地鐵基坑地下連續墻及鋼支撐支護結構性能研究

中交第三航務工程局有限公司，上海 200940

臨近城市中心區域的地鐵基坑施工開挖一般會引起地表沉降，隨即引發市政管線開裂泄漏、市政道路開裂與沉陷、建筑結構開裂傾斜，甚至建筑物倒塌等工程事故。

深基坑支護系統包括兩部分：圍護結構和支撐結構。圍護結構承受坑外土體的側壓力、基坑外地表超載作用，以及其他附加壓力等作用并阻擋孔隙水，考慮到不同地區的地質條件、水文條件，基坑的支護體系及其變形效應也不同，因而采取有效的支護體系對基坑工程變形控制與安全至關重要[1-2]。

在開挖實踐過程中，給支撐施加預加軸力，能消除支撐與圍護結構間隙，防止支撐脫落，并且限制圍護結構水平向位移，減小結構變形，保障周邊管線與基坑安全。

針對基坑支護結構性能，許多學者開展了相關理論與實踐方面的研究，提出了多種支護結構的計算理論與設計方法，如平面彈性地基梁法、經典的極限平衡法和數值分析法[3-5]。支護結構計算方法中應用最廣泛的是平面彈性地基梁法，基床系數采用“m”法計算，該方法的關鍵是m的取值。

經典的土壓力理論為極限平衡法的基礎，近年來也取得了較大的發展，近幾年實踐及理論的發展促進了數值分析法的迅猛發展，該方法可以考慮支護結構和土體的共同作用[6]。

王洪新等[7]研究分析了基坑寬度對土壓力的影響，并修正了土壓力值，在桿系有限元法的基礎上研究了基坑支護結構計算方法，對桿系有限元法進行了改進。陸新征等[8]以某深基坑工程為實例，建立了三維有限元模型，研究了不同的開挖及基坑降水方案對支護結構變形的影響，認為基坑開挖過程安全與否的重點是考慮支護結構與周圍土體能否有效地協調作用。應宏偉等[9]以杭州某大型基坑為實例，進行了現場監測，分析實測數據，得到基坑周邊的三維空間效應與基坑開挖方案有關。李忠超等[10]利用有限元軟件PLAXIS 2D研究了兩種計算方法傳統經驗公式法與有限元強度折減法的基坑穩定性安全系數，當參數選取不排水抗剪強度指標時，兩種計算方法得到的穩定性安全系數均接近1，當參數選取C值、φ值時，兩種計算方法得到的穩定性安全系數均小于1。

文章以杭州地鐵某基坑工程為例，基于地鐵基坑圍護結構變形控制原則，構件考慮鋼支撐剛度與預加軸力的地鐵基坑支護結構有限元模型，研究鋼管內支撐、地下連續墻等支護的結構性能，并探討相關性能對周邊既有結構變形的影響。

1 工程概況

杭州地鐵10號線汽車北站基坑工程位于杭州市拱墅區花園崗街與莫干山路交叉口南側，總長526m，標準段寬為21.7m，采用雙柱三跨（局部三柱四跨）鋼筋混凝土箱型框架結構，采用全包防水結構。車站標準段基坑施工方法采用半蓋挖法，圍護地下連續墻厚度為1000mm，墻體進入基坑底23～24m，總長41m。坑內外均從地面至坑底以下7.75m深度范圍采用Φ850@600mm三軸攪拌樁加固地連墻成槽槽壁。沿基坑深度方向布設5道內支撐，第1道支撐為鋼筋混凝土結構，截面尺寸為800mm×1000mm@4000mm，其他4道支撐為鋼管內支撐，尺寸為Φ609mm/Φ800mm（t=16mm）@6000mm，且在施工中施加預應力，并采用軸力自動補償的伺服系統。

根據工程地質勘察報告及室內試驗，北站場地地貌類型為杭嘉湖沖湖積平原，地勢較低，地形開闊平坦，基坑施工影響深度范圍內主要地層依次為填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土等。結合縱斷面圖，基坑開挖涉及的各土層水平向地層分布相對較為平穩，開挖深度范圍內巖土施工等級為Ⅱ級普通土。開挖施工深度影響范圍內土層參數具體如表1所示。

表1 基坑深度土層參數

2 數值模型及參數

2.1 數值模型簡化

杭州地鐵10號線一期工程線汽車北站站基坑開挖深度最深處約為17.5m，實例選取南側部分深基坑，利用有限元軟件建立三維模型，對基坑開挖施工過程進行模擬分析。在建立有限元數值分析模型時，為減小地鐵基坑開挖邊界條件的影響，模型尺寸取值約為基坑尺寸的2～3倍，整體模型尺寸（長度×寬度×深度）取120m×100m×60m，基坑施工階段模擬中，土體本構模型采用德魯克普拉格硬化本構分析模型。圍護結構構件參數如表2所示。

表2 圍護結構構件參數

2.2 模型參數確定

根據工程地質勘察報告，基坑深度范圍內的土層參數見表1，梁構件、鋼支撐、地下連續墻等圍護結構構件參數如表2所示。計算模型中關于本構關系參數取值，首先通過室內試驗研究得到摩爾庫倫參數C值與φ值，如表1所示。

在三維結構分析中，德魯克普拉格本構模型參數與摩爾庫倫本構模型參數間存在如下關系：

上述關系式中，參數取值一般為0.778≤k≤1，即φ≤22°；當φ≥22°時，取k=0.778。根據上述關系公式，得到德魯克普拉格本構模型參數σc、β和k，具體參數取值如表3所示。

表3 線性D-P硬化模型參數

3 地下連續墻支護結構性能探討

3.1 數值模型分析驗證

通過分析對比數值計算與實測的地下連續墻水平位移與地表沉降變形，分析判別模型計算值的可靠性。如圖1所示的數值計算與實測的地下連續墻水平位移曲線說明土體本構模型能較好地預測地下連續墻的水平位移。

圖1 數值計算與實測的地下連續墻水平位移與深度關系曲線

基坑開挖至第3步時沉降量比較如圖2所示，計算值與實測值相近，在誤差允許范圍內，模擬計算結果滿足精度要求，驗證了數值模型計算結果可行。

圖2 第3步開挖后數值計算與實測的周邊地面累計沉降曲線

實測值與計算值對比表明，模型所采用的參數及簡化合理，采用德魯克普拉格硬化模型可以合理模擬分析地鐵基坑圍護結構性能。

3.2 地下連續墻與鋼支撐的性能

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012），圍護結構內支撐預加軸力取值可以為0.5～0.8倍內支撐軸力設計值，對于該工程實例，研究鋼支撐不同預加軸力（內支撐設計軸力的50%、60%、70%和80%）水平下支護結構變形控制效果，以便確定最優預加軸力。

不同預加軸力坑外地表沉降變形如圖3所示。由圖3可知，距坑邊超過10m，坑外沉降隨著距離的增大而逐漸減小。參照無預加軸力情況，預加軸力時坑外沉降比無預加軸力時的坑外沉降平均減小了1～2mm，地表沉降隨預加軸力水平的提高而減小，與50%的效果相比，60%、70%和80%的影響稍強，綜合來看預加軸力水平為70%時，施工更經濟且更高效。

圖3 不同預加軸力坑外地表沉降變形

不同預加軸力下地下連續墻變形特性如圖4所示。由圖4可知，地下連續墻變形隨預加軸力水平的提高而減小，地下連續墻變形隨著墻體入土深度的增大而逐漸增大，增至最大值后逐漸減小，當墻體深度達到約40m處時，五曲線合一。說明2倍開挖深度內，預加軸力可以有效約束地下連續墻變形；超過2倍開挖深度時，支撐預加軸力對墻體的變形無約束效果。總體而言，地下連續墻變形隨預加軸力的提高而變小，預加軸力水平較高時，提高預加軸力水平不能明顯減小墻體變形。考慮到經濟因素、預加軸力與結構變形關系，預加軸力水平為70%時，施工經濟且高效。

圖4 不同預加軸力下地下連續墻變形特性

4 結論

文章以杭州地鐵10號線汽車北站站基坑工程為背景，構建有限元軟件分析模型，探討了不同鋼支撐預加軸力水平下基坑支護結構變形特性，得出以下結論：

（1）數值模型采用德魯克普拉格硬化模型合理預測地鐵基坑圍護結構變形，數值計算結果滿足精度要求，數值模型計算結果可信可靠。

（2）地表沉降變形隨鋼支撐預加軸力水平的提高而變小，相對50%預加軸力水平的效果而言，預加軸力水平為60%、70%和80%時的影響效果稍強，綜合來看預加軸力水平為70%時，施工更經濟且更高效。

（3）地下連續墻變形隨鋼支撐預加軸力水平的提高而減小，綜合考慮經濟因素、預加軸力與墻體結構變形關系，預加軸力水平為70%時，施工更經濟且更高效。