鋼支撐滯后施工對基坑支護體系的影響研究

孔 茜， 楊 睿

(1. 中交第二航務工程局有限公司， 湖北 武漢 430040； 2. 長大橋梁建設施工技術交通行業重點試驗室，湖北 武漢 430040； 3. 交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心， 湖北 武漢 430040)

0 引言

隨著我國經濟的發展，一線及省會城市的輻射效應對周邊二、三線城市越來越強，集機場、高鐵站、地鐵站于一體的大型綜合樞紐系統應運而生。由于通航的需要，這類綜合樞紐的鐵路系統通常以隧道的方式穿越，如穿越北京大興機場的京雄城際鐵路、穿越成都天府機場的成自高鐵、穿越青島膠東機場的濟青高鐵等。由于這類綜合樞紐系統一般遠離城區，對周邊建筑的保護要求不高，所以鐵路隧道常選用造價低、工期短的明挖暗埋法施工,并且基坑圍護結構常為圍護樁+鋼支撐的形式。盡管鋼支撐架設不及時被認為是導致基坑變形過大，甚至失穩、破壞的原因之一[1]，然而在此類二、三級基坑施工中，鋼支撐滯后施工的情況仍時有發生。

左卓等[2]發現鋼支撐軸力在基坑開挖完成時達到最大值。向亮[3]指出在土方拉槽開挖的情況下，鋼支撐的軸力并非穩定增加，而是跳躍式上升。文獻[4-5]發現在土方開挖過程中鋼支撐軸力會衰減，軟土地區軸力損失甚至能達到設計值的80%以上。房有亮等[6]根據現場監測數據證明了鋼支撐伺服系統能夠解決鋼支撐軸力衰減的問題。熊棟棟等[7]研究了鋼支撐發揮支撐作用階段的軸力變化規律，認為及時支撐的鋼支撐軸力應該比設計值小。文璐等[8]研究了鋼支撐軸力變化對相鄰鋼支撐軸力及開挖變形的影響。何君佐等[9]提出了鋼支撐軸力水平相干性公式。周勇等[10]認為土方開挖和鋼支撐預加軸力是導致地表呈現往復沉降-隆起的原因。鄭剛等[11]研究了鋼支撐失效對基坑支護體系的影響，認為失效支撐釋放的荷載集中作用在最近的某幾根支撐上，可引發支撐的連續破壞。胡之鋒等[12]研究了鋼支撐滯后的順序對圍護結構水平位移、彎矩以及地表沉降的影響。

綜上，目前對鋼支撐的研究集中在鋼支撐軸力的變化規律、鋼支撐軸力損失或者鋼支撐失效對圍護結構及周邊環境的影響，對鋼支撐滯后施工影響的研究僅限于豎向以及二維平面，尚未研究豎向和縱向鋼支撐同時滯后時圍護結構體系的響應。本文以某機場明挖暗埋隧道基坑為工程背景，根據現場監測數據分析現場鋼支撐滯后施工對圍護樁水平變形、鋼支撐軸力的影響； 然后通過數值模擬對比鋼支撐滯后施工和及時支撐的工況，研究豎向以及縱向鋼支撐滯后施工對圍護樁水平位移、樁身彎矩、支撐軸力、冠梁內力等的影響。

1 工程概況

1.1 總體方案設計

城際鐵路2號機場隧道全長8 388.651 m，采用明挖暗埋法施工，隧道上部覆土最深為16 m。鋼支撐滯后施工影響比較大的區域長度為60 m，里程為DK50+780～+840，基坑圍護結構形式為單圍護樁+鋼支撐，橫斷面如圖1所示。基坑開挖深度d≈20 m，寬度B=15.5 m。基坑圍護結構為灌注樁+4道鋼支撐。灌注樁樁徑D=1.2 m，間距s=1.5 m，樁長34 m； 第4道鋼支撐距離坑底4.1 m，第4道鋼支撐與第3道鋼支撐距離為5 m，第3道鋼支撐與第2道鋼支撐距離為4.7 m，第1道鋼支撐位于冠梁處。除了第1道鋼支撐外徑為609 mm外，其余鋼支撐外徑均為800 mm，厚度均為16 mm。腰梁為雙拼I45b工字鋼，冠梁尺寸為1.4 m×1.0 m。

圖1 基坑橫斷面示意圖(單位： m)

測點布置如圖2所示。樁頂水平位移測點沿隧道縱向每側25 m布置1個；圍護結構深層水平位移測點沿隧道縱向每側20 m布置1個，測斜管輪距為0.5 m；地表沉降測點沿隧道縱向間距15 m，垂直隧道縱向間距6 m；鋼支撐軸力測點沿隧道縱向15 m布置1個。

1.2 地質水文情況

基坑開挖范圍內主要地層為③41稍密—密實粉土、③55中密—密實粉土、③31軟塑—可塑粉質黏土、③32軟塑—堅硬粉質黏土、③42密實粉土、⑤58密實粉砂、⑤33堅硬粉質黏土。

圖2 測點布置圖

水位埋深為5～10 m，采用基坑外管井抽水的方式降水，在基坑開挖前2個月開始抽水。觀測井數據表明，基坑土方開挖時，地下水已降至基底以下1.5 m。

1.3 基坑開挖方式及現場鋼支撐滯后情況

現場土方施工采用分臺階縱向拉槽開挖的方式，如圖3所示。從基坑頂一次性連續開挖2 m后分4個臺階開挖，每個臺階長度約為12 m，高度為4～5 m。每個臺階上布置1臺挖機，用層層倒土的方式將土運至基坑頂部的渣土車內。由于4道鋼支撐的空間位置均在挖機的作業范圍之內，導致4道鋼支撐均為滯后施工。

圖3 基坑出土示意圖(單位： m)

基坑開挖順序如圖4所示。為了便于描述，將鋼支撐和圍護樁進行編號。DK50+780～+840區段第1道鋼支撐編號依次為1-1—1-20，第2道鋼支撐編號依次為2-1—2-20，第3道鋼支撐編號依次為3-1—3-20，第4道鋼支撐編號依次為4-1—4-20。由于基坑基本對稱，因此僅選取西側圍護樁作為分析研究對象，DK50+780起至DK50+840西側圍護樁編號依次為1#—40#。測點EZQS57— EZQS60分別對應1#、14#、27#、39#樁。

第1—2步開挖后并未架設鋼支撐，第3步開挖時架設1-1—1-4號鋼支撐，第4步開挖時架設1-5、1-6號鋼支撐，第5步開挖時架設1-7、1-8號鋼支撐，第6步開挖時架設2-1—2-3號鋼支撐，第7步開挖時架設2-4—2-6、3-1—3-3號鋼支撐，第8步開挖時架設1-9—1-12、2-7、2-8、4-1、4-2號鋼支撐。第8步開挖完成后第1—4道鋼支撐分別滯后8、8、9、6根。現場鋼支撐滯后情況如圖5所示。

圖4 基坑開挖順序示意圖

圖5 現場鋼支撐滯后情況

2 監測數據分析

2.1 圍護樁深層水平位移分析

1#樁水平位移最大值及其速率變化最大值時程曲線如圖6所示。第5天時開始開挖，第7天時第1步開挖完成，第10天時第2步開挖完成，第12天時第3步開挖完成，第14天時第4步開挖完成，第17天時第5步開挖完成，第20天時第6步開挖完成，第23天時第7步開挖完成，第26天時第8步開挖完成。

由圖6可以看出，第2步開挖時未架設第1道鋼支撐，最大水平位移急速增大。第4道鋼支撐架設完成后，水平位移最大值已經超過預警值并且無收斂趨勢。隨著第2步的開挖，水平位移變化速率最大值迅速增大，架設第1道鋼支撐時已經是預警值的3.7倍，第1道鋼支撐架設后迅速減小至預警值以下。但第4步開挖時，水平位移變化速率最大值再次超過預警值。架設第2道鋼支撐后，又降至預警值以下。架設第3、4道鋼支撐時，水平位移變化速率最大值沒有明顯的變化。

綜合1#樁深層水平位移最大值和深層水平位移速率最大值，在架設第1道鋼支撐前它們的增長速率最大，說明第1道鋼支撐應盡早架設。

圖6 1#樁深層水平位移最大值及其速率變化最大值時程曲線

14#樁深層水平位移最大值及其速率變化最大值時程曲線如圖7所示。第1道鋼支撐架設之后，深層水平位移最大值并未減小，而是隨著后續土方的開挖繼續增大。第8步開挖完成后，深層水平位移最大值為48 mm，已經逼近55 mm預警值且并沒有減緩的趨勢。

圖7 14#樁深層水平位移最大值及其速率變化最大值時程曲線

深層水平位移變化速率最大值在第1—4步開挖過程中迅速增大，在第4步開挖完成后達到最大，為預警值的1.2倍，在第1道鋼支撐架設后迅速減小，之后隨著土方開挖緩慢增加，最后趨于平穩。

綜合14#樁的監測數據，第1道鋼支撐架設雖然能控制深層水平位移變化速率最大值，但對深層水平位移最大值不起控制作用，說明單道鋼支撐不足以控制圍護樁的變形。

2.2 鋼支撐軸力分析

LZC75、LZC76監測軸力時程曲線分別如圖8和圖9所示，圖中LZC75-0i、LZC76-0i(i=1,2,3,4)表示第i道鋼支撐的監測軸力。由圖8和圖9可以看出，第1道鋼支撐的軸力逼近設計值的2倍，說明對比及時支撐工況，滯后架設的第1道鋼支撐承擔了更多的主動土壓力。

圖8 LZC75監測軸力時程曲線

圖9 LZC76監測軸力時程曲線

第2道鋼支撐架設時，第1道鋼支撐軸力明顯下降；第3道鋼支撐架設時，第2道鋼支撐的軸力明顯下降，而第1道鋼支撐軸力上升；第4道鋼支撐架設時，第2、3道鋼支撐軸力明顯下降，而第1道鋼支撐軸力上升。說明鋼支撐滯后施工的情況下，相鄰鋼支撐的架設能夠減少上一道鋼支撐的軸力，而對間隔鋼支撐軸力基本無影響。

3 數值模型建立

3.1 模型以及模型參數

為了進一步分析鋼支撐滯后對支護體系的影響，采用有限元進行計算分析。由于現場基坑基本對稱，所以取基坑寬度的一半進行模擬，如圖10所示。

圖10 有限元模型示意圖

為了消除邊界效應的影響，模型在深度方向和寬度方向的長度應為基坑開挖深度的4倍以上[13]，所以模型在X、Y、Z方向上的尺寸分別為88、60、86 m。灌注樁、冠梁、土體均用實體單元C3D8模擬，腰梁以及鋼支撐用梁單元模擬。模型頂部為自由邊界，四周為滾軸邊界，底部約束X、Y、Z方向自由度。土方開挖臺階簡化為矩形，長為12 m，第1級臺階高4.7 m，第2、3級臺階高5 m，第4級臺階高4 m。

由于基坑開挖主要是卸載效應，采用修正劍橋、HS、HSS本構能較好地模擬基坑開挖過程[14]，故除③55、⑤58層砂土用摩爾-庫侖本構外，其余土層用修正劍橋本構。修正劍橋本構參數λ、κ、M可通過式(1)—(3)計算[15]。土層力學參數如表1所示。

(1)

(2)

(3)

式(1)—(3)中：Cc為土的壓縮指數；Cs為土的回彈指數；φ′為土的有效內摩擦角。

表1 土層物理力學參數

冠梁、灌注樁、腰梁以及鋼支撐用彈性材料模擬，材料物理力學參數如表2所示。鋼支撐的預加軸力用溫度場方式施加，溫差通過式(4)計算。每道鋼支撐的預加軸力以及溫差如表3所示。

F=αΔtEA。

(4)

式中：F為預加軸力；α為鋼材線膨脹系數，取1.2×10-5/℃；Δt為溫差；E為鋼材的彈性模量；A為鋼支撐的橫截面面積。

表2 材料物理力學參數

表3 鋼支撐預加軸力及溫差

3.2 模型驗證

圖11和圖12分別為第8步開挖完成后圍護樁的水平位移云圖和鋼支撐軸力云圖。

圖13和圖14分別為圍護樁深層水平位移及軸力的計算值與監測值對比圖。模擬結果與監測值差別的原因一方面是簡化了開挖臺階，另一方面是鋼支撐的軸力受溫度變化影響較大。總體上數值模擬結果與監測結果接近，說明數值模型及參數選取較為合理。

圖11 圍護樁水平位移云圖(單位： m)

圖12 鋼支撐軸力云圖(單位： kN)

圖13 圍護樁深層水平位移有限元計算與監測值對比圖

為了定量評估由鋼支撐滯后引起的圍護結構、鋼支撐、冠梁以及腰梁的內力變化，定義影響系數k如式(5)所示。

(5)

式中：Fd為鋼支撐滯后工況下支護體系的內力；Fn為鋼支撐及時支撐工況下支護體系的內力；kd為圍護樁最大深層水平位移的影響系數；kp為圍護樁最大彎矩的影響系數；ka為鋼支撐軸力的影響系數；kt為冠梁彎矩的影響系數。

4 鋼支撐滯后對支護體系影響數值模擬分析

4.1 對圍護結構水平變形及彎矩影響分析

不同施工階段圍護樁深層水平位移最大值影響系數如圖15所示，右上角的小圖為基坑縱斷面開挖示意圖，圖中數字表示模擬實際土方開挖的施工步。

圖14 鋼支撐軸力有限元計算與監測值對比圖

圖15 不同施工階段圍護樁最大深層水平位移影響系數

從圖15中可以看出，深層水平位移的影響范圍在第2步、第4步、第6步開挖完成后分別為36、51、60 m，第8步開挖完成后所有樁的kd均大于1.5，說明滯后施工對圍護樁水平位移的影響范圍要大于土體的開挖范圍。

第2步開挖完成后，kd極大值位于8#樁處； 第4步開挖完成后，kd極大值位于17#樁處； 第6步開挖后，kd極大值位于25#樁處； 第8步開挖后，kd極大值位于35#樁處。8#、17#、25#、33#樁分別位于第2步、第4步、第6步、第8步土方開挖分界處，說明位于土方開挖與未開挖分界處樁的深層水平位移最大值更容易受到鋼支撐滯后施工的影響。

不同施工階段圍護樁彎矩最大值影響系數kp如圖16所示(圖中鋼支撐編號表示編號為i-j的鋼支撐i=1～4,j=1～20，如1表示編號1-1、2-1、3-1、4-1的鋼支撐。下同)。第2、4、6、8步開挖后，kp最小值分別在8#、16#、24#、32#樁，隨即恢復至1附近，而8#、16#、24#、32#樁位于土方開挖與未開挖的分界處，說明鋼支撐滯后施工對樁彎矩的影響范圍為土方開挖范圍內。

圖16 不同施工階段圍護樁最大彎矩影響系數

第2步開挖后，kp小于1的樁為8#；第4步開挖后，kp小于1的樁為12#—16#；第6步開挖后，kp小于1的樁為20#—24#；第8步開挖后，kp小于1的樁為28#—32#。說明與及時支撐工況相比，鋼支撐滯后施工時靠近土方開挖與非開挖交界處的樁彎矩減小，而遠離土方開挖與非開挖交界處的樁彎矩增大。

另外，kp極大值的位置與kd一致，均位于土方開挖和未開挖交界處。

4.2 對鋼支撐軸力分析

第8步開挖后，鋼支撐軸力的影響系數及總軸力如圖17所示，支撐總軸力為滯后工況下橫斷面上所有鋼支撐的軸力和。如1號鋼支撐為1-1—4-1的軸力和。

圖17 不同施工階段鋼支撐最大軸力影響系數

由圖17可以看出，位于土方開挖和未開挖交界處的4號鋼支撐軸力影響系數為3.7，8號鋼支撐軸力影響系數為3.9。這是因為對于基坑圍護結構，土方未開挖處可視為土彈簧支撐，樁后水土壓力為荷載，鋼支撐視為剛度遠大于土彈簧彈性支座。當土方開挖處缺少彈性支座時，離開挖面最近的彈性支座會產生更大的支座反力。

對比及時支撐與滯后支撐的總軸力，1—8號鋼支撐除了4號鋼支撐滯后支撐的總軸力大于及時支撐的總軸力，其余鋼支撐的總軸力均較小，說明滯后工況下鋼支撐的軸力會重新分布。對比及時支撐工況，具體為第1道鋼支撐軸力增大而同一斷面內4道鋼支撐的總軸力減小。

4.3 對冠梁內力分析

及時支撐工況和滯后支撐工況不同施工階段冠梁彎矩對比如圖18所示。第8步開挖后，及時支撐工況彎矩最大值為211 kN·m，而滯后支撐工況彎矩最大值為1 330 kN·m，是及時支撐工況的6.2倍，已經達到設計值的96%。

(a)

(b)

及時支撐工況和滯后支撐工況不同施工階段冠梁剪力對比如圖19所示。第6步開挖后，滯后支撐工況剪力達到最大值1 000 kN·m，為及時支撐工況下冠梁剪力的8倍，達到設計值的73%。

(a)

(b)

5 結論與討論

本文以某明挖暗埋隧道基坑為工程背景，通過分析現場監測數據并結合數值模擬，分析了鋼支撐滯后施工對基坑圍護結構體系力學響應。通過引入影響系數定量評估了鋼支撐滯后施工對圍護樁深層水平位移及彎矩、鋼支撐軸力、冠梁內力的影響，主要結論如下：

1)第1道鋼支撐滯后施工對圍護結構水平位移影響最大，當鋼支撐滯后一定程度時難以控制圍護樁水平位移。另外，鋼支撐滯后施工對圍護樁水平位移的影響范圍要大于土體的開挖范圍。

2)鋼支撐滯后施工對樁彎矩的影響范圍為土方開挖范圍內。對比及時支撐工況，鋼支撐滯后施工時靠近土方開挖與非開挖交界處的樁彎矩減小，而遠離土方開挖與非開挖交界處的樁彎矩增大。

3)對比及時支撐工況，滯后鋼支撐的軸力減小而相鄰的鋼支撐軸力增大，同一斷面內包含滯后鋼支撐的4根鋼支撐的總軸力減小。因此，鋼支撐滯后施工時不應以鋼支撐軸力作為判別基坑安全的主要標準。

4)鋼支撐滯后施工時冠梁彎矩受到的影響程度比剪力大(冠梁彎矩、剪力分別為設計值的96%、73%)，所以設計時可以適當增加冠梁腰部的鋼筋，避免破壞。

5)鋼支撐滯后工況下土方開挖與未開挖交界處的圍護樁深層水平位移、圍護樁彎矩、鋼支撐軸力均為臨近范圍內的最大值，所以應加強交界處圍護樁與鋼支撐的監測。

本文研究了鋼支撐滯后施工對圍護樁深層水平位移及彎矩、鋼支撐軸力、冠梁內力的影響，但由于數值軟件的局限性和現場監測數據數量有限，并未評估鋼支撐滯后施工對基坑安全及基坑穩定性的影響，下一步將針對上述問題開展進一步研究。