預加鋼支撐軸力及其剛度對地鐵基坑圍護結構變形影響

蔡坤坤

（中交第三航務工程局有限公司，上海 200940 ）

0 前言

近年來城市基建的快速發展，軌道交通迎來建設高峰，地鐵基坑臨近城市中心區域，基坑開挖致使地層損失與應力釋放，進而引起大范圍的地表沉降，沉降變形隨即引發市政管線開裂泄漏、市政道路開裂沉陷、建筑傾斜、結構開裂甚至建筑物倒塌等工程事故。在基坑開挖過程中，預加鋼管內支撐軸力，避免支撐滑落，約束基坑圍護結構水平向變形，減小圍護結構變形、降低對周邊既有結構的影響，保障基坑工程安全。深基坑支護結構包括兩部分：支撐和圍護結構，圍護結構承受基坑外土體的側壓力、地表超載作用其它附加壓力等作用并阻隔孔隙水，考慮到不同地區地質條件、水文條件，基坑圍護體系及其變形效應也不同，科學合理的支護體系對基坑工程安全至關重要[1,2]。針對深基坑支護變形性能，許多學者開展了相關理論與實踐方面的研究工作，徐中華等[3]對大量基坑支護結構實測數據進行系統對比分析，研究得到了基坑開挖施工條件下地下連續墻支護結構水平變形與深度的相關關系，發現基坑底部附近區域處水平變形最大；姜忻良等[4]模擬土體時，使用彈簧單元代替實體單元，建立了支護結構為地下連續墻基坑圍護開挖模型，研究分析圍護墻體內力、變形和內支撐軸力，分析發現理論分析數據與現場實測數據基本一致。吳劍峰[5]建立了平面樁撐支護結構的數值分析模型，系統研究了施工工況下排樁內力與變形特性及分布規律，研究發現支護排樁結構變形和內力在開挖面附近達到最大。

本文以杭州地鐵某基坑工程為例，考慮鋼支撐剛度與預加軸力的影響，建立地鐵基坑圍護結構分析計算模型；研究了不同剛度鋼管內支撐預加不同軸力對地鐵基坑圍護結構變形、周邊地表沉降和地下連續墻水平變形等影響的變化規律；結合工程實測數據，探討了預加鋼管內支撐軸力及其剛度對基坑支護結構變形控制機理。

1 工程背景

1.1 工程概況

杭州地鐵10 號線汽車北站站基坑工程，位于杭州市拱墅區花園崗街與莫干山路交叉口南側，采用雙柱三跨、局部三柱四跨，鋼筋混凝土箱型框架結構，總長度、標準段寬度分別為526m、21.7m，采用全包防水結構。汽車北站站平面示意圖1，車站標準段基坑施工方法采用半蓋挖法，厚度為1000 mm 圍護地下連續墻，墻體進入基坑底23～24m，總長41m；采用φ850@600 三軸攪拌樁加固地連墻成槽槽壁，坑內外加固深度范圍為從地面至坑底以下7.75m；布設五道內支撐沿基坑深度方向，第一道支撐為的鋼筋混凝土結構，截面尺寸為800 mm×1 000 mm@4000 mm，其它四道支撐為鋼管內支撐，尺寸為Φ609/Φ800（t=16 mm）@6000 mm，在施工中采用軸力自動補償的伺服系統施加預應力。

圖1 汽車北站站平面示意圖

圖2 剖面B-B 示意圖

1.2 工程地質條件

根據地質勘察報告及室內試驗，汽車北站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。汽車北站基坑施工開挖探度影響范圍內土層參數具體見表1。

表1 基坑深度土層參數

2 有限元數值模擬

2.1 計算模型簡化

杭州地鐵10 號線一期工程汽車北站站基坑施工開挖深度最深處約為17.5m，本文計算選取南側部分深基坑，利用通用有限元軟件建立了三維結構分析模型，對開挖施工進行了模擬分析。在建立數值分析模型中，為減小地鐵基坑開挖邊界條件的影響，三維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120 m×100 m×60 m，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，根據工程地質勘察報告以及實際情況，土體參數取值如表1。基坑圍護結構，如地墻、鋼支撐等構件參數取值如表2，南側基坑圍護結構如鋼支撐、地墻模型如圖3 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。

圖3 地下連續墻及支撐模型

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存在如下關系：上述關系式中，參數取值一般如，0.778≦k≦1.0，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。

2.2 基本開挖施工過程模擬分析

在數值分析模型中，通過激活和鈍化凍結網格組單元、荷載邊界條件、結構對象類組等來實現施工中土體開挖、圍護結構布設等施工工況模擬。施工階段工況劃分如表4 所示。

表2 圍護結構構件參數

表3 線性D-P 硬化模型參數

表4 基坑施工階段

2.3 數值模型驗證

地鐵基坑開挖過程中，開挖卸荷誘導地下連續墻向坑內變形，進而引起對坑外地表沉降及臨近結構變形，通過對比分析數值計算與實測地鐵基坑地墻水平的變形、坑外地表沉降，研究驗證數值計算精度及其可靠性。圖4 中坐標系位移正負方向規定：豎向沉降向上為正，水平位移以基坑方向為正。

圖4 地下連續墻水平位移與深度曲線

圖5 第4 步開挖后周邊地面累計沉降隨坑外距離的變化曲線

由如圖4、圖5 可知，地鐵基坑地墻水平變形的實測值與計算值變化規律吻合、坑外地表沉降的實測值與計算值變化規律吻合，由此表明根據本實例土體本構模型計算得到的數值結果與實測值規律相一致。圖5 為第四步基坑開挖工況，結果表明在距離邊緣0～10 m 范圍時，地表沉降隨距離增大而增大，10 m 左右沉降達到最大，隨后沉降隨距離增大而不斷減小。由以上綜合分析得到，采用D-P 硬化模型可以合理反映地鐵基坑圍護結構實際位移，數值計算結果滿足精度要求，該數值模擬方法可行可靠。

3 鋼支撐與地鐵圍護結構變形特性

3.1 鋼管內支撐剛度的影響

基坑支護結構剛度越大，地下連續墻變形越小，本文結合工程實例分析不同直徑和壁厚、即不同剛度鋼管支撐布設下基坑圍護結構地墻水平變形與坑外地表沉降變形特性，研究得到變形與深度關系曲線、沉降與坑外距離曲線分析結果如圖6～圖7。

圖6 不同壁厚鋼管支撐時地下連續墻的水平變形與坑外地表沉降特性

圖7 不同鋼管直徑支撐時地下連續墻的水平變形與坑外地表沉降特性

由圖6～圖7 可知，隨著壁厚增厚，地下連續墻水平位移逐漸減小，一定程度抑制墻體變形，過厚對抑制墻體變形增長不明顯；同時地表沉降隨著壁厚增大而較小，在基坑邊緣10 m 處地表沉降達到最大；地下連續墻水平位移隨著鋼支撐直徑增大而逐漸較小，一定程度抑制地下連續墻變形；顯著增加鋼支撐直徑對減小地表沉降變形的作用不顯著。

由圖可知，地下連續墻水平位移和地表變形均隨著支撐剛度的增大而減小，當鋼管外徑為600～630 mm、鋼管壁厚為14～16 mm 范圍變化時，地墻水平變形與地表沉降隨鋼管直徑與壁厚增而減小顯著；直徑大于800、壁厚大于16，變形減小的效果不顯著。對于嚴格變形控制的工程可以優先剛度大的鋼支撐，結合本基坑工程，鋼管直徑為609 mm、壁厚為16 mm 和鋼管直徑為800、壁厚為16 mm 的鋼支撐有利于本工程的變形控制。

3.2 預加鋼支撐軸力下圍護結構變形特性

不當施加支撐預加力均會影響周邊建筑結構、管線與基坑安全，適度預加鋼支撐軸力可以減小圍護結構變形，降低基坑開挖對周邊管線及建筑結構的影響，結合工程實踐分析研究不同水平預加鋼支撐軸力下圍護結構的變形規律；以鋼支撐設計軸力為基準，分析不同預加水平，如預加水平為軸力設計值的0%、40%、80%、120%、160% 等水平下結構變形變化規律。

圖8 不同預加軸力下地下連續墻的水平變形特性

圖8 為不同預加軸力水平下的地下連續墻水平變形與深度的關系曲線。由圖可知，墻體頂部及坑底水平變形相對較小，在提高預加軸力水平的過程中，墻體水平變形隨軸力水平的增大而不斷減小。當支撐預加軸力水平在0%～120%之間變化時，墻體水平變形隨預加軸力水平的增大而明顯減小。

圖9 不同預加軸力水平下坑外地表沉降變形特性

圖9 為不同預加軸力水平下坑外地表沉降變形關系曲線。由圖可知，地表沉降隨著預加支撐軸力水平增大而減小，地表沉降距離基坑邊緣10m左右達到最大。

由以上分析得到，提高支撐預加軸力可以有效地減少地下連續墻變形與坑外地表沉降。當支撐預加軸力水平在0%～120%之間變化時，墻體水平變形與坑外地表沉降隨預加軸力水平的增大而明顯減小，超過120% 時減小效果不明顯。結合北站工程實際情況，在基坑分階段開挖時，鋼支撐預加軸力水平建議控制在設計值的40%～120%，該范圍內可有效控制基坑變形，保障周邊管線、地下既有結構、建筑結構及基坑工程安全。

4 結論

以杭州地鐵汽車北站站基坑工程為背景，建立三維結構數值分析模型，研究了不同鋼內支撐剛度、不同軸力預加條件下基坑圍護結構變形特性，得出以下結論：

1) 本實例工程，采用德魯克普拉格硬化模型能夠合理分析地鐵基坑圍護結構變形，數值計算結果滿足精度要求，模型計算結構可靠。

2) 增大鋼支撐剛度，可較小基坑支護結構變形，過度增加支撐剛度，對減小圍護結構變形不明顯，對于本基坑工程而言，直徑為609 mm、壁厚為16 mm 鋼管撐和直徑為800、壁厚為16 mm 鋼管撐有利于本工程的變形控制。。

3)提高支撐預加軸力可以有效地減少坑外地表沉降與地下連續墻變形。當支撐預加軸力水平在0%～120%之間變化時，墻體水平變形與坑外地表沉降隨預加軸力水平的增大而明顯減小，超過120% 時減小效果不明顯。