周紅芳

(中鐵隧道局投資有限公司，廣東 廣州 511458)

隨著新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的實(shí)施，為緩解日益增多的城市擁堵，地下軌道工程得到迅猛發(fā)展，大量地鐵車站的出現(xiàn)，產(chǎn)生了許多大型深基坑工程。支護(hù)結(jié)構(gòu)有效合理的設(shè)計(jì)確保了基坑施工和周邊環(huán)境安全，引起地下工程界的廣泛關(guān)注和重視。

支護(hù)結(jié)構(gòu)形式主要有預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐與預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)不僅要滿足基坑強(qiáng)度和變形要求，也要綜合考慮施工工期和工程造價(jià)等因素。鄧武[1]研究了將某段基坑支護(hù)由混凝土支撐改為鋼支撐，并預(yù)加軸力，使基坑變形減小，節(jié)約了成本。王薇等[2]分析了在水位動(dòng)態(tài)變化下將底下兩道混凝土支撐改為鋼支撐的可行性。雍毅[3]提出合理優(yōu)化混凝土支撐和鋼支撐位置，將混凝土支撐與冠梁一起整體澆筑施工對基坑整體穩(wěn)定性更有利。侯新宇等[4]對三、四兩道支撐的豎向間距設(shè)置進(jìn)行分析，認(rèn)為將兩道支撐合并設(shè)置在第三道支撐以下1.5 m處是最適合的。付志杰等[5]對換撐體系中附加水平鋼管的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)按照750 mm的水平和豎向間距進(jìn)行布置是最好的設(shè)置形式；賈宗仁[6]根據(jù)具體工程實(shí)例，證明了該工程選擇樁錨方案比樁+內(nèi)支撐方案更經(jīng)濟(jì)，且施工更加方便。

通常混凝土支撐大于15 m，鋼支撐大于20 m時(shí)就要設(shè)置臨時(shí)格構(gòu)柱，但中間格構(gòu)柱的存在一方面壓縮了施工空間，不便于基坑土方開挖時(shí)大型機(jī)械操作；另一方面對于地下水具有承壓性質(zhì)且水位較高的地區(qū)，格構(gòu)柱的挖孔施工使基底存留薄弱處，容易引起滲水問題，不利于結(jié)構(gòu)的防水處理。目前對格構(gòu)柱優(yōu)化設(shè)置問題研究較少。本文結(jié)合長沙地鐵四號(hào)線月亮島站深基坑工程，優(yōu)化富水砂卵層基坑內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合數(shù)值模擬以及實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析取消臨時(shí)格構(gòu)柱后基坑的安全性和穩(wěn)定性。為今后類似工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供借鑒。

1 工程概況

1.1 概述

月亮島站位于長沙市望城區(qū)銀星村內(nèi)，總體呈北西—南東方向，與在建的銀杉路延長線走向一致。與遠(yuǎn)期10號(hào)線采用通道換乘，4號(hào)線站臺(tái)沿銀杉北路南北向敷設(shè)，為兩層雙柱三跨站，車站有效站臺(tái)中心里程處規(guī)劃標(biāo)高約為38.2 m左右。基坑主體采用明挖法施工，車站外包全長201 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬為22.7 m，基坑深約16.44 m。兩端盾構(gòu)井段外包寬為28.2 m，基坑深約17.85 m。標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段主體結(jié)構(gòu)剖面圖(單位：mm)

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場地原始地貌為湘江Ⅱ級(jí)侵蝕堆積階地，主要地層為人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積粉質(zhì)粘土層、第四系中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)粘土、砂卵石層；下伏基巖為元古界板溪群(Pt)板巖。基坑開挖深度范圍內(nèi)土層信息如表1所示，基坑主要穿過<4-4>粗砂、<4-5>圓礫兩個(gè)土層，基坑底部土層位于<4-5>圓礫層。

1.3 水文地質(zhì)條件

場地鄰近湘江，距其堤岸約800 m，設(shè)計(jì)正常蓄水位標(biāo)高29.70 m，此外無其他地表水系。根據(jù)勘察揭露各巖土層特征，主要含水層的巖土條件，地下水可分為第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水兩種類型。本車站砂卵石層分布穩(wěn)定，厚度大，富水性和透水性好，屬中等—強(qiáng)透水層之間。地下水豐富，主要為潛水，具微承壓性，潛水混合穩(wěn)定水位埋深0.40～13.80 m。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 初始方案

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐。地連墻厚度800 mm，采用C35混凝土水下澆筑，接頭采用工字鋼連接。地連墻頂部設(shè)置冠梁，截面尺寸為1 000 mm×1 100 mm。第一道混凝土支撐為米字型支撐，主撐截面尺寸為800 mm×1 000 mm，肋撐截面尺寸為500 mm×800 mm，水平間距9 m。第二、三道支撐為Φ609雙拼鋼管撐(t=16 mm)，水平間距為4.5 m，設(shè)置臨時(shí)格構(gòu)柱，如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段剖面圖(單位：mm)

2.2 優(yōu)化方案

為增大施工空間便于機(jī)械操作，同時(shí)考慮到場地含有富水砂卵石層，為了更好處理結(jié)構(gòu)防水問題，對初始方案做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案取消了臨時(shí)格構(gòu)柱，修改了支撐截面尺寸和水平布置。第一道改為鋼筋混凝土內(nèi)撐為米字撐，其它規(guī)格不變。第二、三道支撐換成Φ800單肢鋼管撐(t=16 mm)，水平間距3 m，平面圖如圖3所示。

3 方案分析

3.1 有限元模擬

采用《理正深基坑7.0PB3》軟件對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，計(jì)算模型如圖4所示，基本信息如表2所示，內(nèi)撐信息如表3、表4所示。

圖3 支撐平面布置圖(單位：mm)

3.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

由于第一道鋼筋混凝土支撐改變很小，所以支撐軸力變化很?。坏诙篮偷谌乐我?yàn)橛呻p拼鋼管撐修改為單肢鋼管撐，所以軸力增加較大，如表5所示，但依然小于軸力設(shè)計(jì)值2 500 kN。

由表2可以看出混凝土軸力較小，而且由于混凝土受壓效果好，按偏心受壓配筋即可滿足受力要求。

圖4 計(jì)算模型

表2 基本信息

表3 初始方案支撐信息

表4優(yōu)化方案支撐信息

表5 支撐最大軸力

鋼支撐長度較長，所以必須驗(yàn)算壓彎穩(wěn)定性，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2014)，穩(wěn)定性按下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

表6 應(yīng)力對比

由表6可知，由于取消了格構(gòu)柱，鋼支撐的應(yīng)力有所增大，但仍小于允許應(yīng)力[f],說明鋼支撐有足夠的穩(wěn)定性。

3.3 撓度計(jì)算

將鋼支撐近似為簡支梁進(jìn)行撓度計(jì)算，最大撓度計(jì)算式為：

y0=5qL4/384EI，

(3)

ymax=y0/(1-N/NEx).

(4)

式中：y0為受均布荷載作用最大撓度，q為鋼管單位重度，L為支撐計(jì)算長度；ymax為受軸壓作用后修正的撓度，NEx為歐拉臨界力。計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 撓度對比

由表7可以看出，初始方案由于設(shè)置了臨時(shí)格構(gòu)柱，使得計(jì)算長度減半，對最大撓度影響顯著，撓度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許撓度值L/1 000=10.85 mm。因?yàn)槿∠伺R時(shí)格構(gòu)柱，使鋼支撐撓度大幅增加，但仍未超過允許撓度值L/1 000=22.7 mm。對鋼支撐應(yīng)力和撓度驗(yàn)算結(jié)果表明，鋼支撐的穩(wěn)定性滿足要求。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

除軸力監(jiān)測點(diǎn)外的監(jiān)測點(diǎn)沿車站方向每15～20 m布置一道，監(jiān)測點(diǎn)情況如表8所示。其中軸力監(jiān)測點(diǎn)共分3層布置，每層布置12個(gè)。所研究標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)布置情況如圖5所示，其中第二、三道支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)布置在第一道支撐對應(yīng)位置。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

4.1 墻體水平位移

基坑壁的最大水平位移是判斷基坑安全性的一個(gè)很重要指標(biāo)。如圖6所示為B18測點(diǎn)墻體水平位移情況，可以看出在基坑開挖前期，墻體水平位移很小，墻體變形基本為零。隨著開挖深度的加大，墻頂和坑底位移依然很小，但墻體中間位移逐漸加大，位移曲線呈現(xiàn)一種外凸形狀。到開挖后期，可以明顯看出位移曲線重合度很高，說明墻體水平位移基本穩(wěn)定下來。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，最大水平位移為8.48 mm，遠(yuǎn)小于工程報(bào)警值要求的30 mm和0.2%H中的較小值。

圖6 B18測點(diǎn)水平位移-深度關(guān)系圖

4.2 地表沉降量

每個(gè)監(jiān)測斷面選取沉降監(jiān)測值最大的一個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示，可以看到地表沉降前期有很明顯的增大趨勢，后期逐漸穩(wěn)定，有的測點(diǎn)還出現(xiàn)了沉降減小的情況，有可能是該處后期施工荷載產(chǎn)生了變化。監(jiān)測結(jié)果顯示，D20-2出現(xiàn)最大地表沉降值，最大值為-9.55 mm，遠(yuǎn)小于報(bào)警值要求的0.15%H(-25 mm)。

圖7 地表沉降量

4.3 支撐軸力

理論上第三道支撐架設(shè)好以后，會(huì)立刻產(chǎn)生作用，自身軸力迅速增大，使第二道支撐軸力減小。實(shí)際軸力監(jiān)測結(jié)果如圖8所示，可以很明顯看到第三道支撐軸力很小，而第二道支撐的軸力仍在增大，原因可能是支撐架設(shè)不及時(shí)或有超挖情況出現(xiàn)。在拆除第三道支撐后，第二道支撐軸力增大趨勢更加明顯。根據(jù)ZLII-6顯示，最大軸力為1 320.3 kN，小于設(shè)計(jì)軸力的60%(1 500 kN)。

圖8 鋼支撐軸力

4.4 墻頂水平位移

在開挖過程中，墻頂會(huì)出現(xiàn)向基坑外側(cè)水平位移，隨著開挖深度增大，墻頂水平位移也會(huì)加大；隨著支撐的架設(shè)，水平位移又會(huì)逐漸減小，如圖9所示。最大墻頂水平位移出現(xiàn)在ZQS20處，為-13.3 mm，遠(yuǎn)小于監(jiān)測報(bào)警值30 mm和0.2%H中的較小值。

圖9 墻頂水平位移

5 結(jié) 論

1)優(yōu)化方案取消了格構(gòu)柱，根據(jù)數(shù)值模擬分析，采用優(yōu)化方案后，鋼支撐軸力、應(yīng)力和最大撓度均有不同程度的增大，但還是小于允許撓度值，說明優(yōu)化方案是可行的。

2)實(shí)際監(jiān)測結(jié)果表明，采用優(yōu)化方案后墻體最大水平位移為8.48 mm，地表最大沉降量為-9.55 mm，墻頂最大水平位移為-13.3 mm,均遠(yuǎn)小于報(bào)警值，最大軸力值為1 320.3 kN，也未達(dá)到報(bào)警值。優(yōu)化方案能夠保證基坑滿足變形和安全的要求。

3)通過方案優(yōu)化，施工空間大大增加，大型機(jī)械施工變得更加方便，而且基底薄弱處容易引起滲水問題也得到很好地解決。優(yōu)化方案工期縮短了60 d，工程造價(jià)降低了400萬元。為今后類似工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了借鑒。