金生吉， 陳 華，*， 舒 哲, 2， 何麗娟

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870； 2. 中冶京誠工程技術(shù)有限公司， 北京 100176)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市用地日趨緊張，交通壓力越來越大，單純依靠地面交通已無法滿足人們的出行需求，因而向地下尋求發(fā)展空間成為一種必然趨勢。為此，我國許多城市都開始大力修建地下公路隧道，城市地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)由原來的“單點建設(shè)、單一功能、單獨運轉(zhuǎn)”逐步向“多功能集成、規(guī)?；ㄔO(shè)”轉(zhuǎn)變[1]。由于城市地下公路隧道大多數(shù)建設(shè)在人口密集的地方，施工場地受限，周邊環(huán)境復(fù)雜，且與一般基坑相比，公路隧道基坑長寬比很大，常被視為長條帶狀形基坑，給公路隧道明挖基坑工程的施工帶來了困難與風(fēng)險，因此，在基坑開挖過程中必須嚴(yán)格控制基坑的變形。通過鋼支撐的架設(shè)及預(yù)加軸力的施加，能夠很好地控制基坑變形[2-5]。在采用明挖法施工的基坑中，鉆孔灌注樁+鋼支撐的支護(hù)體系作為一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)形式得到了推廣。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土支撐(澆筑時間長、養(yǎng)護(hù)后不能立即發(fā)揮支撐作用、拆除后會產(chǎn)生振動與噪聲)相比，鋼支撐具有結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、安裝方便以及可重復(fù)使用等優(yōu)點，并且可以按照設(shè)計要求及時施加預(yù)應(yīng)力，因而得到了廣泛應(yīng)用[6-10]。

張國亮[11]根據(jù)實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果提出了臨近鐵路不對稱超載基坑的設(shè)計建議與控制措施； 姚愛軍等[12]基于實測數(shù)據(jù)研究了建筑物超載對深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響； 王培鑫等[13]基于臨近鐵路坑中坑偏載基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形規(guī)律，研究了在基坑土體開挖過程中鋼支撐對保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定所起到的作用。本文以沈陽市南北快速干道工程(公路隧道深基坑)為依托，對基坑開挖過程中橫向鋼支撐的軸力進(jìn)行現(xiàn)場實時監(jiān)測，并采用有限元軟件MIDAS/GTS對基坑施工過程中鋼支撐在不同工況下的軸力變化規(guī)律進(jìn)行模擬分析，以期為類似基坑工程的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

沈陽市南北快速干道工程(南段隧道)，全長3 348.67 m，雙向4車道，設(shè)計時速60 km。本區(qū)段屬于城市主干線，基坑兩側(cè)主要為多層居民樓和高層商業(yè)樓等，距離基坑僅10～15 m。從市政工程的長遠(yuǎn)規(guī)劃考慮，經(jīng)過比較和論證，確定在隧道結(jié)構(gòu)頂部修建綜合管廊，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁、格構(gòu)柱加水平橫向鋼支撐體系，隧道深基坑采用半蓋挖順做法施工。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

2 支護(hù)體系設(shè)計方案

公路隧道基坑開挖深度為17.8 m，標(biāo)準(zhǔn)開挖段寬為21.4 m。圍護(hù)樁采用混凝土強(qiáng)度等級為C30的φ800 mm@1 200 mm規(guī)格的鉆孔灌注樁，樁長23.8 m，基坑底板以下入土深度為6.0 m; 基坑側(cè)壁各樁之間架設(shè)φ8 mm@150 mm×150 mm的鋼筋網(wǎng)，并噴射C25混凝土找平加固; 樁頂澆筑0.8 m×1.0 m混凝土冠梁，隧道中央設(shè)置2排鋼筋混凝土格構(gòu)柱，基礎(chǔ)底板厚1.4 m。共設(shè)置4道支撐，其中第1道為0.8 m×0.6 m的混凝土支撐，間距為8 m；第2、3、4道均為φ609 mm×16的鋼支撐，端部支撐在兩側(cè)圍護(hù)樁的雙拼鋼圍檁上，間距為4 m，第2、3、4道鋼支撐距第1道混凝土支撐頂面的豎向距離分別為5.9、9.9、13.9 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(單位： mm)Fig. 1 Profile of retaining structure of foundation pit (unit： mm)

3 鋼支撐軸力現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 軸力計的安裝與布設(shè)

為防止基坑開挖過程中樁體變形過大，采用鋼支撐對圍護(hù)樁的變形進(jìn)行約束。鋼支撐施加預(yù)加軸力的作用機(jī)制是利用鋼材輕質(zhì)、高強(qiáng)、理想彈塑性的特性，預(yù)先給鋼支撐施加一定的軸力，用來抵抗基坑側(cè)向土壓力，從而達(dá)到控制基坑變形的效果[14]。軸力計安裝在鋼支撐端部和鋼圍檁的接觸部位，軸力圓筒風(fēng)葉一側(cè)先焊接在鋼支撐端頭，待鋼支撐吊裝就位后，把軸力計的另一側(cè)頂壓到預(yù)先焊接在鋼圍檁上厚25 mm的加強(qiáng)墊板上，且中心要對準(zhǔn)，避免支撐承受附加彎矩。軸力計安裝圖如圖2所示。軸力計所受約束力的大小即為鋼支撐軸力。沿基坑縱向每42 m布設(shè)1個支撐軸力監(jiān)測斷面，在每個斷面的上中下3道鋼支撐端頭處安裝1個軸力計。本次采用由天津盛克威公司生產(chǎn)的FXR-1040振弦式軸力計進(jìn)行鋼支撐軸力監(jiān)測，其具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、對集中荷載反應(yīng)靈敏以及測量穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

圖2 軸力計安裝圖Fig. 2 Installation of axial force meter

3.2 軸力監(jiān)測原理與數(shù)據(jù)分析

在基坑土體開挖過程中，基坑的穩(wěn)定性與鋼支撐的架設(shè)時間、架設(shè)部位及預(yù)加軸力的大小有很大的關(guān)系。因此，在進(jìn)行鋼支撐的架設(shè)和軸力計的安裝時，需同時滿足設(shè)計要求和施工要求。因軸力計在不同施工工況下受到的荷載不同，故測量出的自振頻率也在不斷變化，可用式(1)計算軸力

F=k(f02-fi2)。

(1)

式中：k為軸力計出廠標(biāo)定系數(shù)；f0為軸力計初始頻率;fi為軸力計實時監(jiān)測頻率。

我國支撐軸力設(shè)計值以朗肯土壓力、側(cè)向土壓力按梯形分布、豎向彈性地基梁法等理論為計算基礎(chǔ)[15]。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定： 預(yù)壓力應(yīng)分級施加，重復(fù)進(jìn)行，支撐預(yù)加軸力取支撐軸向壓力標(biāo)準(zhǔn)值的0.5～0.8倍。本工程支撐軸力的設(shè)計值為1 800 kN，預(yù)警值取80%的設(shè)計值，其中第1道鋼支撐預(yù)加軸力初次取22%的設(shè)計值(約400 kN)，第2道鋼支撐預(yù)加軸力初次取27%的設(shè)計值(約500 kN)，第3道預(yù)加軸力初次取17%的設(shè)計值(約300 kN)。

選取WB-012、WB-018和WB-024具有相似工況的3個斷面處的鋼支撐軸力進(jìn)行研究，在3個支撐斷面處的圍護(hù)樁體中，具有可以監(jiān)測樁體水平位移的測斜管。鋼支撐軸力隨時間的變化曲線如圖3所示。

(a) WB-012監(jiān)測斷面

(b) WB-018監(jiān)測斷面

(c) WB-024監(jiān)測斷面

Fig. 3 Relationships between axial force of steel support and time

根據(jù)圖3以及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

1)對于WB-012和WB-018 2個支撐斷面，在每層土體開挖結(jié)束后，均按施工要求及時架設(shè)了鋼支撐，雖然支撐軸力在不斷增大，但均未超過支撐軸力的預(yù)警值； 而對于WB-024支撐斷面，由于在第2層土體開挖結(jié)束后，受施工場地條件的限制，未能及時安裝第2道鋼支撐，此時明顯看到第1道鋼支撐軸力迅速增加到1 480 kN，達(dá)到了設(shè)計軸力值的82.2%，已超過預(yù)警值。此外，根據(jù)監(jiān)測得到的WB-024斷面處圍護(hù)樁體內(nèi)測斜管的水平位移量可知，WB-024斷面處地下連續(xù)墻正在向基坑內(nèi)迅速形變?？梢娫诨娱_挖過程中，支撐軸力的大小與樁體的水平變形具有相互制約、相互作用的關(guān)系。因此，在基坑每層土體開挖完成后，應(yīng)及時架設(shè)鋼支撐，并按設(shè)計方案要求施加預(yù)應(yīng)力，改善圍護(hù)墻體的受力條件，有效控制圍護(hù)樁體向基坑內(nèi)側(cè)的持續(xù)變形。

2)由于3個監(jiān)測斷面具有相同的水文地質(zhì)條件和相似的施工工況，所以其軸力變化曲線也相似。除WB-024斷面處因第2道鋼支撐未能及時架設(shè)而引起了軸力超過預(yù)警值外，其余支撐軸力值均滿足規(guī)范要求。WB-024斷面第2道鋼支撐最大軸力監(jiān)測值為1 150 kN，占設(shè)計軸力值的63.9%，占預(yù)警值的79.8%(其中預(yù)警值為1 440 kN，為設(shè)計值的80%)，說明鋼支撐軸力設(shè)計偏于保守，支撐體系的軸力設(shè)計方案仍存在一定的優(yōu)化空間。從圖3可以看出，鋼支撐軸力與基坑開挖時間關(guān)系密切，除各關(guān)鍵施工階段外，同一斷面處的上下3道支撐軸力曲線均有波動現(xiàn)象，這主要是由現(xiàn)場施工機(jī)械振動引起的。

3)隨著基坑開挖深度的增加，主動土壓力逐漸增大，使得圍護(hù)樁體向基坑內(nèi)側(cè)變形加快，在剛開始安裝架設(shè)各層鋼支撐時，每道支撐軸力在短期內(nèi)均呈線性增長趨勢，支撐軸力的變化也反映了支撐斷面處圍護(hù)樁體向基坑內(nèi)側(cè)位移大小的變化趨勢。在第2道鋼支撐架設(shè)完成后，第1道鋼支撐軸力的增長有所變緩，這表明下層鋼支撐架設(shè)并按施工要求預(yù)加軸力后，可以有效抑制上層支撐軸力的持續(xù)增長。在3道鋼支撐全部架設(shè)完成后，3道鋼支撐軸力變化曲線在波動中出現(xiàn)了緩慢下降的趨勢，說明軸力出現(xiàn)了衰減現(xiàn)象，這主要是因為此時沈陽已進(jìn)入秋冬季，氣溫下降較快，而鋼材的線膨脹系數(shù)對溫度變化較敏感，導(dǎo)致鋼支撐產(chǎn)生了明顯的熱脹冷縮現(xiàn)象，鋼支撐的收縮卸載了部分支撐軸力，從而引起了支撐軸力不足及衰減； 另外，地下連續(xù)墻后的土體在鋼支撐軸力的預(yù)壓作用下發(fā)生了流變現(xiàn)象，使得土體應(yīng)力重新分配并達(dá)到新的平衡，同時在基坑土體全部開挖完成后，在基坑底板澆筑了厚1.2 m的混凝土，硬化后分擔(dān)了上層小部分鋼支撐軸力，這也是導(dǎo)致軸力出現(xiàn)衰減現(xiàn)象的原因之一。

2017年9月15日，基坑第2層土體開挖結(jié)束，因受到施工場地條件的限制，未能及時架設(shè)第2道鋼支撐，導(dǎo)致樁體在2017年9月20日9 m深度處水平位移達(dá)到8.25 mm。因此，在基坑每層土體開挖完成后，要盡量減少無支撐暴露時間，及時架設(shè)鋼支撐。在第2道鋼支撐架設(shè)完成后，開始開挖第3層土體，此時樁體最大變形的位置下移。在基坑最后1層土體的開挖過程中，樁體水平位移變化速率明顯降低，這是由于樁體的變形受到混凝土支撐和3道鋼支撐的協(xié)同作用，從而受到了約束。同時，在架設(shè)鋼支撐的3個位置處，因樁體受到預(yù)加支撐軸力的頂推作用，這些位置的變形均有微量收縮。最終樁體的水平位移在12 m深度處附近(約為基坑開挖設(shè)計深度的2/3)達(dá)到最大值14.30 mm，遠(yuǎn)小于24 mm的預(yù)警值，表明本工程所采用的鉆孔灌注樁+橫向4道鋼支撐的支護(hù)體系發(fā)揮了很好的基坑圍護(hù)作用，既可以保證基坑開挖期間的安全，也極大提高了基坑在施工過程中的穩(wěn)定性。不同施工階段樁體的水平位移曲線如圖4所示。

圖4 不同施工階段樁體的水平位移曲線(2017年)

Fig. 4 Horizontal displacement curves of pile body under different construction stages in 2017

4 鋼支撐軸力模擬計算

本工程選用MIDAS/GTS有限元軟件建立隧道深基坑三維空間模型，并對基坑土體分層開挖的全過程進(jìn)行模擬計算。在模擬分析基坑開挖過程中土體的穩(wěn)定性問題時，采用摩爾-庫侖模型進(jìn)行土體本構(gòu)關(guān)系的研究，以此得出鉆孔灌注樁+鋼支撐基坑支護(hù)體系鋼支撐的軸力變化特點。

4.1 基本假設(shè)

4.1.1 對于圍護(hù)樁的基本假設(shè)

在用MIDAS/GTS軟件建立基坑模型時，通常會采用梁單元和樁單元模擬圍護(hù)樁體。但鑒于本次研究的公路隧道深基坑中，圍護(hù)樁排布密集且數(shù)量較多，若仍采用常規(guī)的梁單元和樁單元進(jìn)行分析，則會產(chǎn)生大量的劃分網(wǎng)格，從而給計算造成困難。而由圍護(hù)樁與圍護(hù)墻的等剛度轉(zhuǎn)換原則可知： 因二者具有相似的結(jié)構(gòu)形式與受力特性，所以能夠?qū)⒙?lián)排的鉆孔灌注樁等效為地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。結(jié)合本工程的施工特點以及以往的模擬經(jīng)驗，采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)單元分析時，可以簡化后期的計算過程，而且用此結(jié)構(gòu)單元計算出的結(jié)果比較合理可靠，所以本模擬計算中將圍護(hù)樁等效為地下連續(xù)墻。其中，地下連續(xù)墻本構(gòu)模型采用彈性模型進(jìn)行分析。按等剛度轉(zhuǎn)換原則可推導(dǎo)出如下計算公式：

(2)

(3)

式中：D為鉆孔灌注樁直徑，取800 mm；t為樁間凈距，取400 mm；h為等效轉(zhuǎn)換后的地下連續(xù)墻厚度。

將D和t代入式(3)，可得h=586 mm，為方便后期的計算及保證模擬結(jié)果的可靠性，將灌注樁等效厚度h按600 mm進(jìn)行計算。

4.1.2 對于鋼支撐的基本假設(shè)

因桁架單元只能反映支撐軸力的變化情況，而梁單元不僅可以反映基坑開挖過程中支撐軸力的變化特性，而且可以得到支撐過程中結(jié)構(gòu)所受的彎矩與剪力，所以最終采用梁單元來模擬鋼支撐結(jié)構(gòu)，采用彈性模型的結(jié)構(gòu)形式對鋼支撐進(jìn)行模擬計算，并以集中力的形式對鋼支撐進(jìn)行軸力預(yù)加載。

在用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行邊界條件設(shè)置時，需要限制基坑底部土體的隆起(豎向位移)、水平位移及基坑側(cè)壁土體的水平位移，而對于基坑周邊的地表沉降則無需限制，這些邊界條件均可以通過軟件的設(shè)置窗口來完成。根據(jù)地質(zhì)勘察得到的基坑土體物理力學(xué)參數(shù)(見表1)、支護(hù)體系設(shè)計方案以及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表2)，以WB-018斷面為例，在沿基坑縱向長96 m的一段區(qū)間內(nèi)，建立整個基坑的三維模型，長×寬×高為180 m×100 m×50 m，如圖5所示。

表2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of retaining structure of foundation pit

圖5 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型

Fig. 5 Three-dimensional models of retaining structure of foundation pit

4.2 鋼支撐軸力模擬結(jié)果與分析

根據(jù)本工程隧道深基坑的實際施工情況，采用MIDAS/GTS進(jìn)行模擬時，遵照分層開挖的施工工序進(jìn)行計算分析，共分為5個階段：

1)對即將開挖的土體進(jìn)行初始地應(yīng)力計算，并進(jìn)行鉆孔灌注樁(地下連續(xù)墻)的施工及第1道混凝土支撐的澆筑； 2)開挖基坑第1層土體至6.7 m，并在5.9 m深度處架設(shè)第1道鋼支撐； 3)開挖基坑第2層土體至10.7 m，并在9.9 m深度處架設(shè)第2道鋼支撐； 4)開挖基坑第3層土體至14.7 m，并在13.9 m深度處架設(shè)第3道鋼支撐； 5)開挖至坑底17.8 m，清槽后做防水墊層，并綁扎鋼筋、澆筑基礎(chǔ)底板。

通過模擬基坑不同開挖階段，得出的鋼支撐軸力云圖分別如圖6—9所示。

圖6 開挖至6.7 m時第1道鋼支撐的軸力云圖

Fig. 6 Axial force nephogram of the first layer support when excavating depth is up to 6.7 m

(a) 第1道鋼支撐

(b) 第2道鋼支撐

Fig. 7 Axial force nephograms of the first and second layer support when excavating depth is up to 10.7 m

(a) 第1道鋼支撐

(b) 第2道鋼支撐

(c) 第3道鋼支撐

圖8開挖至14.7 m時第1道、第2道和第3道鋼支撐的軸力云圖

Fig. 8 Axial force nephograms of the first, second and third layer support when the excavating depth is up to 14.7 m

圖9 開挖完成后各道鋼支撐的軸力云圖

Fig. 9 Axial force nephogram of every layer support after excavation

在用MIDAS/GTS對基坑開挖過程模擬時，可以看到： 同一監(jiān)測斷面中，當(dāng)下層鋼支撐架設(shè)并預(yù)加軸力后，會使得上層軸力有所減小，且同一層中兩側(cè)相鄰部位架設(shè)的鋼支撐軸力也會被削弱； 在每道鋼支撐架設(shè)完成時，軸力值呈線性增大趨勢，之后隨著土體的不斷開挖，軸力值會出現(xiàn)緩慢下降的現(xiàn)象，并逐步趨于穩(wěn)定。受基坑時空效應(yīng)的影響，在約距基坑設(shè)計開挖總深度的2/3處圍護(hù)樁的變形最大，因此，在模擬計算出的3道鋼支撐軸力中第2道支撐軸力最大。3道鋼支撐軸力模擬值僅為設(shè)計值的41.5%～61.7%，說明該基坑支護(hù)體系的設(shè)計偏于保守，因此，可對鋼支撐軸力的設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。

4.3 模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比分析

在基坑各層土體開挖過程中，WB-018斷面處3道鋼支撐軸力現(xiàn)場監(jiān)測最大值與模擬值對比結(jié)果如表3所示。

表3鋼支撐軸力監(jiān)測最大值與模擬值對比

Table 3 Comparison between monitored maximum value and simulated values of axial force of steel supports

鋼支撐層號監(jiān)測值/kN模擬值/kN比值第1道910.0745.61.22第2道1021.51110.40.92第3道735.4970.40.76

由表3可以看出： 監(jiān)測值與模擬值的比值為0.76～1.22，模擬結(jié)果存在一定偏差。這主要是在利用MIDAS/GTS進(jìn)行模擬計算時，沒有考慮氣溫變化、施工機(jī)械荷載振動和預(yù)加軸力損失等因素對鋼支撐軸力的影響，且在模擬計算時為了簡化模型結(jié)構(gòu)，采用了等剛度轉(zhuǎn)換原則; 另外，基坑土體的復(fù)雜性以及各層土體物理力學(xué)參數(shù)選取的不確定性導(dǎo)致了采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型對基坑各個開挖階段的模擬存在偏差。但監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果在數(shù)值上總體比較接近，變化趨勢一致，表明建立的計算模型合理、參數(shù)選取恰當(dāng)，能夠反映基坑開挖期間鋼支撐軸力變化的一般規(guī)律，可為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供參考。

5 結(jié)論與討論

本文針對沈陽市南北快速干線隧道深基坑開挖過程中的鋼支撐軸力進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，并采用有限元軟件MIDAS/GTS進(jìn)行了模擬研究，得到如下結(jié)論與討論：

1)隨著基坑開挖深度的增加，主動土壓力逐漸增大，在剛開始架設(shè)各層鋼支撐時，每道支撐軸力在短期內(nèi)線性增長。對于WB-024支撐斷面，因未能及時安裝第2道鋼支撐，使第1道鋼支撐軸力迅速增長到1 480 kN，達(dá)到了設(shè)計軸力值的82.2%，超過了預(yù)警值。因此，在基坑每層土體開挖完成后，應(yīng)及時架設(shè)鋼支撐，并施加合理的預(yù)應(yīng)力，以改善圍護(hù)墻體的受力條件，防止基坑失穩(wěn)。

2)當(dāng)3道鋼支撐全部架設(shè)完成后，3道鋼支撐的軸力變化曲線在波動中呈緩慢下降的趨勢，說明軸力值出現(xiàn)了衰減現(xiàn)象。這主要是因為此時沈陽已進(jìn)入秋冬季，氣溫下降較快，導(dǎo)致鋼支撐產(chǎn)生了熱脹冷縮的現(xiàn)象，鋼支撐的收縮卸載了部分支撐軸力； 另外，地下連續(xù)墻后的土體在鋼支撐軸力的預(yù)壓作用下，發(fā)生了流變現(xiàn)象，使得土體應(yīng)力重新分配并達(dá)到平衡，這也是導(dǎo)致軸力衰減的原因之一。

3)同一斷面處的上下3道支撐軸力變化曲線并不是一直呈單調(diào)遞增趨勢的，而會出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象，這主要是由現(xiàn)場施工機(jī)械振動引起的，且與早期鋼支撐預(yù)加軸力的損失也有一定的關(guān)系。

4)本文雖然對圍護(hù)樁+鋼支撐所組成的支護(hù)體系中鋼支撐的軸力進(jìn)行了研究，但計算與分析對象的分批加載軸力程度是固定的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步對不同預(yù)加應(yīng)力下圍護(hù)樁的變形特性進(jìn)行研究，為鋼支撐的理論研究及分析提供參考。

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