飽和軟黃土高水位地區深基坑鋼支撐軸力監測與分析*

張亞龍，張博望，張書敏，宋奇昱

(1.中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著我國城市的快速發展，地下空間利用率大幅度提高，地下工程尤其是深基坑工程越來越普遍，其中內支撐+地下連續墻是深基坑工程常用的支護形式。地下連續墻以強度高、整體性好、止水效果好的特性，鋼支撐以安裝、拆卸靈活，可重復使用的優勢在地鐵等超深基坑支護中應用廣泛[1]。

然而深基坑工程施工存在很多問題，尤其是深厚飽和軟黃土地區開挖穩定性及變形控制問題[2-4]。黃土具有特殊的結構性和濕陷性，遇水后結構迅速破壞[5-6]，強度大幅度降低，產生較大變形。因此，飽和軟黃土地區深基坑工程施工需進行大量實踐與總結，其中，數值模擬結合現場試驗是一種有效的研究基坑工程的方法[7-8]，在基坑工程中得到了廣泛應用。

本文以西安地鐵6號線東興區間豎井深基坑為背景，運用有限元方法計算模擬了基坑開挖不同階段下支撐軸力的變化情況，并結合現場監測數據進行對比分析。

1 工程概況

東關正街站—興慶路站區間地裂縫處理段采用淺埋暗挖法施工。區間內設置施工豎井1處，結合處設置1座聯絡通道。東興區間豎井外包長26.7m，寬8.6m，采用明挖法施工，基坑施工采用地下連續墻+鋼支撐結合基坑內降水的聯合支護方案，現場支撐布置如圖1所示。豎井圍護結構采用厚1 000mm、深約44.95m的地下連續墻，基坑深30.45m，地下連續墻嵌固深度為14.5m。根據本工程地質及周邊情況，基坑豎向設置1道混凝土支撐+5道鋼支撐，第5道支撐設置倒撐(見圖2)。

圖1 現場支撐布置

圖2 鋼支撐布置

第1道支撐采用混凝土支撐，地下連續墻頂設置冠梁將所有地下連續墻連成整體。冠梁截面尺寸為800mm×1 000mm,混凝土支撐尺寸為600mm×800mm，基坑設置角撐尺寸為1 000mm×1 000mm×300mm，混凝土強度等級為C30。

第2～6道支撐采用φ609×16鋼管支撐，第5道鋼支撐設置倒撐，地下連續墻施工時在相應位置預埋鋼板，土方開挖過程中隨挖隨撐。

2 地質條件

東興區間豎井位于西安市興慶宮公園內,距興慶湖28.6m。擬建場地地形總體平坦，地面高程為411.000～409.920m，地貌單元為黃土洼。

興慶湖屬于人工湖，湖水面積約150畝(1畝≈666.667m2)，湖底為天然土，未做防滲處理，湖水平均深度為1.6m，最大深度為3m，湖底淤積層厚0.5～1.0m， 實測湖水面現標高為408.300m，湖水與地下水相互影響，蓄水50余年來湖水已造成周邊一定范圍地下水水位抬升，實測地下水位為1.0～10.5m。含水層為黃土、古土壤及粉質黏土。鉆探揭露的場地地下水屬潛水類型，潛水主要為西北流向，主要由興慶湖、大氣降水等地表水滲入及地下徑流補給，潛水排泄的主要方式為地下徑流、人工開采及蒸發消耗。

在勘探深度(地面下60.0m)內，上層的上更新統地層透水性較好，賦水性較強，層厚3.00～10.20m；下層中更新統地層層厚大于50.0m，透水性與賦水性一般。除此以外，在上更新統古土壤底還存在結核層，有較明顯的隔水作用。

3 支撐軸力監測

采用鋼筋應力計測量第1道混凝土支撐軸力，采用表面應變計監測其余5道鋼支撐軸力。鋼筋應力計和應變計的測點與圍護墻變形測點在同一斷面處，同一斷面豎向支撐均設測點，監測頻率如表1所示。

表1 監測頻率

在每道鋼支撐表面安裝表面應變計，鋼支撐因受到外力作用產生形變，形變傳遞到振弦使振弦應力發生變化，從而引起振弦的振動頻率發生變化，進而計算得到鋼支撐軸向受力。計算公式為：

F=K(fi2-f02)

(1)

式中：F為支撐軸力(kN)，計算結果精確至1kN；fi為應變計的第i次讀數(Hz)；f0為應變計的初始讀數(Hz)；K為應變計的標定系數(kN/Hz2)。

4 支撐軸力預分析

4.1 建立有限元模型

采用有限元軟件ABAQUS建立基坑三維模型，模擬開挖及支護過程。假定基坑周圍土體各向均勻且同性，為理想彈塑性材料。為簡化模擬過程，不考慮基坑施工工藝影響。

結合本工程已有的勘察資料及現場實際情況，采用Mohr-Coulomb本構模型。根據影響范圍及土質條件建立幾何模型，結合東興區間豎井深基坑周圍環境，確定最終模型尺寸為50m×26.7m×60m，共包含9 227個結點，7 328個單元，模型如圖3所示，分別約束土體前、后兩面y方向位移，左、右兩面x方向位移，底面z方向位移。各土層及支撐物理力學參數如表2所示。對該基坑開挖及支撐施作進行動態數值模擬，共設置14個分析步(見表3)。

圖3 數值模型

表2 土層及支撐物理力學參數

表3 關鍵分析步

4.2 數值模擬結果分析

本文選取每道鋼支撐中邊緣鋼支撐GZC-1和中間鋼支撐GZC-4進行分析(見圖2)。最大支撐軸力變化曲線如圖4所示。當下層鋼支撐產生作用時，上層鋼支撐的軸力增速變小，這是由于支護結構共同作用，下層鋼支撐分擔一部分上層鋼支撐的壓力。由圖4可知，第2道鋼支撐在第3道鋼支撐施加前軸力不斷增大，隨著第3道鋼支撐施工完成，第1道鋼支撐軸力增量大幅度減小，第2道鋼支撐軸力仍在增加;第3道鋼支撐軸力在第4道鋼支撐產生作用后增長幅度變緩，且GZC-4處存在突降，最后趨于平緩；第4道鋼支撐軸力在第5道鋼支撐產生作用后增長幅度減小。

圖4 數值模擬最大支撐軸力變化曲線

5 現場支撐軸力監測數據分析

監測并統計GZC-1,GZC-4現場軸力，分析其在基坑施工過程中軸力變化情況?，F場最大支撐軸力變化曲線如圖5所示。

圖5 現場最大支撐軸力變化曲線

從現場實測數據曲線可以看出，隨著第3層土方開挖完成，第1道鋼支撐軸力有一定增長；隨著第4層土方開挖完成，第2道鋼支撐軸力開始增長，而第1道鋼支撐軸力變化不明顯；在第5層土方開挖后，第3道鋼支撐軸力增長明顯，且達到最大值，第2道鋼支撐軸力有一定增加；第6層土方開挖后，第4道鋼支撐軸力開始增加，第3道鋼支撐軸力逐漸減小趨于穩定；隨著開挖深度的加大，鋼支撐軸力不斷加大，開挖至坑底后，鋼支撐軸力趨于穩定。

GZC-1和GZC-4處5道鋼支撐最大支撐軸力實測值與數值模擬值對比如圖6所示，可看出基坑開挖過程中鋼支撐軸力與模擬值變化趨勢一致，部分存在偏差。經分析，偏差與數值模擬前對模型所作的假設有關，模擬無法考慮施工過程中施工機械及周圍環境，故使實測結果和模擬結果存在一定偏差。此外，基坑開挖過程中鋼支撐軸力存在突變甚至遠超過模擬值，結合現場施工情況分析主要有以下原因。

圖6 鋼支撐最大支撐軸力實測值與數值模擬值對比

1)該基坑緊鄰興慶湖，湖水與地下水緊密聯系，又處于飽和軟黃土核心地區，地下連續墻隨開挖深度的增加受到的主動土壓力增長幅度大，地下連續墻將該力傳遞到鋼支撐，導致鋼支撐軸力大幅度增加。

2)應變計安裝過程中存在施工誤差，應變計活絡端偏心，不能與冠梁側面緊密貼合，在實際施工中有一處應變計因此破壞，導致軸力監測存在一定誤差。

3)鋼支撐預加軸力過大，支護結構未有效共同作用，導致測得的鋼支撐軸力偏大。

6 結語

本文通過數值模擬和現場監測研究西安地鐵6號線東關正街站—興慶路站區間豎井深基坑組合支撐軸力，分析了深基坑施工過程中支撐軸力的動態變化趨勢及軸力異常原因，主要得到以下結論及建議。

1)基坑開挖初期，鋼支撐軸力增長迅速，隨著基坑開挖的完成，鋼支撐的軸力逐漸趨于穩定，鋼支撐對土體變形及整個基坑的穩定起到了顯著作用。

2)文中的監測方法及計算結果反映了軸力的變化趨勢，合乎規律，為基坑安全施工和設計提供了科學依據。

3)針對深厚飽和軟黃土地區，形狀規則的深基坑，建議采用混凝土支撐+鋼支撐組合支護體系，另外采用鋼冠梁能增加整體穩定性。

4)應變計安裝必須和鋼支撐軸線在一條直線上，各接觸面平整，確保鋼支撐受力狀態通過應變計正常傳遞到支護結構上。

5)鋼支撐預加軸力應合理，使鋼支撐﹑鋼冠梁及地下連續墻之間接觸無縫隙、共同受力。