鋼支撐滯后架設對基坑變形的影響分析

周 鵬,劉金龍,,姚 軍,祝 磊

(1.安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001；2.合肥學院 城市建設與交通學院,安徽 合肥 230022)

地鐵車站基坑工程對周邊環境的影響較大，一般采用內撐式基坑支護體系。嚴格進行設計、規范化和系統化的施工，避免對周圍環境帶來不利影響是很必要的。

但在實際工程中由于各工種組織不協調導致超挖，未能按照在設計位置架設鋼支撐或由于地質條件的復雜性，不得不滯后架設鋼支撐。地鐵車站基坑工程場地較大，鋼支撐滯后架設的現象屢見不鮮。胡之峰等[3,4]通過有限元數值模擬系統分析不同鋼支撐滯后架設程度對基坑變形和鋼支撐軸力的影響，提出影響規律：鋼支撐滯后架設會致使基坑變形急劇增大，隨著滯后程度的增加，影響幅度愈加明顯；且第2、3道支撐均滯后架設的影響程度要大于分別出現滯后影響之和，鋼支撐滯后架設主要對與之相鄰的上道支撐軸力產生影響。羅陽洋等[5]結合杭州某地鐵車站基坑開挖工程通過有限元數值模擬分析超挖工況對地下連續墻水平變形的影響，結果表明超挖使地下連續墻水平變形增加50%，研究表示坑底加固可以減小鋼支撐滯后架設的影響。可見鋼支撐滯后架設對于基坑支護結構具有較大的影響。

本文通過Plaxis2D有限元軟件進行數值模擬，研究合肥地區鋼支撐滯后架設對基坑變形的影響及變形規律。

1 有限元模型建立

合肥市某地鐵車站基坑支護工程，標準段基坑深14.5 m，基坑寬20 m。車站基坑距離周邊建筑物較遠，上方無管線，基坑主體主要處于黏土層，且具有弱膨脹趨勢，施工期間若發生事故，易引發嚴重后果，造成巨大損失。

該基坑工程主體結構采用明挖順作法施工，圍護體系采取鉆孔灌注樁+內支撐的支護形式，圍護樁采用C30混凝土，樁長21.5，埋土深度為7 m，樁間距1.2 m，樁徑0.8 m，樁間采用不小于100 mm厚掛網噴射混凝土。內支撐豎向架設三道鋼支撐，三道鋼支撐分別架設于距離地面1.1 m、4.38 m、9.54 m的位置。鋼支撐采用 609，τ=16 mm的鋼管支撐，采用點對點錨桿單元模擬，EA=6.14×106kN·m。第一、二道鋼支撐間距為4 m；第三道鋼支撐間距為3 m。基坑支護示意圖如圖1所示。

圖1 鋼支撐滯后架設的基坑支護示意圖

依托該內撐式基坑支護工程為背景，現通過有限元軟件建立數值計算模型。土層采用土體硬化小應變本構模型，該本構模型可以較好地模擬土體的回彈特性，其物理力學參數如表1所示，坑邊延伸距離取60 m，建模深度為60 m。考慮到合肥地區土質排水性能良好，故建模中不考慮地下水滲流影響。圍護結構由鉆孔灌注樁等效為地下連續墻，采用板單元模擬，其物理力學參數如表2所示。鋼支撐采用點對點錨桿單元模擬，可以在分階段施工時模擬鋼支撐施加預應力的工況，其物理力學參數如表3所示。有限元模型的網格劃分如圖2所示。

表1 土體小應變硬化本構模型土層物理力學參數

表2 等效地下連續墻材料物理參數

圖2 有限元網格劃分圖

2 鋼支撐滯后架設對基坑變形的影響

以超挖深度h反映鋼支撐架設的滯后程度，對第2、3道鋼支撐進行滯后程度調整(h2=h3=1 m、2 m、3 m)。就第2、3道鋼支撐同時出現不同程度的滯后架設對基坑變形影響規律進行系統分析。

鋼支撐滯后架設屬于施工方面的問題，必然會對整個基坑開挖過程產生不利影響。為探究鋼支撐架設對基坑開挖過程中對基坑變形產生的影響及變形規律，現將對比分析各施工階段中，不同支撐滯后程度對基坑變形的影響。各施工階段見表3。

表3 分階段施工步驟

2.1 對水平變形的影響分析

2.1.1 對圍護結構水平位移的影響分析

圖3給出了滯后2 m時的各施工階段圍護結構水平變形曲線圖，可以看出鋼支撐發生滯后架設會導致開挖三階段的圍護結構水平變形發生急劇變化，而在開挖最終階段的變化時極小的。表明鋼支撐滯后架設在施工中間階段影響較為顯著。

圖4給出了第2、3道鋼支撐同時出現不同程度滯后架設，基坑開挖的圍護結構水平位移曲線圖。由于第一道內撐的作用，圍護結構的水平變形曲線圖總是“鼓狀”型。開挖最終階段，正常架設時的圍護結構最大水平變形值為24.1 mm。隨著滯后程度的增加，圍護結構水平變形最大值分別同比增長6.3%、10.4%、21.0%。表明圍護結構水平變形隨著滯后程度的增加呈指數型增長。隨著鋼支撐架設滯后程度的增加，發生圍護結構最大水平變形的位置會隨之上移。

圖3 滯后2 m的各階段圍護結構水平位移曲線

圖4 不同程度滯后架設的圍護結構水平位移曲線

圖5給出了各施工階段鋼支撐不同滯后程度的圍護結構水平變形最大值的變化趨勢圖。顯而易見，在開挖中間階段隨著滯后程度的增加，圍護結構的水平變形顯著增大；在開挖最終階段，鋼支撐滯后架設對圍護結構水平變形的影響較小，且圍護結構水平變形最大值位置呈上升趨勢。

圖5 各階段圍護結構水平變形最大值

2.1.2 對土體水平變形的影響分析

圖6給出了不同滯后程度下土體水平位移的等值線分布情況。隨著滯后程度的增加，土體水平位移也有上升趨勢，表明土體水平位移與鋼支撐架設滯后程度成正相關。h2=h3=0 m時，土體水平位移最大值為19.31 mm；h2=h3=3 m時，土體水平位移最大值為23.79。同比增長了23.2%。

圖6 土體水平位移等值線分布圖

圖7 滯后程度對土體水平位移最大值的影響

圖7給出了不同滯后程度的土體水平位移等值線變化趨勢，土體水平位移均指向開挖面。隨著滯后程度的增加，水平位移的最大值隨之增加。滯后程度越大，對土體水平位移的影響幅度越大。

2.2 對地表周邊土體沉降的影響分析

圖8給出了鋼支撐滯后架設2 m的各施工階段的地表沉降曲線圖。鋼支撐滯后架設并不會改變地表沉降變形趨勢，仍保持為“凹槽型”曲線。在開挖三階段，地表沉降出現急劇變化；在開挖最終階段時的變化較為緩慢。表明鋼支撐滯后架設對于地表沉降的影響在施工中間階段較為顯著。

圖9給出了第2、3道鋼支撐均出現不同程度滯后架設，基坑開挖的地表沉降曲線圖。由于第一道鋼支撐已經架設完成，圍護結構頂部收到約束，所以無論鋼支撐是否滯后，地表沉降趨勢都表現為“凹槽型”性狀。開挖最終階段，正常架設時的地表沉降最大值為11.8 mm。隨著滯后程度的增加，地表沉降最大值分別同比增長1.7%、18.7%、51.7%。

圖8 滯后2 m的各階段地表沉降曲線圖

圖9 不同滯后程度的最終地表沉降曲線圖

圖10給出了各工況中內支撐架設滯后程度對地表沉降最大值的影響趨勢曲線圖。可以看出，工況二和工況三施工階段，隨著滯后程度的增加，地表沉降最大值增長得越快；而在工況四階段，地表沉降最大值隨滯后程度變化的曲線相對緩慢。由此可見，內支撐架設滯后在施工中間階段的影響更大；而在開挖最終階段，雖然內支撐架設滯后對地表沉降有影響，但是相對較小。

圖10 不同支撐滯后程度地表沉降最大值

2.3 對坑底隆起的影響分析

從圖11可以看出，工況二開挖至距地面1.6 m處時，正常架設時的隆起最大值為16.6 mm。隨著滯后程度的增加，坑底隆起最大值分別為23.4 mm、30.4 mm、37.7 mm。工況三開挖至距地面4.88 m處時，正常架設時的隆起最大值為49.9 mm。隨著滯后程度的增加，坑底隆起最大值分別為55.1 mm、59.5 mm、63.1 mm。工況四開挖至距地面10.04 m時，無論鋼支撐滯后程度如何，隆起最大值均為66 mm。由此可見，隨著第2、3道鋼支撐滯后架設程度的增加，基坑開挖中間階段各工況的坑底隆起峰值都隨之上升，且滯后程度越高，影響幅度越大(非線性關系)。但在開挖最終時的累計坑底隆起值是不變的，說明坑底隆起的最終值不受鋼支撐滯后架設影響，影響只存在于開挖中間階段。

圖11 不同滯后程度坑底隆起最大值變化曲線圖

3 結 論

(1)鋼支撐滯后架設會致使圍護結構水平變形和土體水平變形增大，且隨滯后架設程度增加，其對圍護結構水平變形和土體水平變形影響愈大。在基坑開挖中間階段，滯后架設對圍護結構水平變形和土體水平變形的影響較大；而在基坑開挖最終階段，圍護結構水平變形和土體水平變形受其影響影響很小。圍護結構水平變形最大值位置會隨支撐架設滯后程度增大而上移。

(2)支撐滯后架設會使坑底隆起值增大。基坑開挖中間階段，坑底隆起值與滯后程度成正相關關系；在開挖最終階段，滯后架設對坑底隆起變形幾乎沒有影響。

(3)基坑鋼支撐滯后架設會致使土體的地表沉降增加。隨著支撐架設滯后程度的增加，土體地表沉降成正相關增加，在開挖中間階段影響幅度尤為明顯。