徐 軍

上海建工集團(tuán)股份有限公司總承包部 上海 200080

隨著我國城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，對(duì)于地下空間的利用逐年集約化，新建基坑工程深度和跨度的增大趨勢(shì)日益明顯[1]。為抵抗大跨度深基坑周邊復(fù)雜的側(cè)向壓力，其所需的支護(hù)結(jié)構(gòu)相較于小面積淺基坑也會(huì)更加復(fù)雜，一般采用高強(qiáng)度的地下連續(xù)墻鋼筋混凝土支撐支護(hù)。由于混凝土內(nèi)支撐澆筑周期長，在澆筑周期內(nèi)，原本的混凝土內(nèi)支撐無法承載，很難滿足該基坑的受力要求。因此，研究大跨度深基坑混凝土支撐澆筑期間的臨時(shí)內(nèi)支撐方案對(duì)維護(hù)基坑穩(wěn)定有著重大的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)基坑開挖與支護(hù)體系相互影響進(jìn)行了大量的研究[2-5]。其中地下連續(xù)墻內(nèi)撐式支護(hù)適用于對(duì)防滲要求較高的大面積深基坑工程，從而被城市地下工程廣泛應(yīng)用。對(duì)于地下連續(xù)墻內(nèi)撐式支護(hù)對(duì)基坑的影響研究主要分為數(shù)值法[6-7]、解析法[8-9]和試驗(yàn)法[10-11]。比起解析法的過于簡化和試驗(yàn)法需消耗大量人力、財(cái)力，數(shù)值法不僅經(jīng)濟(jì)適用，而且能完整模擬復(fù)雜土層結(jié)構(gòu)下基坑開挖的全過程，全面地分析基坑開挖每個(gè)過程中支撐體系與基坑的影響作用。既有研究都是單純分析混凝土支撐對(duì)基坑變形的影響，未考慮混凝土支撐澆筑時(shí)基坑裸露期內(nèi)的變形問題，也未考慮大跨度臨時(shí)鋼支撐產(chǎn)生極大撓度和彎矩對(duì)臨時(shí)支護(hù)體系的影響?；趯?shí)際工程對(duì)井字形臨時(shí)鋼支撐的受力變形分析和井字形臨時(shí)鋼支撐支護(hù)下基坑及周圍土體變形的分析更是較為罕見。

本文基于上海市機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線三林南站主體結(jié)構(gòu)1號(hào)基坑工程，采用新型井字形臨時(shí)鋼支撐和鋼筋混凝土支撐進(jìn)行地下連續(xù)墻深基坑支護(hù)，對(duì)基坑開挖過程中的臨時(shí)鋼支撐、地下連續(xù)墻及周圍土體進(jìn)行受力變形分析，給出優(yōu)化的臨時(shí)鋼支撐及混凝土支撐支護(hù)方案。本支護(hù)方案在混凝土內(nèi)支撐澆筑前先設(shè)置臨時(shí)鋼支撐，以縮短基坑無支撐暴露的時(shí)間，減少基坑變形。同時(shí)，為節(jié)約材料、減少成本，控制超大跨度基坑中臨時(shí)鋼支撐產(chǎn)生極大的撓度和彎矩，設(shè)計(jì)采用井字形臨時(shí)鋼支撐，待混凝土內(nèi)支撐澆筑完成可受力后再進(jìn)行臨時(shí)鋼支撐的拆除。研究成果對(duì)大跨度深基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)有一定的工程指導(dǎo)作用。

1 大跨度深基坑井字形臨時(shí)鋼支撐設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

上海市機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線三林南站主體結(jié)構(gòu)基坑工程位于上海市浦東新區(qū)三林鎮(zhèn)西部區(qū)域，S20外環(huán)高速與浦星公路交叉處西南象限的地塊內(nèi)，沿S20外環(huán)高速東西向敷設(shè)。該工程1號(hào)基坑包括兩部分：端頭井和標(biāo)準(zhǔn)段，其中端頭井寬約62.6 m，長約39.3 m，開挖深度約41.3 m，地下連續(xù)墻深度為82.2 m；標(biāo)準(zhǔn)段寬約45.0 m，長約132.0 m，開挖深度約36.9 m，地下連續(xù)墻深度為75.6 m，基坑受力極為復(fù)雜。地下連續(xù)墻厚度設(shè)計(jì)為1.2 m，端頭井處設(shè)置8道混凝土支撐，標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)置7道混凝土支撐，在第4—第8道混凝土支撐上方1 m處設(shè)置井字形臨時(shí)鋼支撐?；悠拭婧偷刭|(zhì)條件如圖1所示。

圖1 基坑剖面和地質(zhì)情況示意

1.2 井字形臨時(shí)鋼支撐初步設(shè)計(jì)

基于本工程中基坑的超大跨度和深度，為保證基坑開挖過程中的穩(wěn)定性，采用高強(qiáng)度混凝土支撐，同時(shí)在第4—第8道混凝土支撐澆筑期間采用臨時(shí)鋼支撐進(jìn)行支護(hù)。針對(duì)本基坑的超大跨度，為控制超長鋼支撐支護(hù)過程中產(chǎn)生極大的撓度和彎矩，擬設(shè)計(jì)適用于大跨度基坑的井字形臨時(shí)鋼支撐。以基坑第2道混凝土支撐為例，混凝土支撐布置如圖2所示，井字形臨時(shí)鋼支撐布置如圖3所示。

圖2 混凝土支撐布置平面示意（單位：m）

圖3 井字形臨時(shí)鋼支撐布置平面示意（單位：m）

本工程擬采用的井字形臨時(shí)鋼支撐為考慮大跨度結(jié)構(gòu)受力要求，將橫縱支撐通過井字形接頭連接成一個(gè)整體，同時(shí)將立柱固定在“井”字中間[12]。井字形鋼支撐由井字形接頭和普通直管段組成。井字形接頭由4個(gè)十字形鋼管接頭拼接而成，十字形鋼管接頭由2根相互垂直的鋼管交叉嵌接，每個(gè)十字形鋼管接頭端部由法蘭盤連接螺栓連接直管段鋼支撐（圖4）。

圖4 井字形臨時(shí)鋼支撐

2 有限元模型建立及計(jì)算工況

2.1 模型建立

對(duì)上海市機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線三林南站主體結(jié)構(gòu)1號(hào)基坑開挖工程，采用Midas GTS軟件建立始發(fā)模型（圖5）。為消除邊界條件影響，模型尺寸在z方向?yàn)?～150.0 m，x方向?yàn)?～－372.0 m，y方向?yàn)?～262.2 m。模型上表面設(shè)置為自由邊界，側(cè)面限制水平位移，下表面限制所有方向位移。

圖5 三維基坑數(shù)值模型

整個(gè)模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共40 563個(gè)，單元數(shù)共70 355個(gè)；由3個(gè)部分組成，分別為基坑待開挖區(qū)域土層、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及基坑周圍地層，并以不同顏色區(qū)分。其中支護(hù)結(jié)構(gòu)包括地下連續(xù)墻、立柱、灌注樁、混凝土支撐以及井字形臨時(shí)鋼支撐等?；哟_挖區(qū)域和基坑周圍地層采用德魯克-普拉格彈塑性本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性模型。模型土體材料參數(shù)見表1，地下連續(xù)墻和支撐材料參數(shù)見表2。

表1 模型土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 施工工況

首先建立模型，設(shè)置土體和地下連續(xù)墻的參數(shù)，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行位移清零。隨后，由上往下逐步開挖基坑，開挖前先激活地下連續(xù)墻和立柱單元，開挖過程中一共設(shè)置8道混凝土支撐，每次開挖至混凝土支撐標(biāo)高時(shí)，開始激活圍檁和支撐，支撐激活完畢后進(jìn)行下一次開挖。第4—第8道混凝土支撐激活前，先在混凝土支撐上表面往上1 m的位置處激活鋼圈梁及井字形臨時(shí)鋼支撐，隨后激活混凝土支撐，混凝土支撐激活完畢后鈍化井字形臨時(shí)鋼支撐，再進(jìn)行下一步的開挖工況。重復(fù)以上步驟，直至開挖至基坑底部。主要開挖工況如下。

工況1：開挖至地下1.25 m處，設(shè)第1道混凝土支撐。

工況2：開挖至地下7.25 m處，設(shè)第2道混凝土支撐。

工況3：開挖至地下12.75 m處，設(shè)第3道混凝土支撐。

工況4：開挖至地下17.75 m處，在地下16.75 m處設(shè)置第1道井字形臨時(shí)鋼支撐。

工況5：在地下17.75 m處設(shè)置第4道混凝土支撐，隨后鈍化臨時(shí)鋼支撐。

工況6：開挖至地下22.25 m處，在地下21.25 m處設(shè)置第2道井字形臨時(shí)鋼支撐。

工況7：在地下22.25 m處設(shè)置第5道混凝土支撐，隨后鈍化臨時(shí)鋼支撐。

工況8：端頭井處開挖至地下26.75 m處，標(biāo)準(zhǔn)段開挖至地下27.65 m處，在地下25.75 m處設(shè)置第3道井字形臨時(shí)鋼支撐。

工況9：在開挖面處設(shè)置第6道混凝土支撐，隨后鈍化臨時(shí)鋼支撐。

工況10：端頭井處挖至地下30.75 m，標(biāo)準(zhǔn)段挖至地下32.55 m，在地下29.75 m處設(shè)第4道井字形臨時(shí)鋼支撐。

工況11：在開挖面處設(shè)置第7道混凝土支撐，隨后鈍化臨時(shí)鋼支撐。

工況12：端頭井處開挖至地下34.65 m處，標(biāo)準(zhǔn)段開挖至地下36.90 m處，在端頭井開挖面上方1 m處設(shè)置第5道井字形臨時(shí)鋼支撐。

工況13：在端頭井開挖面處設(shè)置第8道混凝土支撐，隨后鈍化臨時(shí)鋼支撐。

工況14：端頭井處開挖至地下41.30 m，開挖結(jié)束。

3 井字形臨時(shí)鋼支撐支護(hù)可行性分析

本基坑等級(jí)為一級(jí)，關(guān)于基坑變形限制范圍的標(biāo)準(zhǔn)參照SZ-08—2000《上海地鐵基坑工程施工規(guī)程》的規(guī)定，一級(jí)基坑等級(jí)地表最大沉降量smax≤0.1%H，地下連續(xù)墻最大水平位移wmax≤0.14%H，H為基坑開挖深度。通過數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)每個(gè)工況在設(shè)置井字形臨時(shí)鋼支撐后、設(shè)置混凝土支撐前的臨時(shí)鋼支撐最大軸力、地下連續(xù)墻最大變形量以及地表最大沉降量進(jìn)行分析，得到井字形臨時(shí)鋼支撐支護(hù)方案的可行性結(jié)果。

3.1 井字形臨時(shí)鋼支撐極限承載力計(jì)算

由于鋼支撐承受壓力，長細(xì)比較大，其失穩(wěn)將對(duì)基坑支護(hù)體系產(chǎn)生極大的影響。因此，分析鋼支撐保持穩(wěn)定的承載力以及臨界承載力十分必要。將臨時(shí)鋼支撐視作軸心受壓構(gòu)件，根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[13]計(jì)算臨時(shí)鋼支撐的臨界承載力，計(jì)算時(shí)不考慮鋼管撐自身重力影響。本工程采用Q235鋼管支撐，鋼支撐鋼管分為2種：a類橫向支撐及角撐外徑D1＝820 mm，壁厚t1＝20 mm，鋼管的截面慣性矩I1＝0.003 73 m4，構(gòu)件截面面積A1＝0.049 m2，橫截面慣性半徑i1＝0.276 m；b類縱向支撐外徑D2＝220 mm，壁厚t2＝20 mm，鋼管的截面慣性矩I2＝4.637×10－5m4，構(gòu)件截面面積A2＝0.011 3 m2，橫截面慣性半徑i2＝0.064 m。本支撐鋼管的截面形式為a類，屈服強(qiáng)度fy＝225 MPa。不同鋼支撐段的極限承載力見表3。

表3 不同鋼支撐段的極限承載力

①類臨時(shí)鋼管支撐分為縱向支撐，橫向支撐以及角撐，由于此深大基坑的鋼管支撐尺寸種類較為復(fù)雜，在此我們只研究長細(xì)比較大且跨度大，較為危險(xiǎn)工況的①—⑦類鋼管支撐的極限承載力，布置如圖3所示。鋼管支撐的長細(xì)比計(jì)算如下：

①類橫向支撐被井字形接頭分為3段，每段可視作桁架模型，其中最長跨度l1為16.0 m；②類橫向支撐被井字形接頭分為5段，其中最長跨度l2為12.4 m；③類橫向支撐被井字形接頭分為4段，其中最長跨度l3為16.0 m；④類縱向支撐被井字形接頭分為15段，其中每段跨度l4約為8.0 m；⑤類角撐被井字形接頭分為2段，其中每段跨度l5約為13.6 m；⑥類角撐被井字形接頭分為3段，其中最長跨度l6為15.6 m；⑦類角撐被井字形接頭分為2段，其中每段跨度l7約為17.2 m。

3.2 井字形臨時(shí)鋼支撐軸力分析

通過模擬結(jié)果，可以得到在布置第1—第5道井字形臨時(shí)鋼支撐后，每道鋼支撐體系中①—⑦類鋼支撐段中的最大支撐軸力對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同開挖階段井字形臨時(shí)鋼支撐最大支撐軸力

由圖6可得，在基坑開挖16.75 m至基坑底的過程中開始設(shè)置第1—第5道井字形臨時(shí)鋼支撐，在此過程中，端頭井處臨時(shí)鋼支撐（②類、⑥類管段）最大支撐軸力呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì)，而標(biāo)準(zhǔn)段的臨時(shí)鋼支撐最大軸力則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。無論是在端頭井處還是標(biāo)準(zhǔn)段，最大軸力都出現(xiàn)在第3道臨時(shí)鋼支撐處，即開挖25.75 m處。由圖6可知，鋼支撐①—⑦類管段在開挖過程中的最大支撐軸力都遠(yuǎn)小于表3所示不同鋼支撐段的極限承載力值。由此得出，此井字形臨時(shí)鋼支撐支護(hù)方案可行。

3.3 地下連續(xù)墻變形分析

地下連續(xù)墻最大水平位移wmax≤0.14%H，H為基坑開挖深度，即端頭井處地下連續(xù)墻最大水平位移不能超過57.8 mm，標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻最大水平位移不能超過51.7 mm。本工程從開挖工況4開始設(shè)置井字形臨時(shí)鋼支撐，所以對(duì)地下連續(xù)墻變形研究從開挖工況4開始?；娱_挖工況4—工況14過程中，不同深度處的地下連續(xù)墻x方向變形量對(duì)比如圖7所示，y方向變形量對(duì)比如圖8所示。

圖7 不同深度處的地下連續(xù)墻x方向變形

圖8 不同深度處的地下連續(xù)墻y方向變形

由圖7可知，地下連續(xù)墻x方向最大位移位置在端頭井左側(cè)邊緣中心點(diǎn)處。隨著開挖深度的增加，地下連續(xù)墻x方向的最大位移位置不斷下移，但始終位于基坑開挖深度中間的位置。由圖8可知，地下連續(xù)墻y方向最大位移在標(biāo)準(zhǔn)段上邊緣距最右側(cè)30.5 m處。隨著基坑開挖深度增大，地下連續(xù)墻y方向最大位移位置逐漸下移，置于基坑開挖面以下，最大位移隨深度呈現(xiàn)“m”形狀。由井字形臨時(shí)鋼支撐設(shè)置工況和混凝土支撐設(shè)置工況4—5、工況8—9、工況12—13對(duì)比可得，本文提出的臨時(shí)鋼支撐支護(hù)的支護(hù)效果與混凝土支撐相差不大，足以在混凝土支撐澆筑期間維持基坑的穩(wěn)定性，每個(gè)工況下地下連續(xù)墻x方向和y方向的最大位移滿足wmax≤0.14%H的要求。

3.4 地表沉降分析

由標(biāo)準(zhǔn)本基坑等級(jí)地表最大沉降量smax≤0.1%H，即端頭井處smax≤41.3 mm，即標(biāo)準(zhǔn)段smax≤36.9 mm。圖9為x、y方向分別與基坑壁不同距離內(nèi)的地表最大沉降量對(duì)比圖。如圖9所示，地表x方向最大沉降位置位于端頭井最左側(cè)邊緣中心點(diǎn)處，地表y方向最大沉降位置位于端頭井與標(biāo)準(zhǔn)段交界處標(biāo)準(zhǔn)段的起點(diǎn)處。無論是x方向還是y方向，隨著與基坑壁的距離越遠(yuǎn)，地表沉降越大，最后趨于0。無論是端頭井處還是標(biāo)準(zhǔn)段，地表的最大沉降值皆滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，說明本支護(hù)方案的合理性。

圖9 距基坑壁不同距離內(nèi)的地表最大沉降量

4 結(jié)語

1）在基坑開挖過程中，設(shè)置了8道混凝土支撐加地下連續(xù)墻，由于實(shí)際工程實(shí)施過程中，混凝土支撐澆筑時(shí)間過長，為減少基坑裸露時(shí)間并且控制臨時(shí)支護(hù)的成本，在第4—第8道混凝土支撐澆筑期先設(shè)置新型井字形臨時(shí)鋼支撐，以優(yōu)化支護(hù)方案保持基坑穩(wěn)定性。

2）針對(duì)井字形臨時(shí)鋼支撐的極限承載力、鋼支撐最大支撐軸力、地下連續(xù)墻的最大變形量以及地表最大沉降量進(jìn)行基坑開挖過程中變化規(guī)律的分析。結(jié)果表明，隨著開挖深度的增加，井字形臨時(shí)鋼支撐最大軸力隨設(shè)置深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；隨著開挖深度的增加，地下連續(xù)墻的最大位移由先增大后減小的趨勢(shì)發(fā)展到“m”形狀，即先增大后減小隨后增大最后再次減?。浑S著開挖深度的增加，地表最大沉降量隨距離基坑壁距離越遠(yuǎn)，沉降量越小，最后趨于零。

3）本文通過數(shù)值模擬計(jì)算井字形臨時(shí)鋼支撐最大支撐軸力、出地下連續(xù)墻的最大變形量以及地表最大沉降量，并與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于基坑等級(jí)為一級(jí)時(shí)地下連續(xù)墻最大變形量、地表最大沉降量要求限值的進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文井字形臨時(shí)鋼支撐支護(hù)方案的可行性。