大跨度深基坑井字形臨時鋼支撐支護可行性分析

徐 軍

上海建工集團股份有限公司總承包部 上海 200080

隨著我國城市軌道交通的蓬勃發展，對于地下空間的利用逐年集約化，新建基坑工程深度和跨度的增大趨勢日益明顯[1]。為抵抗大跨度深基坑周邊復雜的側向壓力，其所需的支護結構相較于小面積淺基坑也會更加復雜，一般采用高強度的地下連續墻鋼筋混凝土支撐支護。由于混凝土內支撐澆筑周期長，在澆筑周期內，原本的混凝土內支撐無法承載，很難滿足該基坑的受力要求。因此，研究大跨度深基坑混凝土支撐澆筑期間的臨時內支撐方案對維護基坑穩定有著重大的意義。

國內外學者對基坑開挖與支護體系相互影響進行了大量的研究[2-5]。其中地下連續墻內撐式支護適用于對防滲要求較高的大面積深基坑工程，從而被城市地下工程廣泛應用。對于地下連續墻內撐式支護對基坑的影響研究主要分為數值法[6-7]、解析法[8-9]和試驗法[10-11]。比起解析法的過于簡化和試驗法需消耗大量人力、財力，數值法不僅經濟適用，而且能完整模擬復雜土層結構下基坑開挖的全過程，全面地分析基坑開挖每個過程中支撐體系與基坑的影響作用。既有研究都是單純分析混凝土支撐對基坑變形的影響，未考慮混凝土支撐澆筑時基坑裸露期內的變形問題，也未考慮大跨度臨時鋼支撐產生極大撓度和彎矩對臨時支護體系的影響。基于實際工程對井字形臨時鋼支撐的受力變形分析和井字形臨時鋼支撐支護下基坑及周圍土體變形的分析更是較為罕見。

本文基于上海市機場聯絡線三林南站主體結構1號基坑工程，采用新型井字形臨時鋼支撐和鋼筋混凝土支撐進行地下連續墻深基坑支護，對基坑開挖過程中的臨時鋼支撐、地下連續墻及周圍土體進行受力變形分析，給出優化的臨時鋼支撐及混凝土支撐支護方案。本支護方案在混凝土內支撐澆筑前先設置臨時鋼支撐，以縮短基坑無支撐暴露的時間，減少基坑變形。同時，為節約材料、減少成本，控制超大跨度基坑中臨時鋼支撐產生極大的撓度和彎矩，設計采用井字形臨時鋼支撐，待混凝土內支撐澆筑完成可受力后再進行臨時鋼支撐的拆除。研究成果對大跨度深基坑的支護設計有一定的工程指導作用。

1 大跨度深基坑井字形臨時鋼支撐設計

1.1 工程概況

上海市機場聯絡線三林南站主體結構基坑工程位于上海市浦東新區三林鎮西部區域，S20外環高速與浦星公路交叉處西南象限的地塊內，沿S20外環高速東西向敷設。該工程1號基坑包括兩部分：端頭井和標準段，其中端頭井寬約62.6 m，長約39.3 m，開挖深度約41.3 m，地下連續墻深度為82.2 m；標準段寬約45.0 m，長約132.0 m，開挖深度約36.9 m，地下連續墻深度為75.6 m，基坑受力極為復雜。地下連續墻厚度設計為1.2 m，端頭井處設置8道混凝土支撐，標準段設置7道混凝土支撐，在第4—第8道混凝土支撐上方1 m處設置井字形臨時鋼支撐。基坑剖面和地質條件如圖1所示。

圖1 基坑剖面和地質情況示意

1.2 井字形臨時鋼支撐初步設計

基于本工程中基坑的超大跨度和深度，為保證基坑開挖過程中的穩定性，采用高強度混凝土支撐，同時在第4—第8道混凝土支撐澆筑期間采用臨時鋼支撐進行支護。針對本基坑的超大跨度，為控制超長鋼支撐支護過程中產生極大的撓度和彎矩，擬設計適用于大跨度基坑的井字形臨時鋼支撐。以基坑第2道混凝土支撐為例，混凝土支撐布置如圖2所示，井字形臨時鋼支撐布置如圖3所示。

圖2 混凝土支撐布置平面示意（單位：m）

圖3 井字形臨時鋼支撐布置平面示意（單位：m）

本工程擬采用的井字形臨時鋼支撐為考慮大跨度結構受力要求，將橫縱支撐通過井字形接頭連接成一個整體，同時將立柱固定在“井”字中間[12]。井字形鋼支撐由井字形接頭和普通直管段組成。井字形接頭由4個十字形鋼管接頭拼接而成，十字形鋼管接頭由2根相互垂直的鋼管交叉嵌接，每個十字形鋼管接頭端部由法蘭盤連接螺栓連接直管段鋼支撐（圖4）。

圖4 井字形臨時鋼支撐

2 有限元模型建立及計算工況

2.1 模型建立

對上海市機場聯絡線三林南站主體結構1號基坑開挖工程，采用Midas GTS軟件建立始發模型（圖5）。為消除邊界條件影響，模型尺寸在z方向為0～150.0 m，x方向為0～－372.0 m，y方向為0～262.2 m。模型上表面設置為自由邊界，側面限制水平位移，下表面限制所有方向位移。

圖5 三維基坑數值模型

整個模型網格節點共40 563個，單元數共70 355個；由3個部分組成，分別為基坑待開挖區域土層、支護結構以及基坑周圍地層，并以不同顏色區分。其中支護結構包括地下連續墻、立柱、灌注樁、混凝土支撐以及井字形臨時鋼支撐等。基坑待開挖區域和基坑周圍地層采用德魯克-普拉格彈塑性本構模型，支護結構采用彈性模型。模型土體材料參數見表1，地下連續墻和支撐材料參數見表2。

表1 模型土體物理力學參數

表2 基坑支護結構物理力學參數

2.2 施工工況

首先建立模型，設置土體和地下連續墻的參數，設置邊界條件，進行位移清零。隨后，由上往下逐步開挖基坑，開挖前先激活地下連續墻和立柱單元，開挖過程中一共設置8道混凝土支撐，每次開挖至混凝土支撐標高時，開始激活圍檁和支撐，支撐激活完畢后進行下一次開挖。第4—第8道混凝土支撐激活前，先在混凝土支撐上表面往上1 m的位置處激活鋼圈梁及井字形臨時鋼支撐，隨后激活混凝土支撐，混凝土支撐激活完畢后鈍化井字形臨時鋼支撐，再進行下一步的開挖工況。重復以上步驟，直至開挖至基坑底部。主要開挖工況如下。

工況1：開挖至地下1.25 m處，設第1道混凝土支撐。

工況2：開挖至地下7.25 m處，設第2道混凝土支撐。

工況3：開挖至地下12.75 m處，設第3道混凝土支撐。

工況4：開挖至地下17.75 m處，在地下16.75 m處設置第1道井字形臨時鋼支撐。

工況5：在地下17.75 m處設置第4道混凝土支撐，隨后鈍化臨時鋼支撐。

工況6：開挖至地下22.25 m處，在地下21.25 m處設置第2道井字形臨時鋼支撐。

工況7：在地下22.25 m處設置第5道混凝土支撐，隨后鈍化臨時鋼支撐。

工況8：端頭井處開挖至地下26.75 m處，標準段開挖至地下27.65 m處，在地下25.75 m處設置第3道井字形臨時鋼支撐。

工況9：在開挖面處設置第6道混凝土支撐，隨后鈍化臨時鋼支撐。

工況10：端頭井處挖至地下30.75 m，標準段挖至地下32.55 m，在地下29.75 m處設第4道井字形臨時鋼支撐。

工況11：在開挖面處設置第7道混凝土支撐，隨后鈍化臨時鋼支撐。

工況12：端頭井處開挖至地下34.65 m處，標準段開挖至地下36.90 m處，在端頭井開挖面上方1 m處設置第5道井字形臨時鋼支撐。

工況13：在端頭井開挖面處設置第8道混凝土支撐，隨后鈍化臨時鋼支撐。

工況14：端頭井處開挖至地下41.30 m，開挖結束。

3 井字形臨時鋼支撐支護可行性分析

本基坑等級為一級，關于基坑變形限制范圍的標準參照SZ-08—2000《上海地鐵基坑工程施工規程》的規定，一級基坑等級地表最大沉降量smax≤0.1%H，地下連續墻最大水平位移wmax≤0.14%H，H為基坑開挖深度。通過數值模擬結果，對每個工況在設置井字形臨時鋼支撐后、設置混凝土支撐前的臨時鋼支撐最大軸力、地下連續墻最大變形量以及地表最大沉降量進行分析，得到井字形臨時鋼支撐支護方案的可行性結果。

3.1 井字形臨時鋼支撐極限承載力計算

由于鋼支撐承受壓力，長細比較大，其失穩將對基坑支護體系產生極大的影響。因此，分析鋼支撐保持穩定的承載力以及臨界承載力十分必要。將臨時鋼支撐視作軸心受壓構件，根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[13]計算臨時鋼支撐的臨界承載力，計算時不考慮鋼管撐自身重力影響。本工程采用Q235鋼管支撐，鋼支撐鋼管分為2種：a類橫向支撐及角撐外徑D1＝820 mm，壁厚t1＝20 mm，鋼管的截面慣性矩I1＝0.003 73 m4，構件截面面積A1＝0.049 m2，橫截面慣性半徑i1＝0.276 m；b類縱向支撐外徑D2＝220 mm，壁厚t2＝20 mm，鋼管的截面慣性矩I2＝4.637×10－5m4，構件截面面積A2＝0.011 3 m2，橫截面慣性半徑i2＝0.064 m。本支撐鋼管的截面形式為a類，屈服強度fy＝225 MPa。不同鋼支撐段的極限承載力見表3。

表3 不同鋼支撐段的極限承載力

①類臨時鋼管支撐分為縱向支撐，橫向支撐以及角撐，由于此深大基坑的鋼管支撐尺寸種類較為復雜，在此我們只研究長細比較大且跨度大，較為危險工況的①—⑦類鋼管支撐的極限承載力，布置如圖3所示。鋼管支撐的長細比計算如下：

①類橫向支撐被井字形接頭分為3段，每段可視作桁架模型，其中最長跨度l1為16.0 m；②類橫向支撐被井字形接頭分為5段，其中最長跨度l2為12.4 m；③類橫向支撐被井字形接頭分為4段，其中最長跨度l3為16.0 m；④類縱向支撐被井字形接頭分為15段，其中每段跨度l4約為8.0 m；⑤類角撐被井字形接頭分為2段，其中每段跨度l5約為13.6 m；⑥類角撐被井字形接頭分為3段，其中最長跨度l6為15.6 m；⑦類角撐被井字形接頭分為2段，其中每段跨度l7約為17.2 m。

3.2 井字形臨時鋼支撐軸力分析

通過模擬結果，可以得到在布置第1—第5道井字形臨時鋼支撐后，每道鋼支撐體系中①—⑦類鋼支撐段中的最大支撐軸力對比如圖6所示。

圖6 不同開挖階段井字形臨時鋼支撐最大支撐軸力

由圖6可得，在基坑開挖16.75 m至基坑底的過程中開始設置第1—第5道井字形臨時鋼支撐，在此過程中，端頭井處臨時鋼支撐（②類、⑥類管段）最大支撐軸力呈現先減小后增大再減小的趨勢，而標準段的臨時鋼支撐最大軸力則呈現先增大后減小的趨勢。無論是在端頭井處還是標準段，最大軸力都出現在第3道臨時鋼支撐處，即開挖25.75 m處。由圖6可知，鋼支撐①—⑦類管段在開挖過程中的最大支撐軸力都遠小于表3所示不同鋼支撐段的極限承載力值。由此得出，此井字形臨時鋼支撐支護方案可行。

3.3 地下連續墻變形分析

地下連續墻最大水平位移wmax≤0.14%H，H為基坑開挖深度，即端頭井處地下連續墻最大水平位移不能超過57.8 mm，標準段地下連續墻最大水平位移不能超過51.7 mm。本工程從開挖工況4開始設置井字形臨時鋼支撐，所以對地下連續墻變形研究從開挖工況4開始。基坑開挖工況4—工況14過程中，不同深度處的地下連續墻x方向變形量對比如圖7所示，y方向變形量對比如圖8所示。

圖7 不同深度處的地下連續墻x方向變形

圖8 不同深度處的地下連續墻y方向變形

由圖7可知，地下連續墻x方向最大位移位置在端頭井左側邊緣中心點處。隨著開挖深度的增加，地下連續墻x方向的最大位移位置不斷下移，但始終位于基坑開挖深度中間的位置。由圖8可知，地下連續墻y方向最大位移在標準段上邊緣距最右側30.5 m處。隨著基坑開挖深度增大，地下連續墻y方向最大位移位置逐漸下移，置于基坑開挖面以下，最大位移隨深度呈現“m”形狀。由井字形臨時鋼支撐設置工況和混凝土支撐設置工況4—5、工況8—9、工況12—13對比可得，本文提出的臨時鋼支撐支護的支護效果與混凝土支撐相差不大，足以在混凝土支撐澆筑期間維持基坑的穩定性，每個工況下地下連續墻x方向和y方向的最大位移滿足wmax≤0.14%H的要求。

3.4 地表沉降分析

由標準本基坑等級地表最大沉降量smax≤0.1%H，即端頭井處smax≤41.3 mm，即標準段smax≤36.9 mm。圖9為x、y方向分別與基坑壁不同距離內的地表最大沉降量對比圖。如圖9所示，地表x方向最大沉降位置位于端頭井最左側邊緣中心點處，地表y方向最大沉降位置位于端頭井與標準段交界處標準段的起點處。無論是x方向還是y方向，隨著與基坑壁的距離越遠，地表沉降越大，最后趨于0。無論是端頭井處還是標準段，地表的最大沉降值皆滿足標準要求，說明本支護方案的合理性。

圖9 距基坑壁不同距離內的地表最大沉降量

4 結語

1）在基坑開挖過程中，設置了8道混凝土支撐加地下連續墻，由于實際工程實施過程中，混凝土支撐澆筑時間過長，為減少基坑裸露時間并且控制臨時支護的成本，在第4—第8道混凝土支撐澆筑期先設置新型井字形臨時鋼支撐，以優化支護方案保持基坑穩定性。

2）針對井字形臨時鋼支撐的極限承載力、鋼支撐最大支撐軸力、地下連續墻的最大變形量以及地表最大沉降量進行基坑開挖過程中變化規律的分析。結果表明，隨著開挖深度的增加，井字形臨時鋼支撐最大軸力隨設置深度的增加呈現先增大后減小的趨勢；隨著開挖深度的增加，地下連續墻的最大位移由先增大后減小的趨勢發展到“m”形狀，即先增大后減小隨后增大最后再次減小；隨著開挖深度的增加，地表最大沉降量隨距離基坑壁距離越遠，沉降量越小，最后趨于零。

3）本文通過數值模擬計算井字形臨時鋼支撐最大支撐軸力、出地下連續墻的最大變形量以及地表最大沉降量，并與相關標準中關于基坑等級為一級時地下連續墻最大變形量、地表最大沉降量要求限值的進行對比，驗證了本文井字形臨時鋼支撐支護方案的可行性。