地铁深基坑支护结构钢支撑力学参数研究

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(沈阳建筑大学 土木工程学院， 辽宁 沈阳 110168)

近年来，城市地铁建设发展越来越快，施工开挖越来越深，从最初的开挖深度为5～7 m发展到目前最深已超过20 m。深基坑工程大量出现，各种支护结构也在不断地完善和发展。钢支撑具有自重小、施工方便、工期短、造价低廉、可重复使用等优点，因此得到广泛使用。地铁站坐落于人口密集地区，地狭人稠，存在大量建筑物和重要管线，在施工过程中必须严格控制基坑的变形。如果钢支撑体系缺乏准确的设计，出现异常情况而没有采取技术措施，则容易造成围护结构失效、基坑塌方，甚至道路破坏和建筑物倒塌[1]。在施工过程中，开挖深度不断增大，通过对钢支撑监测可以明确其受力状态并保证围护结构安全。本文中通过对沈阳市地铁10号线北大营街站深基坑围护结构变形和周边地表沉降进行监测，并结合数值模拟，探讨在施工过程中基坑围护结构和周边地表的变化规律。

1　工程概况

沈阳地铁10号线北大营街站位于北海街与合作街路口以西，为10号线与4号线的换乘站。车站周边老旧房屋密集， 居民、 车流量较多， 环境风险源较多， 施工难度大。 车站北侧为北海街一环桥，南侧为高层住宅小区思和苑，西南角为12层住宅小区北海嘉园，西北角为沈阳市第十人民医院(沈阳市胸科医院)。10号线车站为地下2层双柱三跨岛式站台车站，车站长度为189 m,标准段宽度为22.7 m，扩大段宽度为26.5 m， 基坑深度为18.25 m。 车站采用半盖挖顺做工法施工， 支护方式为钻孔灌注桩加内支撑， 基坑采用坑外井点降水方案。 车站小里程盾构井段围护桩采用直径为1 000 mm、 桩间距为1 200 mm的钻孔灌注桩，标准段围护结构临近高架桥侧采用直径为1 000 mm、桩间距为1 200 mm的钻孔灌注桩，另一侧采用直径为800 mm、桩间距为1 200 mm的钻孔灌注桩，换乘节点部分基坑采用直径为1 200 mm、桩间距为1 500 mm的钻孔灌注桩，车站基坑采用坑外降水方案。基坑支护结构剖面图见图1。

2　数值模拟分析

2.1　计算模型建立

根据圣维南原理和相关施工规范， 深基坑开挖影响范围约为基坑开挖深度的3倍[2]。 本文中地铁10号线最大开挖深度为18.25 m，为了简化计算，有限元模型尺寸取为80 m×80 m×40 m(长度×宽度×深度)。基坑施工阶段模拟中，选用Mohr-Coulonb模型作为土体本构模型，根据地质条件将土体分为5层，土体计算参数如表1所示。地下连续墙、钢支撑等构件采用通用实验室参数，如表2所示。整体模型如图2所示。地下连续墙及支撑模型如图3所示。使用MIDAS GTS NX软件建立基坑开挖模型时，一般通过公式把围护桩结构转化为等刚度结构的壁式地下连续墙[3]。钻孔灌注桩转换公式为

图1　基坑支护结构剖面图

(1)

(2)

式中：D为钻孔桩的直径，取为1 m；s为相邻2个钻孔桩之间的净距离，取为0.2 m；h为地下连续墙的厚度。取D为1 m，s为0.2 m，由式(2)可得到等刚度转换后的h为0.79 m。

表1　主要土层参数

表2　围护结构设计参数

图2　整体模型示意图

图3　地下连续墙及支撑模型示意图

2.2　基坑施工阶段定义

在模型建立完成后，通过定义施工阶段的方法对基坑开挖过程进行模拟， 而施工阶段中土体的开挖、衬砌及支护结构的安装、架设主要通过对网格组单元、边界条件和静力荷载的激活和钝化来完成。定义施工阶段如表3所示。

表3　基坑施工阶段定义表

2.3　计算模型适用性验证

深基坑开挖过程中，坑内土体开挖后产生的卸荷作用使得基坑地下连续墙产生水平位移，地下连续墙水平位移最直接体现基坑的变形情况。基坑开挖必然对周边环境产生影响，地表沉降反映了基坑开挖工程对环境的影响，也是判别支护体系是否有效性的重要指标[4]。本文中将对北大营街站深基坑进行三维数值模拟： 1)通过软件计算得到基坑在开挖过程中的支护结构和周边环境的变形情况，为下一步基坑开挖提供理论依据； 2)对地下连续墙水平位移实测数值与模拟数值进行对比分析，根据两者数据是否吻合，可以验证三维数值模型建立是否准确。图4、 5所示分别为开挖过程中地下连续墙深层水平位移变形云图和地表沉降云图。模拟值与实测值对比结果如图6、 7所示。

由图4、5可知， 在基坑开挖过程中围护结构变形较大的位置发生在地下连续墙上部或者中部位置。 由图6可知，地下连续墙深层水平位移实测值与模拟计算值吻合较好，地下连续墙变形趋势基本相同，这说明土体采用的本构模型能较好地预测地下连续墙的水平位移。 由图7可知， 当基坑开挖至坑底时， 地表沉降值在距基坑边缘10 m左右位置达到最大值， 在距离边缘0～10 m时，沉降量不断增加，超过10 m时沉降量不断减小。数值模拟值与实测值吻合较好，进一步验证了计算模型的适用性，表明可采用数值模拟分析在开挖过程中基坑支护结构和周边地表变形状况，从而信息化指导现场施工。

图4　地下连续墙水平位移云图

图5　第5步开挖地表沉降云图

图6　地下连续墙水平位移模拟值与实测值对比结果

图7　第5步开挖后地表沉降实测值与模拟值对比结果

3　钢支撑力学参数对基坑支护结构变形的影响

3.1　预加轴力的影响

钢支撑施加预加力对基坑的变形有重要影响，能够起到减小围护结构变形的作用，因此在支撑安装完毕后，应及时施加预加力[5]。支撑预加力过大会使支护结构向外移动，影响周围建筑和管线安全，破坏原有的土体结构，同时地下连续墙弯矩和剪力过大，使基坑发生失稳破坏；支撑预加力过小会使围护结构位移变形过大，从而影响基坑的安全。在本次模拟计算中，以支撑设计预加轴力为准，分别对支撑施加设计值的0%、50%、100%、150%、200%的轴力进行模拟分析。在钻孔灌注桩加内支撑的支护体系下，一般采取增加钢支撑的预加轴力的方法来控制地下连续墙最大水平位移量，结合上述模拟，在其他条件均不变的情况下，单独改变钢支撑的预加轴力， 观察不同预加力对控制深基坑变形的影响， 将得到的模拟结果用于后续基坑开挖过程中。图8所示为不同预加轴力下的地下连续墙深层水平位移曲线。由图可知，在钢支撑初始预加轴力从设计值的0%增至200%的过程中，地下连续墙深层水平位移不断减小，在地下连续墙上部及桩体下部，地下连续墙水平位移变形相对较小。当支撑预加轴力为设计值的0%～100%时， 地下连续墙水平位移减小幅度较大；当支撑预加力为设计值的100%～200%时， 桩体水平位移减少幅度较小，说明预加轴力小于设计值时对地下连续墙变形的影响较大，大于设计值时对地下连续墙变形的影响逐渐减弱。

图8　不同预加轴力时地下连续墙的水平位移

图9所示为不同预加轴力时的地表沉降。 由图可知， 地表沉降值随着支撑预加轴力的增大而减小， 即增大支撑预加轴力可以减小周围地表沉降值。 在数值模拟中， 地表沉降量最大值出现在距离基坑边缘10～12 m处。在沉降值达到最大时，地表沉降开始增大，但是增大趋势相对平缓。总体来看，各施工阶段沉降值的趋势是先增大后减小。结合地下连续墙水平位移曲线与地表沉降曲线来看，在基坑开挖至基底，地下连续墙水平位移曲线并没有出现悬臂形状，而是呈现抛物形，原因是土体受到冠梁和支撑的约束，限制了土体的位移。地下连续墙水平位移曲线与地表沉降曲线变形规律存在关联性。

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图9　不同预加轴力时的地表沉降

表4所示为不同预加轴力时地下连续墙水平位移及地表沉降最大值。由表可知，增大支撑预加轴力可以起到减少地下连续墙变形及地表沉降的作用。当支撑预加轴力从设计值的0%增至150%的过程中，地下连续墙水平位移和地表沉降最大值均有较大程度的减小， 超过150%时最大值减小幅度较小， 当预加轴力为0时，地下连续墙水平位移和地表沉降均超过16 mm， 为控制值的80%， 已达黄色预警。 结合北大营街站的地质条件及周围环境， 在基坑分阶段开挖时， 钢支撑预加轴力为设计值的50%～150%时，能够对限制基坑变形起到明显作用，满足基坑安全。

表4　不同预加轴力时地下连续墙的水平位移及地表沉降最大值

3.2　支撑刚度的影响

在基坑开挖过程中，地下连续墙与钢支撑共同组成基坑支护体系，支撑刚度是衡量基坑安全的重要性因素[6]。基坑支撑体系采用的支撑刚度越大，地下连续墙变形越小，但是过大的钢支撑刚度会造成资源浪费。结合本工程的数值模拟，通过增加直径和壁厚的方法来实现钢支撑刚度的增加，研究不同刚度钢支撑对地下连续墙深层水平位移以及地表沉降的影响。图10所示为不同壁厚和直径时地下连续墙的水平位移。由图可知，地下连续墙中部受支撑影响最大，地下连续墙的顶部及墙底变化较小。随着钢支撑直径和壁厚的增大，地下连续墙水平位移逐渐较小，但是变化幅度不大。将钢支撑刚度增大到一定范围，可以起到抑制地下连续墙变形的作用，但是支撑刚度过大对抑制地下连续墙变形起到的作用并不很明显。只有对地下连续墙变形要求严格的工程，才能通过提高支撑刚度来控制地下连续墙变形。由此可知，在满足基坑安全的前提下，可以减小支撑刚度，这样可以节省施工成本。

图11所示为不同壁厚和直径时的地表沉降。由图可知，支撑直径和壁厚的增大均能在一定程度上限制地表沉降量，但是作用不明显。地表沉降最大值出现在基坑边缘10 m左右位置，在基坑边缘及距基坑较远处，地表沉降量均较小。地表位移曲线变化的整体趋势是先大幅度减小，后又缓慢增大，最终趋于稳定状态。

表5、6所示为不同钢支撑直径和壁厚时地下连续墙的水平位移及地表沉降最大值。由表5、6可知，随着支撑刚度的增大，地下连续墙水平位移和地表沉降不断减小，其中地下连续墙中部水平位移变化幅度稍大。当钢支撑直径为600～630 mm、 壁厚为14～16 mm时，地下连续墙水平位移与地表沉降最值减小量均较大，对支护结构变形抑制较好，但是钢支撑刚度过大，无疑会增加支撑体系预算；因此结合本基坑开挖，应优先选用直径为609 mm、壁厚为14 mm和直径为609、壁厚为16 mm的钢支撑，这样既可以满足围护结构的变形要求，又能降低造价。

4　钢支撑施工方案优化设计

通过第3节中深基坑施工对基坑地下连续墙变形和周边地表沉降的影响研究，以及不同钢支撑力学参数的分析， 深基坑施工对围护结构变形产生影响的形式和影响因子已有一定基础结论，但是在原设计方案中，对于钢支撑力学参数的选取过于保守。虽然可以充分保证邻近基坑的安全性能，但是不利于提高施工效率、经济效益。为此，结合第3节的分析，提出在原钢支撑设计方案的基础上进行优化设计，主要对深基坑施工中的钢支撑预加轴力、钢支撑刚度进行优化设计，各项参数优化列表见表7。

(a)不同壁厚(直径为609 mm)(b)不同直径(壁厚为16 mm)图10 不同钢支撑壁厚和直径时地下连续墙的水平位移

(a)不同壁厚(直径为609 mm)(b)不同直径(壁厚为16 mm)图11 不同钢支撑壁厚和直径时的地表沉降

表5　不同钢支撑直径时地下连续墙的水平位移及地表沉降最大值

表6　不同钢支撑壁厚时地下连续墙的水平位移及地表沉降最大值

表7　钢支撑参数优化表

使用数值模拟分析基坑开挖对周围地表沉降和地下连续墙水平位移的影响以确定优化方案的可行性，数值计算后的地下连续墙水平位移、地表沉降与原方案对比如图12所示。由图可知，基坑的地下连续墙的水平位移优化前的最大值为10.50 mm，优化后最大位移为12.01 mm， 增大了14%，基坑周围地表沉降优化前地表沉降量最大值为-8.69 mm，优化后沉降量为-9.51 mm，增大了10%，地下连续墙水平位移和地表沉降均有所增大，但增大幅度很小，都处于监测安全范围值以内，不会对基坑造成影响，同时钢支撑材料减少了很多，节省了大量工程成本。

(a)水平位移

(b)地表沉降图12　不同施工案地下连续墙的水平位移及地表沉降对比

5　结论

本文中以沈阳10号线北大营街站深基坑工程为背景，采用有限元软件MIDAS GTS NX进行模拟分析，研究施工过程中钢支撑预加轴力、钢支撑刚度等力学参数对基坑支护结构变形的影响，进一步对钢支撑施工方案进行优化分析，得出以下结论：

1)增大钢支撑预加轴力能够有效减弱基坑支护结构的变形，当预加轴力值为设计值的50%～150%时，限制地下连续墙水平位移和地表沉降的效果较明显，超过设计值150%时对地下连续墙的影响逐渐减弱，因此在基坑施工过程中应选择合理的预加轴力。

2)随着钢支撑刚度的增大，基坑支护结构的变形不断减小，当刚度过大时，对限制支护结构变形作用不明显，并且会增加成本，综合分析可知，选用直径为609 mm、壁厚为14 mm和直径为609 mm、壁厚为16 mm的钢支撑对限制地下连续墙水平位移和地表沉降的作用较好。

3)通过数值模拟对钢支撑施工方案设计进行优化，结果表明，经优化后地下连续墙水平位移和地表沉降均有微弱增大，但是都处于监测安全范围值以内，同时节省了大量工程成本。