预加钢支撑轴力及其刚度对地铁基坑围护结构变形影响

时间：2024-07-28

蔡坤坤

（中交第三航务工程局有限公司，上海 200940 ）

0 前言

近年来城市基建的快速发展，轨道交通迎来建设高峰，地铁基坑临近城市中心区域，基坑开挖致使地层损失与应力释放，进而引起大范围的地表沉降，沉降变形随即引发市政管线开裂泄漏、市政道路开裂沉陷、建筑倾斜、结构开裂甚至建筑物倒塌等工程事故。在基坑开挖过程中，预加钢管内支撑轴力，避免支撑滑落，约束基坑围护结构水平向变形，减小围护结构变形、降低对周边既有结构的影响，保障基坑工程安全。深基坑支护结构包括两部分：支撑和围护结构，围护结构承受基坑外土体的侧压力、地表超载作用其它附加压力等作用并阻隔孔隙水，考虑到不同地区地质条件、水文条件，基坑围护体系及其变形效应也不同，科学合理的支护体系对基坑工程安全至关重要[1,2]。针对深基坑支护变形性能，许多学者开展了相关理论与实践方面的研究工作，徐中华等[3]对大量基坑支护结构实测数据进行系统对比分析，研究得到了基坑开挖施工条件下地下连续墙支护结构水平变形与深度的相关关系，发现基坑底部附近区域处水平变形最大；姜忻良等[4]模拟土体时，使用弹簧单元代替实体单元，建立了支护结构为地下连续墙基坑围护开挖模型，研究分析围护墙体内力、变形和内支撑轴力，分析发现理论分析数据与现场实测数据基本一致。吴剑峰[5]建立了平面桩撑支护结构的数值分析模型，系统研究了施工工况下排桩内力与变形特性及分布规律，研究发现支护排桩结构变形和内力在开挖面附近达到最大。

本文以杭州地铁某基坑工程为例，考虑钢支撑刚度与预加轴力的影响，建立地铁基坑围护结构分析计算模型；研究了不同刚度钢管内支撑预加不同轴力对地铁基坑围护结构变形、周边地表沉降和地下连续墙水平变形等影响的变化规律；结合工程实测数据，探讨了预加钢管内支撑轴力及其刚度对基坑支护结构变形控制机理。

1 工程背景

1.1 工程概况

杭州地铁10 号线汽车北站站基坑工程，位于杭州市拱墅区花园岗街与莫干山路交叉口南侧，采用双柱三跨、局部三柱四跨，钢筋混凝土箱型框架结构，总长度、标准段宽度分别为526m、21.7m，采用全包防水结构。汽车北站站平面示意图1，车站标准段基坑施工方法采用半盖挖法，厚度为1000 mm 围护地下连续墙，墙体进入基坑底23～24m，总长41m；采用φ850@600 三轴搅拌桩加固地连墙成槽槽壁，坑内外加固深度范围为从地面至坑底以下7.75m；布设五道内支撑沿基坑深度方向，第一道支撑为的钢筋混凝土结构，截面尺寸为800 mm×1 000 mm@4000 mm，其它四道支撑为钢管内支撑，尺寸为Φ609/Φ800（t=16 mm）@6000 mm，在施工中采用轴力自动补偿的伺服系统施加预应力。

图1 汽车北站站平面示意图

图2 剖面B-B 示意图

1.2 工程地质条件

根据地质勘察报告及室内试验，汽车北站地貌类型为杭嘉湖冲湖积平原，地势较低，地形开阔平坦，基坑施工影响深度范围内主要地层为填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土等。结合纵断面图，基坑开挖涉及的各土层水平向地层分布相对较为平稳，开挖深度范围内岩土施工等级为Ⅱ级普通土。汽车北站基坑施工开挖探度影响范围内土层参数具体见表1。

表1 基坑深度土层参数

2 有限元数值模拟

2.1 计算模型简化

杭州地铁10 号线一期工程汽车北站站基坑施工开挖深度最深处约为17.5m，本文计算选取南侧部分深基坑，利用通用有限元软件建立了三维结构分析模型，对开挖施工进行了模拟分析。在建立数值分析模型中，为减小地铁基坑开挖边界条件的影响，三维模型尺寸取值约为基坑尺寸的2～3 倍，整体模型尺寸(长度× 宽度×深度)取120 m×100 m×60 m，基坑施工阶段模拟中，土体本构模型采用德鲁克普拉格硬化本构分析模型，根据工程地质勘察报告以及实际情况，土体参数取值如表1。基坑围护结构，如地墙、钢支撑等构件参数取值如表2，南侧基坑围护结构如钢支撑、地墙模型如图3 所示。计算模型中关于本构关系参数取值，首先通过室内试验研究得到摩尔库伦参数C 值与φ值，如表1 所示。

图3 地下连续墙及支撑模型

在三维结构分析中，德鲁克普拉格本构模型参数与摩尔库伦本构模型参数存在如下关系：上述关系式中，参数取值一般如，0.778≦k≦1.0，即φ≦22°；当φ≥22°时，取k=0.778。根据上述关系公式，得到德鲁克普拉格本构模型参数σc，β和k，具体参数取值如表3。

2.2 基本开挖施工过程模拟分析

在数值分析模型中，通过激活和钝化冻结网格组单元、荷载边界条件、结构对象类组等来实现施工中土体开挖、围护结构布设等施工工况模拟。施工阶段工况划分如表4 所示。

表2 围护结构构件参数

表3 线性D-P 硬化模型参数

表4 基坑施工阶段

2.3 数值模型验证

地铁基坑开挖过程中，开挖卸荷诱导地下连续墙向坑内变形，进而引起对坑外地表沉降及临近结构变形，通过对比分析数值计算与实测地铁基坑地墙水平的变形、坑外地表沉降，研究验证数值计算精度及其可靠性。图4 中坐标系位移正负方向规定：竖向沉降向上为正，水平位移以基坑方向为正。

图4 地下连续墙水平位移与深度曲线

图5 第4 步开挖后周边地面累计沉降随坑外距离的变化曲线

由如图4、图5 可知，地铁基坑地墙水平变形的实测值与计算值变化规律吻合、坑外地表沉降的实测值与计算值变化规律吻合，由此表明根据本实例土体本构模型计算得到的数值结果与实测值规律相一致。图5 为第四步基坑开挖工况，结果表明在距离边缘0～10 m 范围时，地表沉降随距离增大而增大，10 m 左右沉降达到最大，随后沉降随距离增大而不断减小。由以上综合分析得到，采用D-P 硬化模型可以合理反映地铁基坑围护结构实际位移，数值计算结果满足精度要求，该数值模拟方法可行可靠。

3 钢支撑与地铁围护结构变形特性

3.1 钢管内支撑刚度的影响

基坑支护结构刚度越大，地下连续墙变形越小，本文结合工程实例分析不同直径和壁厚、即不同刚度钢管支撑布设下基坑围护结构地墙水平变形与坑外地表沉降变形特性，研究得到变形与深度关系曲线、沉降与坑外距离曲线分析结果如图6～图7。

图6 不同壁厚钢管支撑时地下连续墙的水平变形与坑外地表沉降特性

图7 不同钢管直径支撑时地下连续墙的水平变形与坑外地表沉降特性

由图6～图7 可知，随着壁厚增厚，地下连续墙水平位移逐渐减小，一定程度抑制墙体变形，过厚对抑制墙体变形增长不明显；同时地表沉降随着壁厚增大而较小，在基坑边缘10 m 处地表沉降达到最大；地下连续墙水平位移随着钢支撑直径增大而逐渐较小，一定程度抑制地下连续墙变形；显著增加钢支撑直径对减小地表沉降变形的作用不显著。

由图可知，地下连续墙水平位移和地表变形均随着支撑刚度的增大而减小，当钢管外径为600～630 mm、钢管壁厚为14～16 mm 范围变化时，地墙水平变形与地表沉降随钢管直径与壁厚增而减小显著；直径大于800、壁厚大于16，变形减小的效果不显著。对于严格变形控制的工程可以优先刚度大的钢支撑，结合本基坑工程，钢管直径为609 mm、壁厚为16 mm 和钢管直径为800、壁厚为16 mm 的钢支撑有利于本工程的变形控制。

3.2 预加钢支撑轴力下围护结构变形特性

不当施加支撑预加力均会影响周边建筑结构、管线与基坑安全，适度预加钢支撑轴力可以减小围护结构变形，降低基坑开挖对周边管线及建筑结构的影响，结合工程实践分析研究不同水平预加钢支撑轴力下围护结构的变形规律；以钢支撑设计轴力为基准，分析不同预加水平，如预加水平为轴力设计值的0%、40%、80%、120%、160% 等水平下结构变形变化规律。

图8 不同预加轴力下地下连续墙的水平变形特性

图8 为不同预加轴力水平下的地下连续墙水平变形与深度的关系曲线。由图可知，墙体顶部及坑底水平变形相对较小，在提高预加轴力水平的过程中，墙体水平变形随轴力水平的增大而不断减小。当支撑预加轴力水平在0%～120%之间变化时，墙体水平变形随预加轴力水平的增大而明显减小。

图9 不同预加轴力水平下坑外地表沉降变形特性

图9 为不同预加轴力水平下坑外地表沉降变形关系曲线。由图可知，地表沉降随着预加支撑轴力水平增大而减小，地表沉降距离基坑边缘10m左右达到最大。

由以上分析得到，提高支撑预加轴力可以有效地减少地下连续墙变形与坑外地表沉降。当支撑预加轴力水平在0%～120%之间变化时，墙体水平变形与坑外地表沉降随预加轴力水平的增大而明显减小，超过120% 时减小效果不明显。结合北站工程实际情况，在基坑分阶段开挖时，钢支撑预加轴力水平建议控制在设计值的40%～120%，该范围内可有效控制基坑变形，保障周边管线、地下既有结构、建筑结构及基坑工程安全。