钢支撑滞后架设对基坑变形的影响分析

周 鹏,刘金龙,,姚 军,祝 磊

(1.安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001；2.合肥学院 城市建设与交通学院,安徽 合肥 230022)

地铁车站基坑工程对周边环境的影响较大，一般采用内撑式基坑支护体系。严格进行设计、规范化和系统化的施工，避免对周围环境带来不利影响是很必要的。

但在实际工程中由于各工种组织不协调导致超挖，未能按照在设计位置架设钢支撑或由于地质条件的复杂性，不得不滞后架设钢支撑。地铁车站基坑工程场地较大，钢支撑滞后架设的现象屡见不鲜。胡之峰等[3,4]通过有限元数值模拟系统分析不同钢支撑滞后架设程度对基坑变形和钢支撑轴力的影响，提出影响规律：钢支撑滞后架设会致使基坑变形急剧增大，随着滞后程度的增加，影响幅度愈加明显；且第2、3道支撑均滞后架设的影响程度要大于分别出现滞后影响之和，钢支撑滞后架设主要对与之相邻的上道支撑轴力产生影响。罗阳洋等[5]结合杭州某地铁车站基坑开挖工程通过有限元数值模拟分析超挖工况对地下连续墙水平变形的影响，结果表明超挖使地下连续墙水平变形增加50%，研究表示坑底加固可以减小钢支撑滞后架设的影响。可见钢支撑滞后架设对于基坑支护结构具有较大的影响。

本文通过Plaxis2D有限元软件进行数值模拟，研究合肥地区钢支撑滞后架设对基坑变形的影响及变形规律。

1 有限元模型建立

合肥市某地铁车站基坑支护工程，标准段基坑深14.5 m，基坑宽20 m。车站基坑距离周边建筑物较远，上方无管线，基坑主体主要处于黏土层，且具有弱膨胀趋势，施工期间若发生事故，易引发严重后果，造成巨大损失。

该基坑工程主体结构采用明挖顺作法施工，围护体系采取钻孔灌注桩+内支撑的支护形式，围护桩采用C30混凝土，桩长21.5，埋土深度为7 m，桩间距1.2 m，桩径0.8 m，桩间采用不小于100 mm厚挂网喷射混凝土。内支撑竖向架设三道钢支撑，三道钢支撑分别架设于距离地面1.1 m、4.38 m、9.54 m的位置。钢支撑采用 609，τ=16 mm的钢管支撑，采用点对点锚杆单元模拟，EA=6.14×106kN·m。第一、二道钢支撑间距为4 m；第三道钢支撑间距为3 m。基坑支护示意图如图1所示。

图1 钢支撑滞后架设的基坑支护示意图

依托该内撑式基坑支护工程为背景，现通过有限元软件建立数值计算模型。土层采用土体硬化小应变本构模型，该本构模型可以较好地模拟土体的回弹特性，其物理力学参数如表1所示，坑边延伸距离取60 m，建模深度为60 m。考虑到合肥地区土质排水性能良好，故建模中不考虑地下水渗流影响。围护结构由钻孔灌注桩等效为地下连续墙，采用板单元模拟，其物理力学参数如表2所示。钢支撑采用点对点锚杆单元模拟，可以在分阶段施工时模拟钢支撑施加预应力的工况，其物理力学参数如表3所示。有限元模型的网格划分如图2所示。

表1 土体小应变硬化本构模型土层物理力学参数

表2 等效地下连续墙材料物理参数

图2 有限元网格划分图

2 钢支撑滞后架设对基坑变形的影响

以超挖深度h反映钢支撑架设的滞后程度，对第2、3道钢支撑进行滞后程度调整(h2=h3=1 m、2 m、3 m)。就第2、3道钢支撑同时出现不同程度的滞后架设对基坑变形影响规律进行系统分析。

钢支撑滞后架设属于施工方面的问题，必然会对整个基坑开挖过程产生不利影响。为探究钢支撑架设对基坑开挖过程中对基坑变形产生的影响及变形规律，现将对比分析各施工阶段中，不同支撑滞后程度对基坑变形的影响。各施工阶段见表3。

表3 分阶段施工步骤

2.1 对水平变形的影响分析

2.1.1 对围护结构水平位移的影响分析

图3给出了滞后2 m时的各施工阶段围护结构水平变形曲线图，可以看出钢支撑发生滞后架设会导致开挖三阶段的围护结构水平变形发生急剧变化，而在开挖最终阶段的变化时极小的。表明钢支撑滞后架设在施工中间阶段影响较为显著。

图4给出了第2、3道钢支撑同时出现不同程度滞后架设，基坑开挖的围护结构水平位移曲线图。由于第一道内撑的作用，围护结构的水平变形曲线图总是“鼓状”型。开挖最终阶段，正常架设时的围护结构最大水平变形值为24.1 mm。随着滞后程度的增加，围护结构水平变形最大值分别同比增长6.3%、10.4%、21.0%。表明围护结构水平变形随着滞后程度的增加呈指数型增长。随着钢支撑架设滞后程度的增加，发生围护结构最大水平变形的位置会随之上移。

图3 滞后2 m的各阶段围护结构水平位移曲线

图4 不同程度滞后架设的围护结构水平位移曲线

图5给出了各施工阶段钢支撑不同滞后程度的围护结构水平变形最大值的变化趋势图。显而易见，在开挖中间阶段随着滞后程度的增加，围护结构的水平变形显著增大；在开挖最终阶段，钢支撑滞后架设对围护结构水平变形的影响较小，且围护结构水平变形最大值位置呈上升趋势。

图5 各阶段围护结构水平变形最大值

2.1.2 对土体水平变形的影响分析

图6给出了不同滞后程度下土体水平位移的等值线分布情况。随着滞后程度的增加，土体水平位移也有上升趋势，表明土体水平位移与钢支撑架设滞后程度成正相关。h2=h3=0 m时，土体水平位移最大值为19.31 mm；h2=h3=3 m时，土体水平位移最大值为23.79。同比增长了23.2%。

图6 土体水平位移等值线分布图

图7 滞后程度对土体水平位移最大值的影响

图7给出了不同滞后程度的土体水平位移等值线变化趋势，土体水平位移均指向开挖面。随着滞后程度的增加，水平位移的最大值随之增加。滞后程度越大，对土体水平位移的影响幅度越大。

2.2 对地表周边土体沉降的影响分析

图8给出了钢支撑滞后架设2 m的各施工阶段的地表沉降曲线图。钢支撑滞后架设并不会改变地表沉降变形趋势，仍保持为“凹槽型”曲线。在开挖三阶段，地表沉降出现急剧变化；在开挖最终阶段时的变化较为缓慢。表明钢支撑滞后架设对于地表沉降的影响在施工中间阶段较为显著。

图9给出了第2、3道钢支撑均出现不同程度滞后架设，基坑开挖的地表沉降曲线图。由于第一道钢支撑已经架设完成，围护结构顶部收到约束，所以无论钢支撑是否滞后，地表沉降趋势都表现为“凹槽型”性状。开挖最终阶段，正常架设时的地表沉降最大值为11.8 mm。随着滞后程度的增加，地表沉降最大值分别同比增长1.7%、18.7%、51.7%。

图8 滞后2 m的各阶段地表沉降曲线图

图9 不同滞后程度的最终地表沉降曲线图

图10给出了各工况中内支撑架设滞后程度对地表沉降最大值的影响趋势曲线图。可以看出，工况二和工况三施工阶段，随着滞后程度的增加，地表沉降最大值增长得越快；而在工况四阶段，地表沉降最大值随滞后程度变化的曲线相对缓慢。由此可见，内支撑架设滞后在施工中间阶段的影响更大；而在开挖最终阶段，虽然内支撑架设滞后对地表沉降有影响，但是相对较小。

图10 不同支撑滞后程度地表沉降最大值

2.3 对坑底隆起的影响分析

从图11可以看出，工况二开挖至距地面1.6 m处时，正常架设时的隆起最大值为16.6 mm。随着滞后程度的增加，坑底隆起最大值分别为23.4 mm、30.4 mm、37.7 mm。工况三开挖至距地面4.88 m处时，正常架设时的隆起最大值为49.9 mm。随着滞后程度的增加，坑底隆起最大值分别为55.1 mm、59.5 mm、63.1 mm。工况四开挖至距地面10.04 m时，无论钢支撑滞后程度如何，隆起最大值均为66 mm。由此可见，随着第2、3道钢支撑滞后架设程度的增加，基坑开挖中间阶段各工况的坑底隆起峰值都随之上升，且滞后程度越高，影响幅度越大(非线性关系)。但在开挖最终时的累计坑底隆起值是不变的，说明坑底隆起的最终值不受钢支撑滞后架设影响，影响只存在于开挖中间阶段。

图11 不同滞后程度坑底隆起最大值变化曲线图

3 结 论

(1)钢支撑滞后架设会致使围护结构水平变形和土体水平变形增大，且随滞后架设程度增加，其对围护结构水平变形和土体水平变形影响愈大。在基坑开挖中间阶段，滞后架设对围护结构水平变形和土体水平变形的影响较大；而在基坑开挖最终阶段，围护结构水平变形和土体水平变形受其影响影响很小。围护结构水平变形最大值位置会随支撑架设滞后程度增大而上移。

(2)支撑滞后架设会使坑底隆起值增大。基坑开挖中间阶段，坑底隆起值与滞后程度成正相关关系；在开挖最终阶段，滞后架设对坑底隆起变形几乎没有影响。

(3)基坑钢支撑滞后架设会致使土体的地表沉降增加。随着支撑架设滞后程度的增加，土体地表沉降成正相关增加，在开挖中间阶段影响幅度尤为明显。