共用既有地铁车站连续墙支撑轴力变化规律分析*

宁 毅，廖凌军，朱俊涛，杨 帅，雷亮亮

(中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710032)

0 引言

随着城市建设的发展，邻近地铁隧道的工程活动越来越多，邻近运营隧道的基坑工程无法规避[1]。基坑开挖过程中，难免会对周边地层产生扰动，使邻近地铁车站和区间隧道产生附加应力及变形，从而影响隧道结构的安全和地铁列车的正常运行。软土地区通常采用地下连续墙+内支撑支护体系，支撑轴力将直接影响相邻结构变形，因此对支撑轴力进行监测分析显得格外重要。

张忠苗等[2]依托杭州某地铁车站工程，分析粉砂土地区基坑施工全过程支撑受力特点，探讨支撑拆除对邻近支撑的影响。李守彪等[3]对软土地区半逆作深基坑施工过程进行支撑监测分析，探讨软弱地层条件下支撑轴力的变化趋势。郭利娜等[4]对武汉名都站深基坑工程钢支撑轴力进行监测，并结合数值模拟探讨钢支撑在不同开挖阶段的轴力变化规律。金生吉等[5]以沈阳市隧道基坑为背景，采用MIDAS GTS软件研究不同工况下支撑内力的变化趋势。张哲[6]以武汉市徐家棚站基坑为背景，对某次支撑轴力监测数据异常情况进行深入研究，并探讨了监测数据的合理性。张光建等[7]对某地铁换乘车站基坑支撑轴力进行研究，探讨其随土体卸荷时间的变化规律。张亚龙等[8]采用ABAQUS软件对饱和软黄土高水位地区深基坑钢支撑轴力进行分析，并结合现场数据，探讨开挖过程中轴力的变化趋势。

综上所述，对于共用既有地铁车站地下连续墙基坑在开挖过程中支撑轴力变化情况鲜有报道，本文针对苏州轨道交通S1线唯亭站1期工程，研究软土基坑共用地铁车站地下连续墙支撑轴力随土体卸荷时间的变化趋势，以期为类似工程提供技术参考。

1 工程概况

苏州城市轨道交通S1线唯亭站1期工程位于苏州市吴中区北部，基坑沿葑亭大道东西明挖施工，北邻唯亭实验小学，南邻地铁3号线车站，且与3号线车站共用围护结构，基坑平面位置如图1所示。整体近似为矩形，外包总长度为87.2m，南北方向宽20.15～24.20m，开挖深度约为17.3m，开挖面积约为2.1km2。

图1 基坑平面位置

考虑到基坑周边环境复杂，为最大程度地降低施工对周边环境的影响，设计采用800mm厚地下连续墙+5道内支撑支护方案，除第1道为混凝土支撑外，其余4道均为钢支撑。混凝土支撑截面尺寸为800mm×1 000mm，钢支撑选用φ609×16钢管，支撑布置剖面如图2所示。

图2 支撑布置剖面

2 水文地质条件

拟建场地坐落在长江三角洲东南部，浅土层主要由黏性土组成，夹砂性土。地表为沥青路面，高程为3.050～3.250m，根据地质勘察报告，场区的土层性质参数如表 1所示。地下水主要有潜水、微承压水和承压水，潜水主要赋存于浅部填土层，稳定水位为0.510～0.900m；微承压水主要赋存于③3粉土层和④2粉砂夹粉土层，稳定水位为0.500～0.600m；承压水赋存于⑦2粉土夹粉砂层，稳定水位为-2.500～-2.800m，年变幅1m左右。

表1 土层性质参数

3 支撑轴力监测

3.1 传感器安装

应用钢筋应力计测量混凝土支撑轴力。将钢筋应力计布置在1/3支撑长度处，平行于支撑方向，焊接在钢筋构架的上、下、左、右4面中间的主筋上。焊接时用湿麻布片或湿毛巾等包裹钢筋应力计，以免损坏传感器。钢筋应力计安装如图3所示。

图3 钢筋应力计安装示意

应用轴力计测量钢支撑轴力。待轴力计安装架与钢支撑中心重合后，焊接钢支撑固定钢板与轴力计安装架未开槽侧。冷却后，将轴力计固定在安装架内，在安装架2个翅膀内侧绑定轴力计电缆，确保轴力计和电缆不会掉落。轴力计安装如图4所示。

图4 轴力计安装示意

3.2 支撑轴力计算

应用频率接收仪接收传感器信号，通过监测频率测得拉力、压力的变化，按试验标定频率-应变换算数据，进而根据公式换算出支撑轴力。对于钢筋混凝土构件，在钢筋与混凝土共同工作、变形的条件下，轴向受力可表述为：N=ε(EcAc+EsAs)，考虑到监测频率的变化，同时兼顾温度变化对混凝土支撑受力的影响，其轴力可按式(1)，(2)计算，钢支撑轴力可按式(3)计算。

(1)

(2)

(3)

3.3 测点布设

考虑到基坑工程周边特点及支护方案的要求，对基坑5个断面共25道支撑进行监测，轴力监测点布置如图5所示。

图5 轴力监测点布置

4 支撑监测分析

为了更好地观察基坑施工过程中，土体卸荷对周边结构的影响，选取直接与共用地下连续墙相连的ZL2，ZL4，ZL5 3个断面的支撑监测数据，分析轴力在不同工况下的变化趋势。施工工况设置为：①工况1 施作地下连续墙；②工况2 开挖第1层土；③工况3 施作第1道混凝土支撑、冠梁；④工况4 开挖第2层土；⑤工况5 架设第2道钢支撑；⑥工况6 开挖第3层土；⑦工况7 架设第3道钢支撑；⑧工况8 开挖第4层土；⑨工况9 架设第4道钢支撑；⑩工况10 开挖第5层土；工况11 架设第5道钢支撑；工况12 开挖第6层土；工况13 施作底板；工况14 拆除第4，5道钢支撑；工况15 施作中板；工况16 拆除第2，3道钢支撑；工况17 施作顶板；工况18 拆除第1道混凝土支撑。不同工况下支撑最大轴力变化曲线如图6所示(正值为压力)。

图6 不同工况下支撑最大轴力变化曲线

由图6可知，混凝土支撑轴力较钢支撑变化明显，ZL2-1，ZL4-1轴力变化趋势基本一致，随开挖深度的增加轴力逐步增大，第4道钢支撑架设前轴力大幅度减小，从开挖第6层土开始轴力再次增大。斜撑ZL5-1前期轴力变化趋势与直撑ZL2-1，ZL4-1相同，拆除第4，5道钢支撑后轴力逐步下降，施作中板，拆除第2，3道钢支撑后，轴力急剧下降，主要因为斜撑ZL5-1处在拐角位置，中板达到一定强度后，因拐角效应混凝土支撑受力减小。值得注意的是，直撑ZL2-1，ZL4-1在部分工况下受力状态为拉力，原因可能是开挖暴露时间长，下部支撑不及时，地下连续墙中下部整体产生向基坑内位移的趋势，迫使混凝土支撑承受相反的力。

钢支撑轴力在开挖阶段相对稳定，同一水平面上，各支撑轴力相差不大。同一断面上，先架设的钢支撑较后架设的钢支撑轴力普遍偏小，但随着开挖深度的增加，这种趋势不复存在，第5道钢支撑内力略小于第4道钢支撑。第4，5道钢支撑拆除后，上部支撑轴力迅速增大，同时拆除2道支撑，对上部支撑的承载力也是一种考验，应逐道拆除并实时监控上部支撑受力，避免因支撑轴力突增诱发内支撑及其端部连接处出现受力破坏。开挖阶段，支撑ZL2-1在工况7下轴力达到最大，为2 044.09kN；支撑ZL4-1，ZL5-1在工况8下轴力达到最大，分别为 2 171.97，1 544.20kN。即开挖深度5～8m，为混凝土支撑最不利范围，应严格按时空效应理论，分层分段开挖，及时支撑，合理安排施工步序，尽量减少基坑无支撑暴露时间。

5 支撑轴力模拟与分析

5.1 模型建立

采用有限元分析软件MIDAS GTS/NX建立三维实体模型，模拟实际开挖过程中共用既有地铁车站基坑支撑轴力的变形。考虑基坑施工对周围土体造成的影响，三维实体模型尺寸为165m×225m×60m。基坑边界与模型边界间距大于3倍的开挖深度，基本满足模型边界对开挖无影响的要求[9]。

在东西、南北2条道路处施加20kN/m2均布荷载，在既有建筑处施加60kN/m2均布荷载，土体采用修正莫尔-库仑本构模型进行模拟，围护结构、既有结构采用弹性本构模型进行模拟，土体及结构计算参数如表2，3所示。有限元模型如图7所示。

图7 有限元模型

表2 土体计算参数

5.2 模拟与实测对比分析

ZL2，ZL4，ZL5最大支撑轴力模拟值与实测值对比曲线如图8所示。由图8可知，模拟数据同监测数据变化趋势基本一致，支撑ZL2-1在工况7下轴力达到最大，支撑ZL4-1，ZL5-1在工况8下轴力达到最大，整体数值略小于实测结果。造成这种偏差的原因主要是模拟时为了减少工程量，对周边建筑进行了一定程度的简化，主要考虑了基坑开挖与共用既有地铁车站围护结构的相互作用。同时，工程场地内土层分布不均，采用修正莫尔-库仑本构模型模拟基坑开挖过程，一些土体参数选取的不确定性也造成了误差的存在。测量仪器的灵敏性、测量工作的规范性、施工机械的扰动也会使监测结果出现误差，不合理的施工步序、支撑的及时性也会对支撑轴力造成较大影响。但模拟结果同实测结果整体趋于一致，能反映开挖过程中支撑内力变化的一般规律，可为类似工程提供参考。

表3 主要结构计算参数

图8 最大支撑轴力模拟值与实测值对比曲线

此外，由图8a，8b可知，直撑ZL2-1，ZL4-1在部分工况下，模拟混凝土支撑仍存在拉力，但相对于实测值整体偏小，进一步佐证拉力存在与开挖暴露时间有关。除及时支撑外，还可通过改变支撑间距、增设支撑、合理开挖避免混凝土支撑受拉。

6 结语

1)混凝土直撑轴力随开挖深度的增加而增大，第4道钢支撑架设前轴力大幅度减小，开挖第6层土时轴力再次增大。混凝土支撑斜撑前期轴力变化趋势与直撑相同，拆除第4，5道钢支撑后轴力逐步减小，施作中板，拆除第2，3钢支撑后轴力急剧减小，主要因为斜撑处在拐角位置，中板达到一定强度后，因拐角效应混凝土支撑受力减小。

2)混凝土直撑在部分工况下受拉，造成这样的原因可能是开挖暴露时间长，下部支撑不及时，地下连续墙中下部整体产生向基坑内位移的趋势，迫使混凝土支撑承受反向的力。可通过改变支撑间距、增设支撑、合理开挖避免混凝土支撑受拉。

3)钢支撑轴力在开挖阶段相对稳定，同一水平面上，各支撑轴力相差不大。同时拆除2道支撑，使上部支撑轴力迅速增大，应避免轴力突增产生不利影响。开挖深度5～8m为混凝土支撑最不利范围，应严格按时空效应理论，规范施工。

4)模拟结果同实测结果虽有一定偏差，但总体较接近，整体趋于一致，基坑模型能反映开挖过程中支撑内力变化的一般规律，可为类似工程提供参考。