地铁基坑地下连续墙及钢支撑支护结构性能研究

2021-03-12

工程技术研究 2021年4期

中交第三航务工程局有限公司，上海 200940

临近城市中心区域的地铁基坑施工开挖一般会引起地表沉降，随即引发市政管线开裂泄漏、市政道路开裂与沉陷、建筑结构开裂倾斜，甚至建筑物倒塌等工程事故。

深基坑支护系统包括两部分：围护结构和支撑结构。围护结构承受坑外土体的侧压力、基坑外地表超载作用，以及其他附加压力等作用并阻挡孔隙水，考虑到不同地区的地质条件、水文条件，基坑的支护体系及其变形效应也不同，因而采取有效的支护体系对基坑工程变形控制与安全至关重要[1-2]。

在开挖实践过程中，给支撑施加预加轴力，能消除支撑与围护结构间隙，防止支撑脱落，并且限制围护结构水平向位移，减小结构变形，保障周边管线与基坑安全。

针对基坑支护结构性能，许多学者开展了相关理论与实践方面的研究，提出了多种支护结构的计算理论与设计方法，如平面弹性地基梁法、经典的极限平衡法和数值分析法[3-5]。支护结构计算方法中应用最广泛的是平面弹性地基梁法，基床系数采用“m”法计算，该方法的关键是m的取值。

经典的土压力理论为极限平衡法的基础，近年来也取得了较大的发展，近几年实践及理论的发展促进了数值分析法的迅猛发展，该方法可以考虑支护结构和土体的共同作用[6]。

王洪新等[7]研究分析了基坑宽度对土压力的影响，并修正了土压力值，在杆系有限元法的基础上研究了基坑支护结构计算方法，对杆系有限元法进行了改进。陆新征等[8]以某深基坑工程为实例，建立了三维有限元模型，研究了不同的开挖及基坑降水方案对支护结构变形的影响，认为基坑开挖过程安全与否的重点是考虑支护结构与周围土体能否有效地协调作用。应宏伟等[9]以杭州某大型基坑为实例，进行了现场监测，分析实测数据，得到基坑周边的三维空间效应与基坑开挖方案有关。李忠超等[10]利用有限元软件PLAXIS 2D研究了两种计算方法传统经验公式法与有限元强度折减法的基坑稳定性安全系数，当参数选取不排水抗剪强度指标时，两种计算方法得到的稳定性安全系数均接近1，当参数选取C值、φ值时，两种计算方法得到的稳定性安全系数均小于1。

文章以杭州地铁某基坑工程为例，基于地铁基坑围护结构变形控制原则，构件考虑钢支撑刚度与预加轴力的地铁基坑支护结构有限元模型，研究钢管内支撑、地下连续墙等支护的结构性能，并探讨相关性能对周边既有结构变形的影响。

1 工程概况

杭州地铁10号线汽车北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，总长526m，标准段宽为21.7m，采用双柱三跨（局部三柱四跨）钢筋混凝土箱型框架结构，采用全包防水结构。车站标准段基坑施工方法采用半盖挖法，围护地下连续墙厚度为1000mm，墙体进入基坑底23～24m，总长41m。坑内外均从地面至坑底以下7.75m深度范围采用Φ850@600mm三轴搅拌桩加固地连墙成槽槽壁。沿基坑深度方向布设5道内支撑，第1道支撑为钢筋混凝土结构，截面尺寸为800mm×1000mm@4000mm，其他4道支撑为钢管内支撑，尺寸为Φ609mm/Φ800mm（t=16mm）@6000mm，且在施工中施加预应力，并采用轴力自动补偿的伺服系统。

根据工程地质勘察报告及室内试验，北站场地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依次为填土、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。开挖施工深度影响范围内土层参数具体如表1所示。

表1 基坑深度土层参数

2 数值模型及参数

2.1 数值模型简化

杭州地铁10号线一期工程线汽车北站站基坑开挖深度最深处约为17.5m，实例选取南侧部分深基坑，利用有限元软件建立三维模型，对基坑开挖施工过程进行模拟分析。在建立有限元数值分析模型时，为减小地铁基坑开挖边界条件的影响，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120m×100m×60m，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。围护结构构件参数如表2所示。

表2 围护结构构件参数

2.2 模型参数确定

根据工程地质勘察报告，基坑深度范围内的土层参数见表1，梁构件、钢支撑、地下连续墙等围护结构构件参数如表2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。

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间存在如下关系：

上述关系式中，参数取值一般为0.778≤k≤1，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所示。

表3 线性D-P硬化模型参数

3 地下连续墙支护结构性能探讨

3.1 数值模型分析验证

通过分析对比数值计算与实测的地下连续墙水平位移与地表沉降变形，分析判别模型计算值的可靠性。如图1所示的数值计算与实测的地下连续墙水平位移曲线说明土体本构模型能较好地预测地下连续墙的水平位移。

图1 数值计算与实测的地下连续墙水平位移与深度关系曲线

基坑开挖至第3步时沉降量比较如图2所示，计算值与实测值相近，在误差允许范围内，模拟计算结果满足精度要求，验证了数值模型计算结果可行。

图2 第3步开挖后数值计算与实测的周边地面累计沉降曲线

实测值与计算值对比表明，模型所采用的参数及简化合理，采用德鲁克普拉格硬化模型可以合理模拟分析地铁基坑围护结构性能。

3.2 地下连续墙与钢支撑的性能

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012），围护结构内支撑预加轴力取值可以为0.5～0.8倍内支撑轴力设计值，对于该工程实例，研究钢支撑不同预加轴力（内支撑设计轴力的50%、60%、70%和80%）水平下支护结构变形控制效果，以便确定最优预加轴力。

不同预加轴力坑外地表沉降变形如图3所示。由图3可知，距坑边超过10m，坑外沉降随着距离的增大而逐渐减小。参照无预加轴力情况，预加轴力时坑外沉降比无预加轴力时的坑外沉降平均减小了1～2mm，地表沉降随预加轴力水平的提高而减小，与50%的效果相比，60%、70%和80%的影响稍强，综合来看预加轴力水平为70%时，施工更经济且更高效。

图3 不同预加轴力坑外地表沉降变形

不同预加轴力下地下连续墙变形特性如图4所示。由图4可知，地下连续墙变形随预加轴力水平的提高而减小，地下连续墙变形随着墙体入土深度的增大而逐渐增大，增至最大值后逐渐减小，当墙体深度达到约40m处时，五曲线合一。说明2倍开挖深度内，预加轴力可以有效约束地下连续墙变形；超过2倍开挖深度时，支撑预加轴力对墙体的变形无约束效果。总体而言，地下连续墙变形随预加轴力的提高而变小，预加轴力水平较高时，提高预加轴力水平不能明显减小墙体变形。考虑到经济因素、预加轴力与结构变形关系，预加轴力水平为70%时，施工经济且高效。