劉利國(guó) 羅家文 朱碧堂



收稿日期:2023-12-15
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52208343,52020105003)
文章編號(hào):1005-0523(2024)03-0020-09
摘要:【目的】研究地鐵車站狹長(zhǎng)型基坑施工過程中第一道支撐軸力過大的問題。【方法】通過土體小應(yīng)變剛度硬化模型(HSS)有限元分析,對(duì)車站基坑土方的開挖方式、鋼支撐安裝質(zhì)量差、鋼支撐未及時(shí)受力等情況進(jìn)行精細(xì)化模擬,分析其對(duì)第一道支撐軸力的影響。【結(jié)果】結(jié)果表明:采用盆式開挖對(duì)第一道支撐的軸力影響顯著,相較分層開挖的情況增大45%,應(yīng)及時(shí)安裝對(duì)應(yīng)位置的鋼支撐;安裝鋼支撐的預(yù)應(yīng)力未達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),會(huì)導(dǎo)致開挖到底時(shí)的頂層支撐軸力增大,增大幅度在10%以內(nèi),底層支撐軸力減小。【結(jié)論】在地鐵車站狹長(zhǎng)基坑開挖過程中應(yīng)限制盆式超挖;溫度變化對(duì)支撐軸力的影響不能忽視;安裝下層鋼支撐預(yù)應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)值時(shí),會(huì)導(dǎo)致開挖到底時(shí)的頂部支撐軸力偏大。
關(guān)鍵詞:狹長(zhǎng)型基坑;支撐軸力;土體小應(yīng)變硬化模型;盆式開挖
中圖分類號(hào):U231.4;TU52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
本文引用格式:劉利國(guó),羅家文,朱碧堂.地鐵車站狹長(zhǎng)基坑支撐異常軸力分析[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2024,41(3):20-28.
Analysis of Abnormal Strut Axial Forces for Narrow and
Long Deep Excavation of Metro Stations
Liu Liguo1,Luo Jiawen2,3,Zhu Bitang2,3
(1. China Railway No.4 Group Co., Ltd., Hefei 230023, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China; 3. Engineering R&D Centre for Underground Technology of
Jiangxi Province, Nanchang 330013, China)
Abstract: 【Objective】The purpose of this paper is to address the issue of excessive axial force in the first support of a narrow and long deep excavation of metro stations during construction.【Method】Through the method of finite element analysis using the hardening soil model with small strain stiffness (HSS), the excavation method of the station pit , poor quality of steel support installation, and the untimely stressing of the steel support are simulated in a refined way to analyze the influence on the axial force of the first support. 【Result】The results show that the use of basin excavation has a significant effect on the axial force of the first support, which increases by 45% compared with the case of layered excavation, and the corresponding position of the steel support should be installed in time; when the prestress of the installed steel support does not reach the design value, it will lead to an increase in the axial force of the top support at the end of the excavation, with an increase of 10% or less, and a decrease in the axial force of the bottom support.【Conclusion】Basin over-excavation should be strictly limited during excavation of narrow and long deep excavation of metro stations; The effect of temperature changes on support axial forces cannot be ignored; when the prestressing force of the installed lower steel support fails to reach the design value, it will lead to a large axial force of the top support at the bottom of excavation.
Key words: narrow and long deep excavation; strut axial force; hardening soil model with small strain stiffness; basin excavation method
Citation format: LIU L G, LUO J W, ZHU B T. Analysis of abnormal strut axial forces for narrow and long deep excavations of metro stations[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2024, 41(3): 20-28.
【研究意義】近年來為了滿足工程需要,地鐵車站基坑工程的規(guī)模呈現(xiàn)向“深、大、長(zhǎng)”發(fā)展的態(tài)勢(shì)[1-2]。地鐵基坑為滿足地鐵車輛編組的停靠和乘客上下?lián)Q乘效率的要求,一般長(zhǎng)度大于200 m、寬約20 m,開挖深度17~26 m,屬于狹長(zhǎng)型基坑,長(zhǎng)邊效應(yīng)和坑角效應(yīng)明顯[3],周圍環(huán)境復(fù)雜,既有建筑構(gòu)筑物易受到基坑開挖引起的土體應(yīng)力釋放影響,已成為目前地鐵施工的突出問題[4]。為此保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定和降低施工對(duì)周圍環(huán)境的影響,控制施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形[5-6]具有重要的研究意義。
【研究進(jìn)展】?jī)?nèi)支撐是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,主要分為混凝土支撐和鋼支撐兩種。對(duì)于上覆土層不高,地下二層島式地鐵車站,通常選用混凝土支撐作為第一道支撐,下部支撐采用鋼支撐的支護(hù)形式[7-8],進(jìn)而充分利用了混凝土支撐強(qiáng)度高、承載力強(qiáng)和鋼支撐拆裝速度快等優(yōu)勢(shì)。但受到地鐵施工環(huán)境的復(fù)雜性等多方面因素的影響,支撐軸力的實(shí)測(cè)值和設(shè)計(jì)值會(huì)出現(xiàn)一定的差異現(xiàn)象[9]。對(duì)于支撐軸力異常的現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的分析。肖振燁等[10]通過軸力監(jiān)測(cè)分析并結(jié)合CEB90模型提出一套軸力修正方法,提出非荷載因素對(duì)軸力監(jiān)測(cè)有很大影響。熊棟棟等[11]通過對(duì)比鋼支撐安裝時(shí)和千斤頂卸力后實(shí)測(cè)鋼支撐軸力,發(fā)現(xiàn)鋼支撐安裝時(shí)受到安裝偏差、偏心等原因無法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值。曹雪山等[12]通過有限元分析提出鋼支撐預(yù)加軸力與地連墻水平位移最大值呈負(fù)相關(guān)。Blackburn等[13]指出由溫度變化引起的軸力可達(dá)支撐軸力的40%,在特殊條件下溫度對(duì)支撐軸力的影響不能忽略。金亞兵等[14]采用彈性抗力法對(duì)支撐軸力的溫度變化進(jìn)行計(jì)算,得出支撐軸力的變化率為232.14 kN/℃,表明支撐軸力受到溫度的影響較大。徐昭辰等[15]結(jié)合某基坑工程中混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值預(yù)警的情況指出,混凝土徐變、收縮和彈性模量會(huì)影響混凝土支撐軸力大小,其中混凝土徐變最為顯著。雷亞偉等[16]指出,由于存在土拱效應(yīng),基坑局部超挖會(huì)對(duì)臨近超挖區(qū)的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生較大影響。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)支撐軸力的研究主要集中于支撐本身的物理特性,并取得一定的進(jìn)展,但現(xiàn)有研究對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境對(duì)支撐軸力的影響考慮較少。
【創(chuàng)新特色】為明確施工現(xiàn)場(chǎng)土方開挖的實(shí)際情況和鋼支撐的受力狀態(tài)對(duì)支撐軸力的影響,本文采用有限元計(jì)算軟件,考慮基坑施工過程中出現(xiàn)的盆式超挖、鋼支撐安裝預(yù)應(yīng)力過小和鋼支撐起部分支撐作用等因素,對(duì)基坑開挖過程中出現(xiàn)的頂部支撐軸力過大的情況進(jìn)行假設(shè)與分析。
【關(guān)鍵問題】針對(duì)開挖過程中支撐軸力過大的現(xiàn)象,本文基于南昌某地鐵基坑的實(shí)際施工情況,通過有限元計(jì)算軟件(PLAXIS 2D/3D)模擬和分析基坑施工過程中出現(xiàn)的工況對(duì)支撐軸力的影響情況,判斷出現(xiàn)軸力過大的原因,為相關(guān)工況及研究提供參考。
1 工程概況
車站為地下二層島式站臺(tái)車站,采用明挖順筑法施工。明挖基坑長(zhǎng)度為285 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.7 m,基坑深度約17.8 m,插入比0.7。明挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)形式,其中第一道為混凝土支撐,截面尺寸為800 mm×1 000 mm,第二、三道為鋼支撐,截面尺寸為800 mm×20 mm。地下連續(xù)墻厚度為800 mm,平均嵌固深度約1 m。車站場(chǎng)地附近的無地表水體,穩(wěn)定水位埋深為8.4~11.3 m。車站標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土層分布情況和參數(shù)如圖1所示,由上至下的土層依次為素填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫。車站位于昌東贛江沖積平原內(nèi),地層主要為上部的黏性土層和下部的富水砂層,為典型的二元地質(zhì)富水砂層結(jié)構(gòu),參照地質(zhì)水文條件,將其分類為Ⅰ類地層。
基坑各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)是確保基坑穩(wěn)定性和安全性的重要手段,結(jié)合相應(yīng)規(guī)范和周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),本車站基坑自身風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí),監(jiān)測(cè)等級(jí)為二級(jí)[17]。在日常監(jiān)測(cè)中,出現(xiàn)部分第一道混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)出現(xiàn)異常的情況,其軸力大小和現(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖2所示,基坑施工方向由圖中右側(cè)向左側(cè)進(jìn)行,A~F區(qū)代表不同的施工進(jìn)度,分別對(duì)應(yīng):中板施工完成、中板鋼筋綁扎、基坑開挖到底、基坑開挖9~14 m、基坑開挖3~9 m、基坑土方未開挖。其中點(diǎn)1-1至點(diǎn)15-1為混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)和某天軸力監(jiān)測(cè)的大小,F(xiàn)區(qū)未開挖故未對(duì)點(diǎn)1-1至點(diǎn)4-1的軸力大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
混凝土支撐軸力出現(xiàn)異常的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位主要集中在基坑右側(cè)基坑開挖到底的區(qū)域,考慮到A區(qū)和B區(qū)的第三層鋼支撐已拆除,選取位于C區(qū)基坑開挖到底時(shí)的9-1和10-1混凝土軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位作分析計(jì)算。
2 有限元模型建立
采用PLAXIS有限元軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)基坑開挖中出現(xiàn)的情況進(jìn)行模擬,選取C區(qū)的基坑標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行建模計(jì)算。基坑斷面有限元模型如圖3所示,模型長(zhǎng)寬高為50 m×150 m×70 m,地表標(biāo)高取零,地下連續(xù)墻選擇板單元,混凝土支撐和鋼支撐選取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元,結(jié)構(gòu)與土體接觸選擇界面單元,模型側(cè)面設(shè)置法向約束,頂面自由,底面為完全固定約束。在開挖過程中的降水使用穩(wěn)態(tài)地下水滲流模擬,關(guān)閉Xmax和Xmin方向地下水滲流計(jì)算的模型條件。
研究表明,土體小應(yīng)變剛度硬化模型(HSS)較好的反映了土體剛度的變化規(guī)律[18],模擬基坑開挖時(shí)的變形規(guī)律[19-22]與實(shí)際相近,但不同地區(qū)的土層參數(shù)相差較大。針對(duì)HSS模型參數(shù)的選取,王凌等[23]提出的取值方法能夠很好的模擬南昌河流階地內(nèi)基坑開挖情況,采用表1所示的取值方法對(duì)土體小應(yīng)變模型的參數(shù)進(jìn)行選取,其中砂土變形模量[Eref50]取1.5倍的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù),黏土取對(duì)應(yīng)Es1-2大小[24],γ0.7砂土取小值,黏性土取大值。土體初始剪切模量[Gref0]采用式(1)計(jì)算
[Gref0=ρV2s] (1)
式中:ρ為土體密度;Vs為土體剪切波速。表2為土體HSS模型參數(shù)的取值大小。
為驗(yàn)證模型參數(shù)選取的準(zhǔn)確性,選取混凝土支撐軸力在正常情況下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)9-1所在斷面進(jìn)行計(jì)算,對(duì)應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQT12和ZQT13。由于前期施工時(shí)北側(cè)為出土處,將開挖的土方集中在北側(cè)基坑內(nèi),導(dǎo)致出現(xiàn)墻頂向基坑外位移的情況,開挖情況如圖4所示,故對(duì)應(yīng)有限元計(jì)算中的土方開挖如圖5所示。
圖6為基坑開挖到底時(shí)地下連續(xù)墻的側(cè)向變形實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比圖。實(shí)測(cè)ZQT13最大變形為18.35 mm,深度-15.0 m,采用土體小應(yīng)變剛度硬化模型(HSS)有限元模擬的最大變形為18.60 mm,深度為-14.8 m,兩者的最大變形相近且對(duì)應(yīng)的深度相近,誤差在5%以內(nèi),兩者的地連墻橫向位移變形曲線形狀相同,均為內(nèi)凸型。而對(duì)于ZQT12實(shí)測(cè)值與模擬值變形曲線大致相同,均出現(xiàn)在深度為0時(shí)變形向基坑外的情況,兩者地連墻最大變形分別為16.67 mm和16.22 mm,對(duì)應(yīng)深度為-16.0 m和-15.4 m。通過模擬值和實(shí)際變形量的對(duì)比,驗(yàn)證了本次模型參數(shù)的準(zhǔn)確性,后續(xù)的不同施工情況可使用相同的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
3 計(jì)算結(jié)果分析
3.1 鋼支撐預(yù)應(yīng)力安裝未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況,在架設(shè)鋼支撐預(yù)加軸力使用的液壓千斤頂,沒有將鋼支撐施加到預(yù)定的預(yù)加軸力大小,安裝后鋼支撐的預(yù)加軸力僅能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的60%。
針對(duì)這種情況,在有限元計(jì)算中改變架設(shè)鋼支撐時(shí)施加預(yù)應(yīng)力的大小,計(jì)算開挖到底時(shí)每道支撐的軸力大小。如圖7所示當(dāng)沒有對(duì)鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力時(shí),混凝土支撐的軸力相對(duì)于正常情況施加1 200 kN預(yù)應(yīng)力時(shí)高出14%。當(dāng)預(yù)加軸力達(dá)到設(shè)計(jì)值40%時(shí),混凝土支撐的軸力在開挖到底時(shí)高出正常情況10.3%。
混凝土支撐的軸力與鋼支撐的預(yù)加軸力呈反比,但預(yù)加軸力過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致下部支撐軸力過大。施加的鋼支撐預(yù)應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)值時(shí),會(huì)對(duì)混凝土支撐的軸力產(chǎn)生一定影響。相反,當(dāng)混凝土支撐軸力過大時(shí),可以提高下方鋼支撐安裝時(shí)的預(yù)加軸力,能一定程度減小混凝土支撐的軸力。
3.2 鋼支撐發(fā)揮部分作用
在監(jiān)測(cè)過程中,存在鋼支撐的軸力在某個(gè)定值下穩(wěn)定的情況。考慮可能出現(xiàn)鋼支撐與地連墻連接質(zhì)量差,引起鋼支撐無法及時(shí)受力。針對(duì)該情況,在有限元模擬中使第二道鋼支撐的軸力為一定值,即開挖過程中該支撐的軸力不變,計(jì)算其他支撐的軸力變化情況。
計(jì)算結(jié)果如圖8,可以看出當(dāng)?shù)诙冷撝屋S力發(fā)揮部分作用時(shí),對(duì)混凝土支撐軸力影響較大,混凝土支撐承擔(dān)了更多開挖土方引起的軸力。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況當(dāng)鋼支撐軸力在1 200.0 kN時(shí),對(duì)應(yīng)的混凝土支撐軸力為3 214.9 kN,相較于正常的開挖情況更大。與實(shí)際監(jiān)測(cè)的混凝土軸力4 413.9 kN情況不符合。鋼支撐發(fā)揮部分作用是導(dǎo)致混凝土軸力增大的影響因素之一。
3.3 溫度導(dǎo)致的支撐軸力大小波動(dòng)
溫度變化對(duì)支撐軸力大小的影響較為明顯,《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JG J120—2012)要求在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮溫度應(yīng)力的變化。表3為同一天內(nèi)不同的室溫條件下測(cè)量的支撐軸力大小,此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)基坑施工條件基本不變,可以視為支撐軸力僅受溫度變化影響。可以看出,在室溫為17 ℃時(shí)測(cè)量的軸力相較于室溫為20 ℃時(shí)測(cè)量的小,單位溫度下的混凝土支撐軸力平均變化量為149.1 kN。軸力最大變化發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)11-1,增大542.5 kN,相較于室溫為17 ℃時(shí)增大了8.5%。
為計(jì)算溫度對(duì)支撐軸力的影響,假定支護(hù)結(jié)構(gòu)和土之間相互作用且變形協(xié)調(diào),采用文獻(xiàn)[16]提出的計(jì)算方法,選擇混凝土軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)10-1處的斷面進(jìn)行計(jì)算。通過并聯(lián)彈簧分析模型,計(jì)算得到3道支撐在溫度提升1 ℃時(shí)的軸力增量分別為:[Nt1=98.09 kN,Nt2=54.83 kN,Nt3=63.6 kN],計(jì)算結(jié)果基本相近,理論計(jì)算的支撐軸力小于實(shí)測(cè)值的12%左右,主要是因?yàn)闇囟鹊慕y(tǒng)計(jì)是基于整個(gè)區(qū)域的天氣預(yù)報(bào),與實(shí)際的溫度存在一定的偏差,導(dǎo)致存在一定誤差。基于實(shí)測(cè)軸力變化量和計(jì)算軸力變化量,可見當(dāng)溫度出現(xiàn)10 ℃以上的變化時(shí),會(huì)導(dǎo)致支撐軸力出現(xiàn)較大的波動(dòng)情況,溫度對(duì)支撐的影響不能忽視。
3.4 基坑預(yù)留土對(duì)支撐軸力的影響
預(yù)留土是基坑支護(hù)的一種手段,采用合理的預(yù)留土坡可以起到較好的臨時(shí)支護(hù)作用,通常適用于大型基坑中,對(duì)狹長(zhǎng)型基坑支護(hù)效果的研究較少。圖9為施工現(xiàn)場(chǎng)某日的開挖情況,現(xiàn)場(chǎng)采用分層分步開挖施工,并選擇使用預(yù)留土作為臨時(shí)支護(hù)。由于現(xiàn)場(chǎng)土方開挖和鋼支撐安裝的隊(duì)伍分屬不同的單位,存在未及時(shí)安裝鋼支撐而向下開挖土方的情況,僅在鋼支撐支座處留有1 m左右的土坡頂寬度方便鋼支撐安裝。本文將該種施工情況簡(jiǎn)稱為盆式超挖,對(duì)該情況進(jìn)行分析。
現(xiàn)場(chǎng)的土方開挖情況大致可以分為以下4種,對(duì)應(yīng)圖10中的②③④⑤。工況2預(yù)留土頂部寬度、底部寬度和高度分別為0,7.0,3.5 m,預(yù)留土底部對(duì)應(yīng)第二道鋼支撐安裝處,開挖深度為9 m。工況3預(yù)留土頂部寬度、底部寬度和高度分別為1,10,6 m,預(yù)留土頂部深度對(duì)應(yīng)第二道鋼支撐安裝對(duì)應(yīng)深度-8.9 m,底部開挖深度為-14.9 m,保留1 m寬度方便現(xiàn)場(chǎng)施工人員安裝第二道鋼支撐。工況4為工況3安裝鋼支撐后,將兩側(cè)預(yù)留土體開挖至第三道鋼支撐處,預(yù)留土底部開挖深度仍為-17 m,預(yù)留土頂部寬度、底部寬度和高度分別為1.0,7.0,3.1 m。工況5為安裝第三道鋼支撐后向下開挖到基坑底面-18.2 m。
結(jié)合以上工況在有限元分析中建立相應(yīng)的計(jì)算模型如圖11所示,并考慮現(xiàn)場(chǎng)鋼支撐預(yù)加軸力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)值的情況,比較不同的開挖方式對(duì)第一道支撐軸力的影響。混凝土支撐軸力的變化情況如圖12所示,采用盆式超挖的混凝土支撐軸力隨開挖深度的增大而增大,在開挖到底時(shí),混凝土支撐軸力達(dá)到最大值3 645.0 kN,而采用正常的分層開挖時(shí)的混凝土支撐軸力為1 828.4 kN。對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近,存在一定的偏差,但現(xiàn)場(chǎng)基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)在工況2時(shí)測(cè)定的混凝土支撐軸力為3 321.8 kN,相應(yīng)的盆式超挖的軸力大小為3 167.8 kN,也較為接近于實(shí)際情況。可見盆式超挖對(duì)第一道支撐軸力產(chǎn)生較大的影響。
4 結(jié)論
對(duì)于頂部支撐軸力異常的情況,采用有限元數(shù)值分析和理論公式計(jì)算,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工情況進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論:
1) 在基坑開挖時(shí)采用盆式超挖會(huì)引起頂部支撐軸力過大的情況,應(yīng)對(duì)盆式超挖進(jìn)行限制。
2) 安裝下層鋼支撐時(shí)的預(yù)應(yīng)力大小同頂部支撐軸力呈負(fù)相關(guān),當(dāng)頂部支撐軸力過大時(shí),可適當(dāng)提高下部鋼支撐安裝時(shí)的預(yù)加軸力。
3) 當(dāng)鋼支撐與地連墻連接質(zhì)量差引起鋼支撐無法及時(shí)受力時(shí)會(huì)引起鄰近支撐軸力增大的情況。
4) 出現(xiàn)10 ℃以上的溫度變化時(shí)應(yīng)密切關(guān)注支撐的受力狀態(tài),做好防護(hù)措施。
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第一作者:劉利國(guó)(1989—),男,工程師,研究方向?yàn)榈罔F車站及隧道方面施工。E-mail:429657119@qq.com。
通信作者:朱碧堂(1974—),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榈叵驴臻g技術(shù)開發(fā)。E-mail:btangzh@hotmail.com。