寧波市軌道交通海晏北路換乘站基坑支撐優(yōu)化與分析*

陳金銘 狄宏規(guī) 宣 煒 梁浩毅 蘇光北

(1. 寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司， 315012， 寧波； 2. 同濟(jì)大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久性與系統(tǒng)安全重點實驗室， 201804， 上?！蔚谝蛔髡撸?高級工程師)

在城市軌道交通建設(shè)中，控制深基坑的開挖變形對于基坑自身安全和周邊環(huán)境的保護(hù)極其重要[1-2]。目前，城市軌道交通車站的基坑施工主要采用鋼支撐與混凝土支撐相結(jié)合的方式。近年來，相關(guān)人員設(shè)計出基于液壓自動伺服控制原理的液壓伺服鋼支撐。該支撐方式采用設(shè)備對支撐軸力及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形實施全天候動態(tài)監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果發(fā)送至程控主機(jī)，與預(yù)先設(shè)計的軸力值進(jìn)行對比，再通過液壓系統(tǒng)自動調(diào)整鋼支撐軸力，做到低壓自動補(bǔ)償、高壓自動報警，從而避免出現(xiàn)因軸力損失過大而導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大的風(fēng)險[3]。但該支撐方式的造價較高，尚未在城市軌道交通建設(shè)中大規(guī)模推廣，可供研究的案例極少。

本文基于寧波市軌道交通5號線海晏北路站接駁既有車站工程，通過實測數(shù)據(jù)的分析，對比液壓伺服鋼支撐與普通鋼支撐的支撐效果，討論采用液壓伺服鋼支撐代替第5道混凝土支撐的可行性，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

海晏北路站為寧波市軌道交通1號線與5號線的換乘車站。其中：1號線海晏北路站為地下雙層島式車站，沿東西向敷設(shè)，目前已開通運(yùn)營；5號線海晏北路站為地下3層車站，沿南北向敷設(shè)，與1號線海晏北路站形成“十”字形交叉接駁，其基坑平面布置如圖1所示。5號線海晏北路站的主體框架結(jié)構(gòu)長度為189.00 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為22.10 m，深度為24.71～24.76 m，南、北端頭井基坑寬度為26.20 m，基坑深度為26.46～26.51 m。該站基坑開挖采用明挖順筑法，以1 000 mm和1 200 mm厚的地下連續(xù)墻作為車站主體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐(直徑609 mm或800 mm，壁厚16 mm)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐體系。常規(guī)支撐體系與伺服支撐體系結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。該基坑工程周邊環(huán)境較為復(fù)雜，對于該基坑施工的變形控制而言，施工的風(fēng)險較大。

2 基坑變形與沉降的監(jiān)測、分析

在該基坑的開挖過程中，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形、地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測，根據(jù)實際情況選取了部分監(jiān)測點進(jìn)行分析，其測點布置如圖3所示。其中，測斜點20個，地表沉降監(jiān)測點54個。

圖1 海晏北路換乘站基坑平面布置示意圖

a)普通鋼支撐段

b)液壓伺服鋼支撐段

圖3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測點布置圖

為對比液壓伺服鋼支撐與普通鋼支撐的支撐效果，選取普通鋼支撐段的測斜管CX11，以及液壓伺服鋼支撐段的測斜管CX17、CX15、CX13進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖4為該圍護(hù)結(jié)構(gòu)累計水平變形隨深度變化的曲線。從圖4可以看出，CX17的最大累計水平變形量(29.3 mm)明顯小于CX11的水平變形最大值(90.1 mm)，說明伺服支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制效果更好；CX13的最大累計水平變形值較大(76.1 mm)，原因是CX13更靠近普通鋼支撐段，故此處優(yōu)化效果不明顯；CX15的最大累計水平變形值最小(27.9 mm)，這是由于CX15處既采用了液壓伺服鋼支撐，且距離既有車站最近，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形得到了很好的控制。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)累計水平變形量/mm

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)累計水平變形量隨開挖深度變化曲線

從圖4還可以得出結(jié)論：圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形量隨開挖深度的增大而增大，其最大累計水平變形值出現(xiàn)在開挖深度附近。從第4道鋼支撐架設(shè)完成至第5道混凝土支撐施作，該基坑的累計水平變形增量變化較大，增量最大的測點的變形量達(dá)到了總變形量的40%。其原因主要為該基坑時空效應(yīng)明顯，從混凝土支撐的施作完成至達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度值需要一定養(yǎng)護(hù)齡期，此階段的基坑處于無支撐暴露狀態(tài)，因而會產(chǎn)生較大的水平變形。

3 鋼支撐替代混凝土支撐的有限元模擬

3.1 有限元模型的建立

采用有限元計算軟件Plaxis3D 2017對該基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)基坑的開挖深度為26 m，模型沿x、y、z3個方向的尺寸分別為310 m、220 m、80 m，如圖5所示。

圖5 海晏北路換乘站的有限元模型

土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變土體硬化模型(HSS)。根據(jù)地質(zhì)勘查報告及施工現(xiàn)場的軟土工程特征，合并相近土層后得到土體模型參數(shù)如表1所示。

表1 海晏北路換乘站的土體模型參數(shù)表

施工中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元，車站主體結(jié)構(gòu)采用線彈性實體單元，混凝土支撐采用梁單元，普通鋼支撐采用錨桿單元，液壓伺服鋼支撐系統(tǒng)采用點荷載。土體與結(jié)構(gòu)之間的接觸作用通過界面單元來模擬。數(shù)值模擬分為2種方案，其主要差異在于第5道支撐方式:方案1中第5道撐為混凝土支撐，方案2中第5道撐為鋼支撐(液壓伺服鋼支撐段為液壓伺服鋼支撐，普通段為普通鋼支撐)。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 模型可靠性驗證

為驗證模型的可靠性，提取方案1中CX17位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的累計水平位移與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，數(shù)值模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)的累計水平變形與實測結(jié)構(gòu)的累計水平變形規(guī)律基本一致，表明采用該模擬方法是合理可行的。

圖6 CX17處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的累計水平變形量對比

3.2.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計

為了驗證用伺服剛支撐代替第5道混凝土支撐的可行性，將伺服鋼支撐區(qū)段的第5道支撐替換成不同軸力情況下的液壓伺服鋼支撐，并與混凝土支撐方案進(jìn)行比對。

城市軌道交通車站基坑所用的鋼支撐可視為細(xì)長薄壁圓柱型結(jié)構(gòu)。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》來計算鋼支撐的穩(wěn)定性，計算公式為：

式中：

N——構(gòu)件極限穩(wěn)定承載力；

φ——構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。其值根據(jù)長細(xì)比、鋼材屈服強(qiáng)度、截面分類決定；

A——截面面積；

f——鋼材的屈服強(qiáng)度。

本基坑所采用的液壓伺服鋼支撐參數(shù)為：直徑為800 mm，壁厚為16 mm，長度為26.2 m。根據(jù)截面回轉(zhuǎn)半徑及長細(xì)比，確定式(1)中的φ取0.584；鋼材材料為Q235B，則f取235 MPa，A為39 388.16 mm4。由式(1)可得到該類型液壓伺服鋼支撐的極限穩(wěn)定承載力N為5 405.63 kN。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，將傳統(tǒng)鋼支撐預(yù)加60%的極限穩(wěn)定承載力作為預(yù)加軸力，可以起到良好的支撐效果，因而本文在數(shù)值模擬方案中設(shè)計了3種方案進(jìn)行可行性驗算。這3種方案的區(qū)別在于：在其他鋼支撐軸力情況不變的情況下，第5道混凝土支撐的液壓伺服鋼支撐標(biāo)定軸力分別采用2 000 kN、3 000 kN、4 000 kN進(jìn)行試算，以驗證第5道支撐替換為鋼支撐的可行性。

3.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

提取上文3種方案中伺服支撐段CX17處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的累計水平變形量，結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種標(biāo)定軸力下CX17處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的累計水平變形量對比

從圖7可以看出，采用第5道支撐為液壓伺服鋼支撐時，伺服支撐軸力越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的累計水平變形量越小，其變化規(guī)律與采用混凝土支撐時的變化規(guī)律相同。軸力為4 000 kN、3 000 kN、2 000 kN情況時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平累計變形分別為39.39 mm、41.99 mm、44.40 mm；而混凝土支撐情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平累計變形為40.13 mm。由此可以得到，當(dāng)支撐軸力達(dá)到3 000 kN時,液壓伺服鋼支撐對圍護(hù)結(jié)構(gòu)累計水平變形的控制近似達(dá)到混凝土支撐的效果，所以第5道混凝土支撐用伺服液壓鋼支撐代替混凝土支撐具有一定的可行性。參照GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，上述3個方案的軸力情況均能夠滿足規(guī)范要求。

同樣提取這3種方案中伺服支撐段南基坑的地表沉降監(jiān)測點(D17)斷面位置處的數(shù)據(jù)，基坑邊緣地表沉降的模擬結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，在距離基坑邊緣約12 m處為地表的沉降最大處。此位置在混凝土支撐情況下的地表最大沉降為24.92 mm，在液壓伺服鋼支撐情況下軸力為2 000 kN、3 000 kN、4 000 kN時地表最大沉降分別為41.29 mm、38.85 mm、36.46 mm。由此可知混凝土支撐控制地表沉降的效果優(yōu)于液壓伺服和普通鋼支撐組成的伺服剛支撐體系。

圖8 3種標(biāo)定軸力下D17處地表沉降量對比

DG/TJ 08-61—2018《上海基坑工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，根據(jù)工程經(jīng)驗，由基坑的開挖引起的建筑物容許總沉降量建議取值為40 mm。因而，混凝土支撐以及液壓伺服鋼支撐3 000 kN、4 000 kN軸力下的最大地表沉降量可以滿足該規(guī)范對基坑變形控制的要求。

4 結(jié)論

1) 實測數(shù)據(jù)表明，與普通鋼支撐的水平變形相比，液壓伺服鋼支撐的水平變形可以減少22%左右，液壓伺服鋼支撐能更有效地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形。

2) 在施作混凝土支撐過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形增量最大可占總變形量的40%。

3) 在液壓伺服支撐段，用液壓伺服鋼支撐代替第5道混凝土支撐后，軸力為2 000 kN的設(shè)計方案優(yōu)化效果不明顯，軸力為3 000 kN和4 000 kN的設(shè)計方案均能有效控制地表沉降與圍護(hù)結(jié)構(gòu)累計水平變形，從而可以有效避免混凝土支撐在施工過程中無支撐暴露期產(chǎn)生較大水平變形的情況，具有一定的施工可行性。