共用既有地鐵車站連續墻支撐軸力變化規律分析*

寧 毅，廖凌軍，朱俊濤，楊 帥，雷亮亮

(中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著城市建設的發展，鄰近地鐵隧道的工程活動越來越多，鄰近運營隧道的基坑工程無法規避[1]。基坑開挖過程中，難免會對周邊地層產生擾動，使鄰近地鐵車站和區間隧道產生附加應力及變形，從而影響隧道結構的安全和地鐵列車的正常運行。軟土地區通常采用地下連續墻+內支撐支護體系，支撐軸力將直接影響相鄰結構變形，因此對支撐軸力進行監測分析顯得格外重要。

張忠苗等[2]依托杭州某地鐵車站工程，分析粉砂土地區基坑施工全過程支撐受力特點，探討支撐拆除對鄰近支撐的影響。李守彪等[3]對軟土地區半逆作深基坑施工過程進行支撐監測分析，探討軟弱地層條件下支撐軸力的變化趨勢。郭利娜等[4]對武漢名都站深基坑工程鋼支撐軸力進行監測，并結合數值模擬探討鋼支撐在不同開挖階段的軸力變化規律。金生吉等[5]以沈陽市隧道基坑為背景，采用MIDAS GTS軟件研究不同工況下支撐內力的變化趨勢。張哲[6]以武漢市徐家棚站基坑為背景，對某次支撐軸力監測數據異常情況進行深入研究，并探討了監測數據的合理性。張光建等[7]對某地鐵換乘車站基坑支撐軸力進行研究，探討其隨土體卸荷時間的變化規律。張亞龍等[8]采用ABAQUS軟件對飽和軟黃土高水位地區深基坑鋼支撐軸力進行分析，并結合現場數據，探討開挖過程中軸力的變化趨勢。

綜上所述，對于共用既有地鐵車站地下連續墻基坑在開挖過程中支撐軸力變化情況鮮有報道，本文針對蘇州軌道交通S1線唯亭站1期工程，研究軟土基坑共用地鐵車站地下連續墻支撐軸力隨土體卸荷時間的變化趨勢，以期為類似工程提供技術參考。

1 工程概況

蘇州城市軌道交通S1線唯亭站1期工程位于蘇州市吳中區北部，基坑沿葑亭大道東西明挖施工，北鄰唯亭實驗小學，南鄰地鐵3號線車站，且與3號線車站共用圍護結構，基坑平面位置如圖1所示。整體近似為矩形，外包總長度為87.2m，南北方向寬20.15～24.20m，開挖深度約為17.3m，開挖面積約為2.1km2。

圖1 基坑平面位置

考慮到基坑周邊環境復雜，為最大程度地降低施工對周邊環境的影響，設計采用800mm厚地下連續墻+5道內支撐支護方案，除第1道為混凝土支撐外，其余4道均為鋼支撐。混凝土支撐截面尺寸為800mm×1 000mm，鋼支撐選用φ609×16鋼管，支撐布置剖面如圖2所示。

圖2 支撐布置剖面

2 水文地質條件

擬建場地坐落在長江三角洲東南部，淺土層主要由黏性土組成，夾砂性土。地表為瀝青路面，高程為3.050～3.250m，根據地質勘察報告，場區的土層性質參數如表 1所示。地下水主要有潛水、微承壓水和承壓水，潛水主要賦存于淺部填土層，穩定水位為0.510～0.900m；微承壓水主要賦存于③3粉土層和④2粉砂夾粉土層，穩定水位為0.500～0.600m；承壓水賦存于⑦2粉土夾粉砂層，穩定水位為-2.500～-2.800m，年變幅1m左右。

表1 土層性質參數

3 支撐軸力監測

3.1 傳感器安裝

應用鋼筋應力計測量混凝土支撐軸力。將鋼筋應力計布置在1/3支撐長度處，平行于支撐方向，焊接在鋼筋構架的上、下、左、右4面中間的主筋上。焊接時用濕麻布片或濕毛巾等包裹鋼筋應力計，以免損壞傳感器。鋼筋應力計安裝如圖3所示。

圖3 鋼筋應力計安裝示意

應用軸力計測量鋼支撐軸力。待軸力計安裝架與鋼支撐中心重合后，焊接鋼支撐固定鋼板與軸力計安裝架未開槽側。冷卻后，將軸力計固定在安裝架內，在安裝架2個翅膀內側綁定軸力計電纜，確保軸力計和電纜不會掉落。軸力計安裝如圖4所示。

圖4 軸力計安裝示意

3.2 支撐軸力計算

應用頻率接收儀接收傳感器信號，通過監測頻率測得拉力、壓力的變化，按試驗標定頻率-應變換算數據，進而根據公式換算出支撐軸力。對于鋼筋混凝土構件，在鋼筋與混凝土共同工作、變形的條件下，軸向受力可表述為：N=ε(EcAc+EsAs)，考慮到監測頻率的變化，同時兼顧溫度變化對混凝土支撐受力的影響，其軸力可按式(1)，(2)計算，鋼支撐軸力可按式(3)計算。

(1)

(2)

(3)

3.3 測點布設

考慮到基坑工程周邊特點及支護方案的要求，對基坑5個斷面共25道支撐進行監測，軸力監測點布置如圖5所示。

圖5 軸力監測點布置

4 支撐監測分析

為了更好地觀察基坑施工過程中，土體卸荷對周邊結構的影響，選取直接與共用地下連續墻相連的ZL2，ZL4，ZL5 3個斷面的支撐監測數據，分析軸力在不同工況下的變化趨勢。施工工況設置為：①工況1 施作地下連續墻；②工況2 開挖第1層土；③工況3 施作第1道混凝土支撐、冠梁；④工況4 開挖第2層土；⑤工況5 架設第2道鋼支撐；⑥工況6 開挖第3層土；⑦工況7 架設第3道鋼支撐；⑧工況8 開挖第4層土；⑨工況9 架設第4道鋼支撐；⑩工況10 開挖第5層土；工況11 架設第5道鋼支撐；工況12 開挖第6層土；工況13 施作底板；工況14 拆除第4，5道鋼支撐；工況15 施作中板；工況16 拆除第2，3道鋼支撐；工況17 施作頂板；工況18 拆除第1道混凝土支撐。不同工況下支撐最大軸力變化曲線如圖6所示(正值為壓力)。

圖6 不同工況下支撐最大軸力變化曲線

由圖6可知，混凝土支撐軸力較鋼支撐變化明顯，ZL2-1，ZL4-1軸力變化趨勢基本一致，隨開挖深度的增加軸力逐步增大，第4道鋼支撐架設前軸力大幅度減小，從開挖第6層土開始軸力再次增大。斜撐ZL5-1前期軸力變化趨勢與直撐ZL2-1，ZL4-1相同，拆除第4，5道鋼支撐后軸力逐步下降，施作中板，拆除第2，3道鋼支撐后，軸力急劇下降，主要因為斜撐ZL5-1處在拐角位置，中板達到一定強度后，因拐角效應混凝土支撐受力減小。值得注意的是，直撐ZL2-1，ZL4-1在部分工況下受力狀態為拉力，原因可能是開挖暴露時間長，下部支撐不及時，地下連續墻中下部整體產生向基坑內位移的趨勢，迫使混凝土支撐承受相反的力。

鋼支撐軸力在開挖階段相對穩定，同一水平面上，各支撐軸力相差不大。同一斷面上，先架設的鋼支撐較后架設的鋼支撐軸力普遍偏小，但隨著開挖深度的增加，這種趨勢不復存在，第5道鋼支撐內力略小于第4道鋼支撐。第4，5道鋼支撐拆除后，上部支撐軸力迅速增大，同時拆除2道支撐，對上部支撐的承載力也是一種考驗，應逐道拆除并實時監控上部支撐受力，避免因支撐軸力突增誘發內支撐及其端部連接處出現受力破壞。開挖階段，支撐ZL2-1在工況7下軸力達到最大，為2 044.09kN；支撐ZL4-1，ZL5-1在工況8下軸力達到最大，分別為 2 171.97，1 544.20kN。即開挖深度5～8m，為混凝土支撐最不利范圍，應嚴格按時空效應理論，分層分段開挖，及時支撐，合理安排施工步序，盡量減少基坑無支撐暴露時間。

5 支撐軸力模擬與分析

5.1 模型建立

采用有限元分析軟件MIDAS GTS/NX建立三維實體模型，模擬實際開挖過程中共用既有地鐵車站基坑支撐軸力的變形。考慮基坑施工對周圍土體造成的影響，三維實體模型尺寸為165m×225m×60m。基坑邊界與模型邊界間距大于3倍的開挖深度，基本滿足模型邊界對開挖無影響的要求[9]。

在東西、南北2條道路處施加20kN/m2均布荷載，在既有建筑處施加60kN/m2均布荷載，土體采用修正莫爾-庫侖本構模型進行模擬，圍護結構、既有結構采用彈性本構模型進行模擬，土體及結構計算參數如表2，3所示。有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型

表2 土體計算參數

5.2 模擬與實測對比分析

ZL2，ZL4，ZL5最大支撐軸力模擬值與實測值對比曲線如圖8所示。由圖8可知，模擬數據同監測數據變化趨勢基本一致，支撐ZL2-1在工況7下軸力達到最大，支撐ZL4-1，ZL5-1在工況8下軸力達到最大，整體數值略小于實測結果。造成這種偏差的原因主要是模擬時為了減少工程量，對周邊建筑進行了一定程度的簡化，主要考慮了基坑開挖與共用既有地鐵車站圍護結構的相互作用。同時，工程場地內土層分布不均，采用修正莫爾-庫侖本構模型模擬基坑開挖過程，一些土體參數選取的不確定性也造成了誤差的存在。測量儀器的靈敏性、測量工作的規范性、施工機械的擾動也會使監測結果出現誤差，不合理的施工步序、支撐的及時性也會對支撐軸力造成較大影響。但模擬結果同實測結果整體趨于一致，能反映開挖過程中支撐內力變化的一般規律，可為類似工程提供參考。

表3 主要結構計算參數

圖8 最大支撐軸力模擬值與實測值對比曲線

此外，由圖8a，8b可知，直撐ZL2-1，ZL4-1在部分工況下，模擬混凝土支撐仍存在拉力，但相對于實測值整體偏小，進一步佐證拉力存在與開挖暴露時間有關。除及時支撐外，還可通過改變支撐間距、增設支撐、合理開挖避免混凝土支撐受拉。

6 結語

1)混凝土直撐軸力隨開挖深度的增加而增大，第4道鋼支撐架設前軸力大幅度減小，開挖第6層土時軸力再次增大。混凝土支撐斜撐前期軸力變化趨勢與直撐相同，拆除第4，5道鋼支撐后軸力逐步減小，施作中板，拆除第2，3鋼支撐后軸力急劇減小，主要因為斜撐處在拐角位置，中板達到一定強度后，因拐角效應混凝土支撐受力減小。

2)混凝土直撐在部分工況下受拉，造成這樣的原因可能是開挖暴露時間長，下部支撐不及時，地下連續墻中下部整體產生向基坑內位移的趨勢，迫使混凝土支撐承受反向的力。可通過改變支撐間距、增設支撐、合理開挖避免混凝土支撐受拉。

3)鋼支撐軸力在開挖階段相對穩定，同一水平面上，各支撐軸力相差不大。同時拆除2道支撐，使上部支撐軸力迅速增大，應避免軸力突增產生不利影響。開挖深度5～8m為混凝土支撐最不利范圍，應嚴格按時空效應理論，規范施工。

4)模擬結果同實測結果雖有一定偏差，但總體較接近，整體趨于一致，基坑模型能反映開挖過程中支撐內力變化的一般規律，可為類似工程提供參考。