地铁车站深基坑支撑下方中立柱设置优化研究

2019-08-15周群立孙宏斌

城市轨道交通研究 2019年7期

周群立王斌孙宏斌

(1. 合肥城市轨道交通有限公司，230001，合肥；2. 安徽省综合交通研究院股份有限公司，230001，合肥//第一作者，高级工程师)

地铁明挖基坑主要采用排桩或地下连续墙加内支撑的围护结构型式。当支撑长度超过20 m时，在支撑下设置格构式临时立柱，作为竖向支撑，用以减小支撑计算长度，提高支撑稳定性。在基坑开挖过程中，坑底回弹会带动立柱桩和立柱发生向上隆起，因此:当立柱与围护桩(墙)之间存在差异沉降时，支撑会产生附加内力；当附加内力累计到一定程度时，支撑会失稳或被破坏，严重影响基坑安全。文献[1-2]研究了立柱竖向位移对支撑稳定性的影响。

本文根据某地铁车站基坑开挖过程中立柱和围护桩的竖向位移实测数据，分析中立柱隆起对支撑体系的影响，研究地铁基坑工程中取消中立柱情况下增大支撑承载力或减小支撑内力的措施。

1 工程概况

1. 1 基坑工程概况

合肥市轨道交通5号线云谷路站主体基坑总长145.85 m，标准段宽22.3 m，深约24.8 m；盾构工作井宽26.0 m，深约26.0 m。基坑开挖范围及坑底均位于硬塑状黏土层中。地层物理力学参数见表1。

表1 云谷路站主体基坑地层物理力学参数

车站主体结构采用明挖顺作法施工，围护结构采用φ1.2 m钻孔灌注桩+内支撑支护体系，竖向共设5道支撑+1道换撑。其中,第1道支撑为钢筋混凝土支撑，其余均采用外径为609 mm、壁厚16 mm的Q235钢管支撑。支撑设钢格构式临时立柱，立柱下设φ1.2 m立柱桩兼抗拔桩，桩长20 m，桩底位于⑥全风化泥质砂岩层中。基坑围护结构横剖面如图1所示。

图1 云谷路站主体基坑围护结构横剖面图

基坑开挖遵循“先撑后挖、分层开挖”的原则，依次开挖至各道支撑底再架设支撑直至开挖至坑底，最后浇筑底板。

1. 2 中立柱、围护桩及支撑的竖向位移监测数据分析

在中立柱及支撑两端围护桩顶布置竖向位移监测点，如图2所示。该基坑于3月2日开始开挖，10月15日完成最后一块底板浇筑。中立柱与围护桩竖向位移监测数据变化曲线如图3～4所示。

图2 中立柱与围护桩竖向位移监测点布置图

图3 中立柱竖向位移监测数据变化曲线图

图4 围护桩竖向位移监测数据变化曲线图

由图3～4可见，基坑开挖导致围护桩及中立柱均产生了向上隆起位移。围护桩隆起位移相对较小，开挖一段时间后隆起量趋于稳定，最大隆起量为9.8 mm；中立柱隆起位移相对较大，随着基坑开挖深度的增加，隆起量亦不断增长，底板浇筑完成后略有回落，之后隆起放缓并逐渐趋于稳定；LZ3测点最大隆起量达到了55 mm，远超过了20 mm的监测报警值。

2 中立柱隆起对支撑的影响

2. 1 内支撑竖向位移

混凝土支撑直接支承在中立柱上，钢支撑通过钢连系梁支承在中立柱上。计算分析时，可将中立柱视为内支撑的中间支座，中立柱隆起相当于内支撑中部发生了位移。在研究中立柱隆起对内支撑的影响时，应采用中立柱围护桩的相对位移进行分析，在不同工况条件下，各道支撑中支座位移为各工况相对位移减去架设时的相对位移。

本文选取最具代表性的标准段LZ2中立柱进行分析。考虑支座位移的相对性，对监测数据进行处理后，得到在不同工况条件下各道支撑的中间支座相对围护桩的竖向位移，如表2所示。

表2 在不同工况条件下各道支撑的中间支座相对围护桩的竖向位移表

2. 2 混凝土支撑影响分析

由表2可见，第1道混凝土支撑对内支撑中间支座相对位移在工况5时最大，达到37.0 mm。为研究中立柱隆起对混凝土支撑的影响，分别计算混凝土支撑两端为固定和简支边界条件下，内支撑中间支座发生37.0 mm隆起时的混凝土支撑内力，计算简图见图5。混凝土支撑截面尺寸为0.8 m×1.0 m，混凝土强度等级为C30，支撑截面上、下排主筋均配置8根φ25 mm HRB400级钢筋。工况5时单根混凝土支撑轴力为400 kN。混凝土支撑受弯刚度根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》第7.2节中的相关规定进行计算，计算结果见图6。

图5 混凝土支撑计算简图

图6 混凝土支撑弯矩图

由图6可见，在两端固定或两端简支边界条件下，混凝土支撑最大弯矩均发生在内支撑中间支座位置。由弯矩计算的混凝土支撑受力状态见表3。

表3 混凝土支撑受力计算结果

由表3可知：在两端固定或两端简支边界条件下，混凝土支撑内钢筋的最大应力均小于钢筋强度设计值360 MPa，满足受力要求；在两端固定时，最大裂缝宽度为0.52 mm，超过了GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》第3.4节中最大裂缝宽度限值0.3 mm；两端简支时最大裂缝宽度满足规范要求。由于混凝土支撑实际边界条件是介于两端固定与两端简支之间，故混凝土支撑承载能力满足规范要求，但最大裂缝宽度可能会超限。

2. 3 钢支撑影响分析

钢支撑计算长度为21.3 m，与钢围檩相交处可视为简支。根据轴力监测数据，第2～5道钢支撑单根最大轴力分别为1 810 kN、2 230 kN、1 453 kN和743 kN，综合考虑钢支撑轴力和表2中的相对位移值，分别选取第2、第3道钢支撑，计算该相对位移产生的附加弯矩，并根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》第8.2节中的相关规定进行偏心受压时的钢支撑稳定性验算，得到工况5时中间支座相对围护桩的最大竖向位移情况下钢支撑的计算结果(见表4)。

表4 中间支座相对围护桩最大竖向位移情况下钢支撑计算结果

由表4可知，第2、第3道钢支撑的中支座发生竖向位移后，经计算钢支撑稳定性均小于1.0,满足规范要求，且存在一定富余量。因本工程钢支撑轴力实测值比理论计算值小，故稳定性计算结果偏小。

3 取消中立柱对比分析

设置中立柱是为了提高支撑的竖向稳定性，但另一方面中立柱隆起又降低了支撑稳定性。为研究设置中立柱的利弊，针对本基坑，进行了取消中立柱对混凝土支撑及钢支撑的影响对比分析。

3. 1 混凝土支撑内力及变形

混凝土支撑下设置立柱主要是为了减小由自重引起的弯矩和挠度。JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》规定：混凝土支撑截面高度不宜小于竖向平面内计算长度的1/20，故一般当支撑长度大于20 m时，应在支撑下设置立柱。

若LZ2位置处混凝土支撑下不设中立柱，计算得到本基坑混凝土支撑在两端固定条件下的最大弯矩为836 kN·m，满足结构受力及最大裂缝宽度限值要求，在两端简支条件下混凝土支撑的最大弯矩为1 254 kN·m。因此，适当加大混凝土支撑截面高度或下排配筋面积可满足结构受力要求及最大裂缝宽度限值要求。

3. 2 钢支撑内力及变形

若取消中立柱，经计算，长21.3 m的钢支撑由自重产生的跨中挠度为20.4 mm，弯矩为130 kN·m，钢支撑承载力约为1 700 kN，小于第2、第3道钢支撑轴力监测值。可见，若取消中立柱，由于长细比增大，钢支撑承载力降低，不能满足该基坑的受力要求。

在取消中立柱情况下，可采取措施增大支撑承载力或减小支撑内力，以满足受力要求。增大支撑承载力的措施有加大钢支撑直径或壁厚、采用高强度钢支撑、选用混凝土支撑等；减小支撑内力的措施有减小支撑水平间距、调整支撑竖向布置等。

对于本基坑工程，若选用外径为800 mm、壁厚16 mm的Q235钢支撑，经计算，长21.3 m的钢支撑由自重产生的跨中挠度为13.4 mm，弯矩为172 kN·m，钢支撑承载力约为3 250 kN，可满足受力要求。因此，不仅可以不设中立柱及立柱桩，还可以优化取消换撑。经初步测算，优化取消中立柱后基坑支护体系造价可节省约85万元。