基于动态设计理念的江洲深基坑内支撑优化设计＊

王薇，罗超，李享松，黄昌洋，何波

(1.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075;2.中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410117)

动态设计理念就是指在工程施工过程中结合不断变化的工程状况和周围环境不断地审核现有设计方案，在需要的时候进行适当修正和完善，以达到确保工程质量、节约工期和减少成本等目的的设计理念。动态设计理念广泛运用于边坡、隧道以及基坑工程中，由于工程地质水文条件的复杂性以及初步勘测调查的局限性导致设计存在很多不确定因素，因而设计工作不能根据最初勘测结果一次性完成，需要将设计延伸到施工全过程中，根据实际工程状况和监测反馈信息来进行动态设计［1－5］。动态设计施工通过设计－施工螺旋式循环模式使设计方案更符合实际工程情况，是实践与理论辩证关系的基本原理在工程实际中的具体体现［6－7］。橘子洲地铁车站作为目前国内第一座在江洲中施工的车站，基坑开挖深度大，地层呈现上软下硬，基坑开挖方式采用机械开挖和爆破开挖相结合。由于处于江洲，其最显著的特点是基坑外地下水位随季节变化明显。地质水位条件的变化以及基坑开挖的不断进行都会影响到基坑工程中各种不确定因素，进而影响原有设计方案的合理性，因而有必要运用动态设计理念进行动态设计施工以确保基坑的稳定和车站修建的顺利进行。

1 工程概况

1.1 概述

长沙市轨道交通2号线一期工程为东西走向，橘子洲站为本工程第5个站，地处湘江橘子洲岛上，车站长度方向为东西方向，与湘江大桥平行。车站为地下4层10 m岛式车站，主体结构型式采用四层两跨整体式现浇钢筋混凝土矩形框架结构。车站基坑采用明挖法施工，基坑总长138 m，深度为30.8 ～31.7 m，标准段宽22.2 m，端头扩大段宽度为28.1 m，车站顶板覆土厚度为3.4 m。车站基坑西端有湘江一桥匝道桥的沉井基础2座，距离基坑约7 m;基坑东端距离橘子洲岛边固脚挡墙只有2.7 m;基坑北端距离湘江一桥沉井基础46 m。橘子洲站平面示意图见图1。

图1 橘子洲站平面示意图Fig.1 Sketch map of JuZiZhou station

1.2 地质水文条件

橘子洲车站基坑场地内地层分布:杂填土(Q4ml)层位于地表，厚度一般小于5.0 m，局部可达8.0 ～13.5 m;中(细)砂(Q2al)以石英质为主，层厚0.6～9.5 m;圆砾(Q2al)粒径2 ～4.5 cm，层厚0.5～23 m;强风化板岩层岩质极松软，极易捏碎，遇水易软化、崩解，层厚 1.1 ～24.70 m;中风化板岩层岩质软—较硬，较难折断，全场分布;微风化板岩层岩质较硬，较难折断，层厚2.30～21.16 m。场地区域总体呈现出“上软下硬”的地层分布。

站场属湘江水系，水资源丰沛。湘江在施工地段河床宽1300～1400 m，河床断面呈不对称的“U”。水位受大气降水影响明显，涨落差达10 m，湘江河床处地下水与地表水(湘江)连通。

1.3 基坑围护结构设计概况

基坑围护结构形式为地连墙+钢筋混凝土内支撑。地连墙厚度1000 mm，深度36.8 m，采用C30混凝土水下浇筑，接头采用工字钢连接。地连墙顶部设置冠梁，第1道钢筋混凝土支撑为琵琶撑，截面尺寸为600 mm×1000 mm，水平间距8 m;第2～5道钢筋混凝土支撑截面尺寸为700 mm×1200 mm水平间距4 m;端头设置斜支撑，支撑竖向间距6 m，腰梁截面尺寸600 mm×1200 mm。为减少湘江水对基坑开挖影响，结合车站两端盾构进出站加固，注浆加固范围为南、北两侧地连墙外6 m，深21 m，东、西两端地连墙外9 m，深31.5 m。其中标准段具体布置如图2所示。

图2 围护结构及注浆加固示意图Fig.2 Skctch map of envelop enclosure and grouting

2 不同水位下围护结构受力变形分析

2.1 模型参数选取及边界条件

采用FLAC软件进行数值模拟，FLAC软件模拟地质材料，具有更强的优势［8］。用FLAC对该基坑体系建立二维地层－结构模型进行分析。基坑水平方向沿边界向周围各扩展约3倍基坑开挖深度，模型长度为204 m。由于坑底以下为岩层，底边界则自坑底往下取20 m，约为50 m。橘子洲车站数值模拟几何模型如图3所示。

图3 数值模拟几何模型Fig.3 Geometric model of numerical simulation

岩土采用20节点的实体单元模拟，地连墙采用8节点的Beam单元模拟，围檩和支撑采用3节点的梁单元模拟。此外，还将施工地连墙时所作导墙按抗弯刚度相等的原则等效为位于坑口附近的梁。土的应力－应变关系近似采用摩尔－库仑模型，土体－结构的相互作用采用接触面进行模拟。模型左右两侧约束X方向，底边Z=0处X方向和Z方向采用固定约束。计算模型中土层计算参数如表1所示。

江洲中水位季节性变化明显，且受降水影响较大。为模拟地下水位变化对围护结构受力变形的影响，模拟工况根据地勘报告的描述，设置的安全施工最高水位为与地表齐平0 m，最低水位位于地面以下14 m位置，水位每变化2 m设置为一个工况。由于地下20 m以下为板岩，其含水量低，假设为隔水层，同时，围护结构采用隔水性较好的地连墙，周围6 m范围内进行了加固，不考虑渗流影响。数值模拟过程结合实际施工过程，将土体进行分步开挖，每开挖完每层土体后施加钢筋混凝土内支撑，直至开挖到基坑底面线。

2.2 模拟结果分析

基坑的受力变形特征主要从地表沉降、地连墙墙体侧向位移及各道横撑轴力进行分析，由于各工况下分析工序较多，数据繁多，本文主要讨论不同水位工况下施工期间不同工序中受力变形特征的最大值变化情况。由表2知地表沉降及地连墙侧向位移随着水位的降低而不断减小，最高水位至最低水位减小比例基本都达60%，而各道支撑由于支撑位置和水位的位置及加固措施的影响，其变化趋势有起伏，但总体趋势仍是不断降低，第4和第5道支撑轴力随着水位的降低分别降低50%和44%，在低水位下有较大的富余量。

表1 土层计算参数Table 1 The parameters of soil layers

表2 不同水位工况下施工期间受力变形特征最大值Table 2 The max value of force and deformation under different water levels

3 内支撑动态优化设计

3.1 地下水位监测结果分析

为了对基坑场地区域地下水位进行实时监控，在基坑周围共布置6个地下水位测点H001～H006如图4所示。

图4 地下水位监测点布置图Fig.4 Skctch map of water level monitoring site

对各测点数据进行统计得地下水位时程图(见图5)。监测结果显示在整个施工期间，地下水最高水位距地表8.75 m，最低水位距地表13.96 m，涨落差约5 m。由于第6、8月湖南大范围下雨导致湘江水位上涨，使得出现2个洪峰期:6月9日—7月24日和8月2日—8月29日，其它时间段水位距地面一般处于12～14m范围内。

图5 地下水位时程图Fig.5 Time－height graph of groundwater

根据监测结果，8月29日以后，此时正进行第5和第6层板岩地层爆破开挖，水位距地面均处于12～14 m，结合表2数值模拟结果，分析低水位下(取距地面12m处)基坑开挖其变形受力的各项指标如表3，其安全控制允许值范围之内，而且都有较大的富余量或较高的安全系数，故可对第4和第5道内支撑进行动态优化设计。

3.2 内支撑优化方案

地铁车站基坑的内支撑结构一般采用钢筋混凝土支撑、钢支撑，而钢支撑又分钢管支撑和型钢支撑。钢支撑与混凝土支撑对比有以下优点:(1)钢支撑可以重复利用，而钢筋混凝土支撑只能一次性使用，从经济性上比较，钢支撑可以避免资源的浪费，有较大的节省空间;(2)钢支撑安装拆除方便，安装后即可发挥作用，而混凝土支撑从钢筋、模板、浇筑至养护的整个施工过程需要较长的时间，难以做到随挖随撑，这不利于控制墙体变形，对于大型基坑的下部支撑采用钢筋混凝土支撑应特别慎重［9］，因此，从加快施工进度方面，钢支撑的施作比钢筋混凝土支撑的施作节省大量的时间。综上所述，采用钢支撑对节省成本、加快施工进度都有显著的作用，但其刚度较差，节点易变形破坏，因此，要经过严格的设计以保证合理性。

橘子洲车站处于江洲上，该岛为一绿化景观岛，对环境要求较高，同时，该车站对工期要求极高，因此以缩短工期及经济性的目的，经过综合对比，第4和第5道支撑优选采用钢支撑方案，根据数值模拟分析，结合工程类比，初步拟定橘子洲车站基坑支撑优化方案如图6。车站第4道钢筋混凝土支撑变更为双榀钢支撑，钢支撑规格为直径Φ =609 mm，钢管厚度t=16 mm，水平间距4 m，单根钢支撑设计轴力为1900 kN，预加轴力600 kN固定于钢围檩上;车站第5道钢筋混凝土支撑变更为单榀钢支撑，钢支撑规格为直径Φ =609 mm，钢管厚度t=16 mm，水平间距4 m，单根钢支撑设计轴力为1900 kN，预加轴力600 kN固定于钢围檩上。

图6 优化方案横断面图Fig.6 Cross－ sectional figure of optimum proposal

3.3 优化方案数值模拟及分析

表4所示为优化方案数值模拟分析得到的整个开挖过程中各项特征值的最大值。由表4可知:基坑内撑优化方案下各项特征值均在安全允许范围内，其中第4道支撑轴力和第5道支撑轴力安全系数分别为1.023和1.391，满足基坑开挖稳定性要求。

表3 低水位期间受力变形值Table 3 The value of force and deformation during low water level

表4 优化方案模拟结果Table 4 The simulated results of optimum proposal

3.4 现场实施效果

现场实际施工过程中，第4道支撑首先施作的是16～28号支撑，采用钢筋混凝土支撑，随后根据新的设计方案现场及时调整1～15号支撑采用钢支撑。第5道支撑全部采用钢支撑，共28根。及时对钢支撑轴力进行监测，支撑轴力监测值如表5所示。

表5 支撑轴力监测结果Table 5 The monitoring results of support axial force

由表5可知:钢筋混凝土支撑轴力测点D303在7600 kN左右，D301，D302和D304轴力稳定在5500～6500 kN，富余量较大，可达 1577～2577kN(钢筋混凝土支撑轴力设计值为8077 kN)。钢支撑测点监测结果较小，未超过设计值，钢支撑在维护基坑稳定起到了良好的作用。在橘子洲基坑工程中，结合实际工程状况，运用动态设计理念及时将钢筋混凝土支撑改为钢支撑取得了良好的效果，达到了加快施工进度和节约成本的目的。

4 结论

(1)江洲中水位的变化对基坑开挖受力变形特征值有很大的影响，最低水位(H=14 m)比最高水位(H=0 m)下地表沉降值及地连墙的侧向位移最大值分别降低了60%和58%，各道支撑轴力随水位的降低，有一定的起伏，但总体趋势不断减小，其中第4、5道支撑轴力降低明显，分别降低50%和44%。

(2)江洲中地下水位季节性变化明显，从现场实测及湘江水位历史统计资料，橘子洲车站地下水位大部分时间都是距地面12～14 m。在实际施工过程中，8月29日以后地下水一直保持较低水位，导致原方案设计值富余量大，有必要对内支撑进行动态优化设计。

(3)将动态设计理念运用到江洲基坑施工中，结合监控量测及时把握基坑安全状态，并实时调整基坑围护结构形式，通过将钢筋混凝土支撑调整为钢支撑，在保证基坑围护结构稳定的前提下，起到了加快基坑施工进度和节约成本的作用。

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