地鐵深基坑鋼支撐伺服軸力閥值研究

摘" 要：以杭州典型淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土中應(yīng)用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)為背景，對(duì)應(yīng)用伺服系統(tǒng)時(shí)地表沉降和深層水平位移特性方面開展研究，通過Plaxis有限元分析，提出鋼支撐軸力閥值概念。結(jié)果表明，應(yīng)用伺服系統(tǒng)時(shí)基坑能有效減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，淤泥質(zhì)黏土的軸力閥值比粉質(zhì)粘土更大。文中結(jié)論可為鋼支撐軸力閥值設(shè)置提供支撐，對(duì)工程具有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：基坑工程；鋼支撐軸力閥值；圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形；地鐵；伺服系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U231.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）10-0009-04

Abstract： Based on the application of steel support axial force servo system in typical muddy clay and silty clay in Hangzhou， the characteristics of surface settlement and deep horizontal displacement are studied. Through Plaxis finite element analysis， the concept of steel support axial force threshold was proposed. The results show that the foundation pit can effectively reduce the deformation of the retaining structure when using the servo system， and the axial force threshold of muddy clay is larger than that of silty clay. The conclusion of this paper can provide support for the setting of steel support axial force threshold and has good practical value for engineering.

Keywords： foundation pit engineering; steel support axial force threshold; deformation of retaining structure; metro; servo system

傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼支撐普遍存在軸力損失問題，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)很難滿足一些變形要求較高的工程，為解決這一問題，人們開發(fā)了鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)。賈堅(jiān)等[1]于2009年研發(fā)了鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于上海會(huì)德豐廣場(chǎng)深大基坑工程中，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可將基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵隧道變形控制在設(shè)定目標(biāo)內(nèi)，保證了緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵安全。趙自強(qiáng)[2]以上海某軌道交通深基坑工程為例，運(yùn)用伺服鋼支撐將基坑最大變形控制在相對(duì)開挖深度的0.7‰以內(nèi)。黃亮亮[3]和陳金銘等[4]將伺服鋼支撐與普通鋼支撐進(jìn)行對(duì)比分析，表明采用伺服鋼支撐能夠減小基坑變形，降低對(duì)周邊環(huán)境的影響。陳保國(guó)等[5]研究了內(nèi)支撐體系、地連墻和墻后土體之間的協(xié)調(diào)變形特性，結(jié)果表明，實(shí)際工程中并非基坑水平位移控制越嚴(yán)格，支護(hù)體系就越安全，而是應(yīng)合理控制內(nèi)支撐伸縮長(zhǎng)度，并加強(qiáng)支撐軸力和位移監(jiān)測(cè)。Nangulama等[6]發(fā)現(xiàn)逐級(jí)增加鋼支撐伺服軸力對(duì)提高鋼支撐軸向承載能力和控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形具有重要意義。張秀川等[7]對(duì)鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在深基坑中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析其實(shí)用性，并提出了施工過程中的注意事項(xiàng)。Di等[8]對(duì)比分析了液壓伺服鋼支撐和普通鋼支撐的變形控制效果，結(jié)果表明，與普通鋼支撐相比液壓伺服鋼支撐具有優(yōu)越的支撐效果。

在工程實(shí)踐中，鋼支撐伺服閥值基本上以經(jīng)驗(yàn)為主，對(duì)設(shè)置方法研究較少。本文以杭州典型粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)黏土為對(duì)象，應(yīng)用數(shù)值模擬對(duì)鋼支撐伺服軸力閥值展開研究，為工程設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)和參考。

1" 鋼支撐極限承載力的確定

理論上鋼支撐對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施加的力越大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形會(huì)越小，但是軸力應(yīng)小于鋼支撐的極限承載力。依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]可得鋼支撐的極限承載力應(yīng)滿足

Nmax=φAfy" ，" " " " " "（1）

式中：Nmax為構(gòu)件極限承載力；φ為構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，其值根據(jù)鋼支撐長(zhǎng)細(xì)比、鋼材屈服強(qiáng)度、截面分類確定；A為鋼支撐截面面積；fy為鋼材的屈服強(qiáng)度。

工程中鋼支撐主要采用609 mm（外徑）×16 mm（壁厚）和800 mm（外徑）×16 mm（壁厚）規(guī)格。依托杭州武林門地鐵基坑，鋼支撐長(zhǎng)度取為22.4 m，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]，2種規(guī)格鋼支撐的φ值分別取0.59和0.77，將各參數(shù)代入式（1）中得609 mm×16 mm規(guī)格的鋼支撐極限承載力為4 108 kN，800 mm×16 mm規(guī)格的鋼支撐極限承載力為7 199 kN。設(shè)計(jì)中一般取安全系數(shù)為0.6，則極限承載力分別為2 465 kN和4 319 kN，該值作為鋼支撐軸力閥值的上限。

2" 鋼支撐伺服軸力閥值研究

2.1" 工程概況

依托杭州武林門地鐵車站基坑建立有限元模型。該車站主體長(zhǎng)178 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為22.4 m，深度約為25.0 m，頂板覆土約為3.6 m。該站主體圍護(hù)采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，墻底入中風(fēng)化凝灰?guī)r2.0～5.6 m。基坑共設(shè)置8道支撐，第一、三、六道為1.0 m×1.0 m截面的鋼筋混凝土支撐，第二道為鋼支撐（直徑為φ609 mm，厚度為16 mm），第四、五道為鋼支撐（直徑為φ800 mm，厚度為16 mm），第七、八道為鋼支撐（直徑為φ800 mm，厚度為20 mm）。

2.2" 模型參數(shù)確定

杭州常見的典型地層為淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土，對(duì)這2種地層條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形展開研究。首先以實(shí)際地層（淤泥質(zhì)黏土）對(duì)模型進(jìn)行校正，以此為基礎(chǔ)將原地層中的淤泥質(zhì)黏土替換成粉質(zhì)黏土，并依托該地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

地層分布如圖1所示，其中左側(cè)地層分布是實(shí)際地層，為典型淤泥質(zhì)黏土，右側(cè)地層為粉質(zhì)黏土。應(yīng)用有限元軟件Plaxis建立數(shù)值模型，土體采用小應(yīng)變硬化（HS-Small）模型，本構(gòu)模型參數(shù)見表1。基坑開挖深度為25 m，地連墻采用板單元，線彈性模型，厚度為1.2 m；混凝土支撐采用梁?jiǎn)卧孛娉叽鐬?.0 m×1.0 m，鋼支撐采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元，均取800 mm×16 mm規(guī)格的鋼支撐，結(jié)構(gòu)與土體接觸采用界面單元模擬。采用三道混凝土支撐加五道鋼支撐的形式，基坑典型斷面如圖1所示。

2.3" 有限元模型有效性驗(yàn)證

圖2是實(shí)際地層條件下地連墻水平位移模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較。由圖2可知，地下連續(xù)墻水平位移的模擬值和實(shí)測(cè)值基本吻合，兩者變化趨勢(shì)一致，說明土體采用的本構(gòu)模型能很好地模擬出地下連續(xù)墻的水平位移，驗(yàn)證了計(jì)算模型的有效性。

2.4" 普通預(yù)應(yīng)力鋼支撐數(shù)值模擬

1）在典型淤泥質(zhì)黏土條件下，建立數(shù)值計(jì)算模型，分析開挖過程中支撐軸力、地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形變化過程。各道支撐軸力發(fā)展過程如圖3所示。由圖3可知，預(yù)應(yīng)力鋼支撐軸力普遍在2 200 kN左右，遠(yuǎn)小于800 mm×16 mm規(guī)格的鋼支撐極限承載力（4 319 kN，見前述）。地表沉降最大值和地連墻水平位移最大值發(fā)展過程如圖4所示。由圖4可知，地連墻最大水平位移為72.5 mm，地表沉降最大值為59.8 mm，地連墻水平位移和地表沉降均較大。

在典型粉質(zhì)黏土條件下，建立數(shù)值計(jì)算模型，分析過程與典型淤泥質(zhì)黏土地層條件相同。經(jīng)分析可見，普通預(yù)應(yīng)力鋼支撐軸力基本上在2 000 kN左右，未能充分利用鋼支撐性能，地連墻水平位移達(dá)到64 mm，地表沉降最大值為49.0 mm，變形較大。

基于以上2個(gè)典型土層的數(shù)值分析可以得出，普通預(yù)應(yīng)力鋼支撐無法滿足變形控制要求高的基坑，但鋼支撐伺服軸力閥值一直沒有明確的規(guī)定，工程多憑借經(jīng)驗(yàn)確定，以下對(duì)鋼支撐伺服系統(tǒng)軸力閥值開展研究。

2.5" 典型土層軸力閥值設(shè)置

2.5.1" 軸力閥值內(nèi)涵

依據(jù)規(guī)范[10]，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與開挖深度比值小于0.2%H（H為開挖深度），將其設(shè)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)目標(biāo)變形值，取剛好滿足該水平位移下的鋼支撐軸力為其閥值。同時(shí)該閥值的限定條件是要小于極限承載力。

2.5.2" 軸力閥值的確定

以開挖深度為25 m的基坑為例，典型淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)粘土條件下建立有限元模型，得到伺服軸力閥值見表2。

由表2可見，淤泥質(zhì)黏土地層條件下基坑鋼支撐軸力閥值比粉質(zhì)黏土條件下稍大。這是由于淤泥質(zhì)黏土土質(zhì)比粉質(zhì)黏土稍差，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生更大的變形，需要更大的伺服軸力控制變形。

2.5.3" 軸力閥值作用下地連墻位移分析

各道鋼支撐軸力設(shè)置為表2中的閥值，典型地層為粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土?xí)r地連墻水平位移，如圖5所示。由圖5可見，粉質(zhì)粘土基坑的地連墻最大水平位移由普通鋼支撐時(shí)的64.12 mm減少到49.53 mm，減少了14.59 mm，減少22.8%；淤泥質(zhì)黏土基坑的地連墻最大水平位移由普通鋼支撐時(shí)的72.51 mm減少到49.21 mm，減少了23.3 mm，減少32.13%。通過主動(dòng)調(diào)控軸力，2種工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形均小于規(guī)范值50.0 mm，說明軸力伺服系統(tǒng)能有效地減少地連墻的變形。

3" 結(jié)論

通過對(duì)杭州典型地質(zhì)條件下的淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土深基坑開挖的分析，可以得到如下結(jié)論。

1）伺服鋼支撐軸力設(shè)為其閥值能明顯減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，在變形控制嚴(yán)格的基坑工程中采用伺服鋼支撐系統(tǒng)，并將軸力設(shè)為閥值可以取得良好圍護(hù)效果。

2）土質(zhì)越差，需要的軸力閥值越大。軸力閥值的大小應(yīng)根據(jù)具體工程的工況進(jìn)行研究。

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