預加力比值αpd下的軸力最終值與設計值的比值αld統計表

3.4 預加力施加效果分析

鋼支撐預加力就是一開始作用在支撐內的軸力，給圍護墻提供坑內側向作用力。在基坑分層開挖過程中，坑內土壓力隨開挖深度而變化，支撐軸力、坑外土壓力、圍護墻內力等與圍護墻變形發生耦合而相互變化，因此圍護墻的平衡狀態是動態。

定義預加力貢獻度αyl為支撐軸力預加力值與最終值之比所計算的數值，即

(3)

αyl反映了支撐軸力預加力值在基坑開挖施工過程中對支撐軸力最終值貢獻度。αyl計算結果及其統計值如表8所示。當αyl小于100%表示預加力值不足，在基坑分層開挖過程中，墻體向坑內變形壓縮支撐，增補了軸力最終值的其余部分，相應地墻外土體向墻也有位移，土壓力更接近了主動土壓力值。相反，當αyl大于100%表示預加力值充足，在基坑分層開挖過程中，墻體具有向坑外變形趨勢，釋放支撐軸力，同時墻向外擠壓土體，土壓力向被動土壓力轉變。

如表8所示，當αpd為0.16時，如基坑施工中預加力現狀，預加力不足，增大圍護墻向坑內變形和地表變形值，這種現象在軟土基坑顯現更為明顯。若參建各方重視預加力，嚴格執行設計所給的預加力值，即保證了αpd為0.40時，則本例的基坑支撐軸力預加力經濟性最佳，支撐軸力平均值更接近最終值，總體上支撐軸力達到了基本穩定狀態。若αpd為0.60～0.8時，本例的第二道支撐軸力預加力更接近最終值，而平均值稍高于最終值。在預加力值取設計軸力值時，即αpd為1.00時，本例的所有支撐軸力預加力值均大大超過了最終值，所以預加力的經濟性最差。

表8 支撐預加力與最終值的比值統計分析表

4 討論

基坑工程的支撐軸力是一個特殊的測項。國內針對基坑工程設計與施工的國家規范、行業及地方規程[7-10]對支撐軸力均有控制值的規定，按照基坑工程的多數測項，如基坑周邊地表沉降、建筑沉降與水平位移、圍護墻頂水平位移、垂直位移，以及水位等，當測試值小于控制值，可以認為基坑安全可控，而大于控制值，則表示基坑安全不可控。這是工程界、學術界等共同認可的。然而，支撐軸力與這些測項不同。支撐軸力是保證圍護墻處于動態平衡狀態一個重要因素。沒有支撐軸力，圍護墻的位移將顯著增大[4]。因此片面地將支撐軸力與其他測項等同化理解是不合適的。

正確理解支撐軸力設計值、最終值及預加力值。以本文的基坑為例，盡管設計文件已經有了確定的支撐軸力設計值，但數值計算結果顯示支撐軸力設計值還不一定是軸力最終值。支撐軸力最終值還與預加力值相關。支撐軸力預加力值較小時，支撐軸力最終值變化不大，但基坑變形相對較大，這就說明預加力取小值的方法不利控制基坑變形。在城市復雜的周邊環境和地質條件下，基坑變形是工程界關注的焦點，預加力取大值不僅有利于控制基坑變形，減小周邊環境的風險，而且在下一層開挖前，利用較高的預加力檢驗支撐連接結點的可靠性[7]，可增加支撐運營的安全性。

正確理解支撐軸力控制值的含義，合理確定軸力預警值。例如《江蘇省城市軌道交通工程監測規程》(DGJ 32/J195—2015)[10]規定一級基坑的軸力控制值取支撐軸力設計值的60%～70%，并提出預警等級，預警值為控制值的80%。本文認為規范給定的控制值范圍是工程設計與施工中應保證支撐軸力實測值的理想范圍，相應地預警值范圍也分0～60%和70%～100%的兩個區間。低值區間的預警值可取支撐軸力設計值的48%，支撐軸力最小值為0，即支撐完全沒有作用；高值區間的預警值為支撐軸力設計值的80%(即70%+10%)，支撐軸力最大值為軸力設計值的100%，超出軸力設計值應由設計人復算。低值預警要求支撐軸力不能過小，避免鋼支撐作用效果不明顯，對基坑變形控制不利，同時還應避免出現因軸力不足鋼支撐掉落事故發生。至于高值預警，本例的鋼支撐軸力設計值最大為2 101 kN，小于《鋼結構設計規范》(GB 50017—2017)[12]計算鋼支撐承載力值Nmax為3 629 kN的80%，不存在鋼支撐失穩風險。

合理的鋼支撐預加力值的確定具有重要的工程意義。根據本文及文獻[3-5,11]模擬計算結果，適當放大預加力值，可減小圍護墻深層水平位移，同時結合鋼支撐預加力施加過程中損失現象以及本文提出的高、低預警范圍，建議預加力目標值為控制低值，即軸力設計值的60%，實際預加力值不低于48%，即不出現黃色低值預警；如果對于軟土地基基坑工程，變形可能較大，預加力值目標值為控制高值，即軸力設計值的70%，實際預加值仍取不低于軸力設計值的48%。

5 結論

1)對于存在的鋼支撐預加力不足現象，客觀上是現有工程技術水平較低，主觀上是工程技術人員未能正確理解軸力測項含義，將軸力測項與變形、水位等指標等同化，形成了支撐軸力越小就越安全的錯誤觀念，忽視了預加力作為主動控制基坑變形的作用。

2)鋼支撐預加力不僅是克服鋼支撐理論抗壓剛度小的有效方法，而且是驗證鋼支撐架設質量，提高鋼支撐的實際抗壓剛度的手段。

3)以鋼支撐軸力設計值為參考，預加力比值與圍護墻深層水平位移最大值具有負線性關系，但對軸力最終值的影響不顯著；從施加的預加力效果看，預加力比值為40%時，經濟性最佳。

4)針對支撐軸力監測項目的特殊性，提出了低、高雙向預警和對應的預加力取值的方法。