深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形定量化控制分析

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1 兩種鋼支撐變形調(diào)查統(tǒng)計(jì)與分析

類(lèi)似于上海地區(qū)軟土地層地鐵車(chē)站的地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐多采用Φ609 mm鋼支撐。以深16 m、寬21 m，長(zhǎng)180 m左右的標(biāo)站為例，標(biāo)準(zhǔn)段3 道鋼支撐，兩端頭井4 道鋼支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量在60 mm左右，視為正常變形范圍。近幾年，在復(fù)雜的地段、周邊建筑物、管線(xiàn)保護(hù)等級(jí)較高的深基坑內(nèi)支撐采用了軸力補(bǔ)償裝置的鋼支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量降到35 mm左右。對(duì)于周邊建筑物保護(hù)等級(jí)特高深基坑，除了采用軸力補(bǔ)償裝置鋼支撐，同時(shí)還需采用基坑內(nèi)土體加固方法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量一般控制在20～30 mm范圍。但由于軸力補(bǔ)償裝置是由液壓、動(dòng)力、泵送、千斤頂、電控裝置和數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)等組成，管理復(fù)雜，成本較高，實(shí)際施工過(guò)程中難以普遍使用。

目前軟土地層地下車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐第1 道采用混凝土支撐，以下采用Φ609 mm鋼支撐較為普遍。針對(duì)條件類(lèi)似的深基坑，有軸力補(bǔ)償裝置和普通鋼支撐兩種支撐形式。開(kāi)挖過(guò)程中實(shí)測(cè)每道支撐的桿件壓縮變形量與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量，歸納如表1所示。

通過(guò)對(duì)表1的數(shù)據(jù)分析可知：

（a）第1道混凝土支撐桿件的壓縮變形量與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量基本一致；

（b）第2道鋼支撐為無(wú)軸力補(bǔ)償裝置的鋼支撐時(shí)，支撐桿的壓縮變形量為14～16 mm，對(duì)應(yīng)該層面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量為18～20 mm；為有軸力補(bǔ)償裝置的鋼支撐時(shí)，支撐桿件的壓縮變形量減少了，對(duì)應(yīng)該層面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量也減少了；

（c）第3、4道鋼支撐為無(wú)軸力補(bǔ)償裝置的鋼支撐時(shí)，桿件的壓縮變形量為22～26 mm；鋼支撐桿件受軸向壓力加大，為有軸力補(bǔ)償裝置的鋼支撐時(shí)，桿件的壓縮變形量為6～8 mm。

表1 兩 種支撐形式的變形量對(duì)比

2 關(guān)于支撐壓縮變形問(wèn)題的分析推論

由于胡克定律可知，鋼支撐桿件理論壓縮變形量?jī)H在3～4 mm。而實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)，第3道鋼支撐壓縮變形量是理論計(jì)算的5～7 倍，帶軸力補(bǔ)償裝置的鋼支撐壓縮變形量也是理論計(jì)算的2～3 倍，說(shuō)明Φ609 mm鋼支撐桿件還存在著其他方面的壓縮變形。

整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程，1層支撐軸力最大出現(xiàn)在支撐安裝的初始階段，4層支撐軸力最大出現(xiàn)在底板施工結(jié)束，2層、3層支撐軸力最大出現(xiàn)在4層支撐拆除階段，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力最大的層面都在第3道支撐層面[2]?；娱_(kāi)挖過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)是先變形，開(kāi)挖到下道支撐的層面時(shí)鋼支撐才安裝支撐受力，我們稱(chēng)之為無(wú)支撐暴露時(shí)間產(chǎn)生的變形。兩種支撐桿件的無(wú)支撐暴露時(shí)間產(chǎn)生的變形量也不相同，對(duì)有軸力補(bǔ)償裝置鋼支撐，除了及時(shí)補(bǔ)償了軸力損失，支撐桿件壓縮變形量小，上道支撐變形小，圍護(hù)墻產(chǎn)生斜率小，對(duì)減少了下道支撐影響的變形量，可定為疊加變形量。

3 關(guān)于基坑開(kāi)挖過(guò)程中6 個(gè)變形量的發(fā)現(xiàn)

現(xiàn)以圖1、圖2 對(duì)鋼支撐的變形進(jìn)行定量分析，圖中顯示圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形大于支撐桿件變形主要是無(wú)支撐暴露產(chǎn)生的疊加變形。疊加變形量是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)變形后才安裝支撐的，且影響到后續(xù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量累積，所以第1道支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和支撐桿件變形一致。側(cè)向土壓力越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疊加變形越大；支撐軸力損失越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疊加變形越大。

圖1 鋼支撐變形點(diǎn)分析

圖2 深基坑δ疊加變形示意

深基坑開(kāi)挖過(guò)程采用Φ609 mm鋼支撐內(nèi)支撐的形式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量歸類(lèi)為由如下6 個(gè)方面的變形量累積：

式中：△δ端——墻面與鋼支撐端面平整度產(chǎn)生的壓縮量（mm）；

△δ楔——楔子的壓縮變形量（mm）；

△δ法蘭——鋼支撐受力后法蘭間的壓縮變形量（mm）；

△δ彈——鋼支撐材料的彈性壓縮變形量（mm）；

△δ撓——鋼支撐撓度產(chǎn)生的變形量（mm）；

△δ疊加——時(shí)、空、力的共同作用下產(chǎn)生的地下連續(xù)墻變形量（mm）。

通過(guò)以上的分析、推理，找到了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量與鋼支撐桿件變形量之間累積關(guān)系。這一重要發(fā)現(xiàn)，使我們對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量有了細(xì)化的認(rèn)識(shí)，使基坑施工圍護(hù)變形由定性分析到6 個(gè)方面的定量控制成為可能。

4 變形原因分析及解決途徑

4.1 影響基坑及支撐主要變形量的分析及解決途徑

我們通過(guò)實(shí)際調(diào)查，歸類(lèi)統(tǒng)計(jì)、概率分析、邏輯推理等方法，將支撐桿件的節(jié)點(diǎn)變形，以及開(kāi)挖過(guò)程圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化影響的變形，歸納如表2所示。

表2 影響基坑及支撐主要變形量分析與解決途徑

4.2 影響基坑主要變形量解決途徑分析

4.2.1 楔子變形量的解決途徑

楔子產(chǎn)生的變形量主要是楔子沒(méi)有制作標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)受力面積不滿(mǎn)足鋼材的彈性、屈服強(qiáng)度要求。楔子沒(méi)有穿過(guò)軸力產(chǎn)生的偏心受力所致。解決途徑：按標(biāo)準(zhǔn)制作能減小的楔子產(chǎn)生的變形量[3]。

4.2.2 端頭支撐軸力計(jì)產(chǎn)生變形量的解決途徑

軸力計(jì)安放在支撐桿件的端頭，直接和圍護(hù)墻面接觸，由于軸力計(jì)的截面積小，安裝偏差，端面不平整等因素鋼支撐產(chǎn)生的偏心受力、壓縮變形，甚至安全隱患。解決途徑：改進(jìn)軸力計(jì)為預(yù)先安放在支撐內(nèi)，使軸力計(jì)軸心和鋼支撐軸心同心[4]，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 安放在端頭軸力計(jì)

圖4 改進(jìn)放在支撐軸心軸力計(jì)

4.2.3 疊加變形量的解決途徑

上道支撐壓縮變形量對(duì)下道支撐高度產(chǎn)生的斜率疊加變形量；時(shí)空效應(yīng)地層的力學(xué)參數(shù)值產(chǎn)生的無(wú)支撐暴露變形量。解決途徑：改進(jìn)鋼支撐整體壓縮變形量（楔子改進(jìn)、軸力計(jì)安裝、端面處理、法蘭擰緊）可減少用圍護(hù)墻斜率增大的疊加變形量。帶軸力補(bǔ)償裝置的鋼支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量小，主要是減少了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的疊加變形量。

4.2.4 其他變形量的解決途徑

鋼支撐桿件法蘭連接的壓縮變形量、桿件長(zhǎng)度產(chǎn)生的撓度變形量，可以通過(guò)管理改進(jìn)減少桿件的整體壓縮變形量；鋼支撐端頭和圍護(hù)墻接合面可以通過(guò)找平處理減少?lài)o(hù)結(jié)構(gòu)的整體變形量。

5 結(jié)語(yǔ)

6 個(gè)方面變形量的提出，使我們認(rèn)識(shí)了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量的累積因素和過(guò)程，而對(duì)現(xiàn)有鋼支撐關(guān)鍵部位的改進(jìn)，不但使支撐桿件的受力更加合理，便于安裝施工，更重要的是在不增加施工成本的條件下，減少了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形總量。