地鐵車站半幅蓋挖深基坑混凝土支撐軸力分析

高笑娟， 雷居強， 馬志強

(1.河南科技大學土木工程學院， 洛陽 471000； 2.中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司， 北京 101100)

近些年，隨著地下工程的飛速發(fā)展，深基坑工程越來越多，深基坑常常采用圍護結構+內支撐的支護形式，第一道支撐多采用混凝土支撐，因其既具有支撐作用又兼具抗拉作用，可極大地保證基坑的安全支撐系統(tǒng)，對基坑的整體安全至關重要[1]。支撐軸力是了解支撐受力特性和判斷支護結構體系安全的一個重要指標，對于采用支撐+圍護結構的基坑工程，除測量圍護墻體的位移外，還需依據(jù)支撐軸力的變化來判斷基坑開挖過程中的穩(wěn)定性。然而在開挖的施工過程中,基坑往往處于力學性質相當復雜的地層中，存在諸多不確定性，例如荷載因素、時空效應、偶然因素等，加上計算方法、監(jiān)測方法自身的缺點[2]，使得有時候基坑支護結構監(jiān)測所獲得數(shù)據(jù)與設計數(shù)值存在較大差異，不足以作為判斷基坑穩(wěn)定性的依據(jù)。文獻[3]對國內多個基坑的混凝土支撐監(jiān)測軸力進行對比后發(fā)現(xiàn)，雖然在支撐軸力監(jiān)測項目超出報警值，但是支撐體系工作正常，支護結構、周邊環(huán)境等并沒有出現(xiàn)破壞的痕跡，可見單一支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)難以作為施工期間安全監(jiān)測的有效指標[4-5]。因此在實際的監(jiān)測工作中,應該認真查找引起混凝土支撐軸力增大的原因，并應結合圍護結構的水平位移等其他監(jiān)測項目數(shù)據(jù)對基坑的安全性進行綜合分析和判斷。根據(jù)已有文獻對引起軸力大幅增加的非荷載因素進行的研究成果，其主要原因有測試溫度、混凝土收縮和徐變、支撐承受的偏心荷載[6-7]、監(jiān)測儀器的誤差、混凝土彈性模量、混凝土支撐承受的彎矩[8]、鋼支撐架設時機、人工操作、監(jiān)測技術問題[9-10]等?；诖耍F(xiàn)結合洛陽地鐵1號線武漢路站深基坑混凝土支撐軸力超過報警值的現(xiàn)象，查找混凝土支撐軸力增大的原因，并采用數(shù)值模擬方法對影響混凝土支撐軸力的因素進行分析，以期為洛陽地區(qū)類似的工程提供參考。

1 工程概況

武漢路站主體結構采用單柱雙跨與雙柱三跨結合的鋼筋混凝土箱型框架結構，車站總長160.9 m，結構標準段寬度為21.90 m。由于車站周圍交通量大，且施工場地狹小，因此采用地連墻加內支撐的支護體系、半幅蓋挖法施工。標準段基坑豎向設置4道支撐，第1道支撐采用700 mm×900 mm混凝土支撐，間距9 m；第2、第4道支撐采用直徑Φ609 mm、厚度t=16 mm鋼管支撐，間距3 m；第3道支撐采用Φ800 mm、t=16 mm鋼管支撐，間距3 m。在基坑周圍設置相應的位移沉降觀測點，鋼筋混凝土支撐和鋼支撐上設置軸力監(jiān)測點，地連墻中心設置測斜孔，內置測斜儀量測地連墻的水平位移，監(jiān)測點的布置如圖1所示。

ZCL-01～ZCL-08為支撐軸力測點；ZQT-01～ZQT-18為墻體水平位移測點；DBC-01～DBC-28為墻后地面沉降測點圖1 基坑尺寸和監(jiān)測點布置Fig.1 Size of foundation pit and layout of monitoring points

基坑施工順序為，先施工蓋挖側地連墻和臨時中柱，開挖土層至蓋挖側頂板以下0.5 m，施工蓋板；等蓋板混凝土達到設計強度以后，改遷管線，上部覆土；開挖明挖側土層至混凝土支撐底標高，架設混凝土支撐；待強度達到要求之后從基坑兩端向中間依次開挖，土層共分為4大層、10小層，第一層、第二層、第三層分別開挖至第二、三、四道鋼支撐下部0.5 m，第四層開挖至基坑底標高；澆筑混凝土墊層，施工地下結構底板、負三層結構頂板、負二層結構頂板、負一層結構頂板。

2 混凝土支撐軸力監(jiān)測值分析

圖2給出了混凝土支撐測點的支撐軸力時程曲線，由圖2可見，所有混凝土支撐的軸力呈現(xiàn)一致的規(guī)律性變化，變化過程大致分為三個階段：第一階段為2019年2月9日之前各支撐軸力值的上升階段，該階段正進行第一層土方開挖，該層土方開挖完成后支撐軸力逐步發(fā)揮并且達到穩(wěn)定值；第二階段為支撐軸力的穩(wěn)定階段，此過程為第二、三、四層土方開挖階段，支撐軸力值為2 300 kN以下，這一階段基本上持續(xù)到基坑所有的土方開挖完成和地下結構底板澆筑完成，軸力均未超過設計控制值3 000 kN；第三階段主要進行車站結構施工的過程，混凝土支撐軸力隨著地下結構的施工持續(xù)增長一直到地下結構負一層頂板施工完成，其最大軸力值超過6 000 kN，為設計值3 000 kN的兩倍。地連墻水平位移隨著地下結構的施工有所增大，圖3中ZQT-4測點墻頂位移在開挖至基坑設計底標高時為-10.75 mm，負一層頂板澆筑完成時為-15.55 mm，增大了44.7%，對應施工步的墻體中部位移由9.07 mm增大到11.59 mm，增大了27.8%。

圖2 混凝土支撐軸力時程曲線Fig.2 Time history curve of axial force of concrete support

圖3 ZQT-4位置地連墻水平位移變化Fig.3 Horizontal displacement variation of diaphragm wall

結合前述相關研究[6-10]對引起本工程混凝土支撐軸力增大的因素進行探討。首先本工程施工期短，混凝土在短期內的收縮和徐變不可能產生與監(jiān)測值相匹配的內力，因此可以排除該影響因素；其次所有混凝土支撐軸力呈一致性的變化規(guī)律，而且在開挖過程中軸力值未超過設計值，軸力持續(xù)增大并超過設計值是發(fā)生在地下結構施工期間，因此又可以排除監(jiān)測方法和鋼筋計本身質量的原因。假設混凝土支撐的過高內力是溫差所引起，本基坑每次監(jiān)測數(shù)據(jù)讀取的時間為上午10∶00，根據(jù)圖2中混凝土支撐軸力變化曲線，地下結構施工期間外界溫度需逐日升高，混凝土支撐軸力從4月12日的2 300 kN左右增大到6月14日的6 000 kN?；訕藴识位炷林伍L度L約為14 200 mm，橫截面面積A為700 mm×900 mm，混凝土強度等級C30，彈性模量E取3×104N/mm2，混凝土線膨脹系數(shù)α取1×10-5/ ℃，則軸力差引起的膨脹變形為

(1)

產生2.78 mm線性變形的溫度差為

(2)

式中：Δl為混凝土支撐的變形量，mm；L為混凝土支撐長度,mm；A為混凝土支撐橫截面積,mm2；F為混凝土支撐內力，N;E為混凝土彈性模量，N/mm2；Δt為溫度差, ℃。

由此可見如果3 700 kN的軸力差是由于外界溫度的變化引起的，需要混凝土產生19.5 ℃的溫度差，能夠引起混凝土支撐產生2.78 mm的伸長變形。本基坑中混凝土支撐一端與蓋挖側混凝土蓋板上部的牛腿相連，由于牛腿和下部蓋板相連處寬度為1.2 m，內部配有鋼筋錨固在蓋板中，剛度較大，可以認為不發(fā)生變形，另一端頂在地連墻上部的鋼筋混凝土腰梁上，允許向墻后發(fā)生變形，可以釋放混凝土支撐中的內力。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，負一層頂板澆筑完成時明挖側的地連墻在2.9 m深度處產生了7.6 mm的向基坑外部的水平位移，遠大于溫度升高所產生的伸長量，因此可以判定混凝土支撐的軸力增大不完全是其溫度升高所引起。

3 基坑開挖過程數(shù)值模擬分析

3.1 計算單元選取

由上述分析可見，造成混凝土支撐軸力增大的原因復雜，為了研究影響混凝土支撐軸力的因素，用ABAQUS軟件對車站基坑的施工過程進行了數(shù)值模擬分析。本基坑的形狀規(guī)則，除了兩端深度和寬度加大之外，標準段深度和寬度基本一致，根據(jù)基坑的形狀和可參考的監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，取圖1中的4-4斷面進行二維分析，所取計算單元的結構布置如圖4所示。基坑蓋挖側和明挖側對應的地連墻測點分別為ZQT-16和ZQT-04，混凝土支撐為ZCL-01-03，第二、三、四道鋼支撐編號分別為ZCL-02-03、ZCL-03-03、ZCL-04-03，地面沉降測點為DBC-05。根據(jù)4-4斷面的設計圖紙，基坑開挖深度d取25 m，沿著基坑長度方向蓋板上覆土層厚度不同，基坑兩側地連墻的頂面標高不同，總長度也不同。為了建模方便，取兩側地連墻頂標高一致，長度均取，35 m地連墻厚度1 m，基坑寬度21.9 m，基坑兩側土體的寬度取3倍開挖深度，為75 m，深度方向取至地連墻底部以下1倍開挖深度25 m，因此模型總深度為60 m，總寬度為171.9 m。

圖4 支護結構斷面圖Fig.4 Section of supporting structure

3.2 本構模型和計算單元

混凝土支撐、立柱、立柱樁采用梁單元，土體采用平面應變四邊形單元。將實際工程中分層厚度較小且性質相近的土層合并為一層，重度、黏聚力和內摩擦角取加權平均值后共分為6層，采用Mohr-Coulomb模型，支撐、地連墻、立柱、立柱樁、蓋板取線彈性模型，材料參數(shù)如表1所示。基坑土層實際開挖分為11層，開挖順序如表2所示，模擬時將第11層合并入第10層，其余每層的開挖深度同實際一致，第4層、7層、9層開挖完成之后架設第二、第三、第四道鋼支撐。開挖前先將混凝土和土層材料密度一致進行地應力平衡，然后在地連墻和蓋板上利用body force施加土體與混凝土之間重力的差值，進行土體開挖和支撐架設過程。由于鋼支撐的軸力在施工過程中保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)軸力大幅下降或者上升現(xiàn)象，因此利用在其實際工程中的標高位置處地連墻上施加集中力的方法實現(xiàn)鋼支撐的軸力；立柱上與每一道鋼支撐相對應位置處約束水平向位移和扭轉。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

表2 4- 4斷面開挖分層和施工工序設置Table 2 Excavation layer and construction procedure

2019年3月11日基坑墊層澆筑完成，4月4日底板澆筑完成，5月6日負三層頂板澆筑完成，5月26日負二層頂板澆筑完成，6月14日負一層頂板澆筑完成，混凝土支撐軸力監(jiān)測6月14日結束，其他數(shù)據(jù)監(jiān)測持續(xù)至6月23日結束。

3.3 影響混凝土支撐軸力的因素分析

3.3.1 基坑兩側荷載影響

規(guī)范規(guī)定基坑邊緣2 m范圍內不允許有施工荷載，分析時在基坑明挖側或者蓋挖側2～15 m范圍內施加不同的荷載值，取分析步為r-10即基坑開挖至設計標高時對應的混凝土支撐軸力值進行對比分析。明挖側、蓋挖側和蓋板土層頂面三個位置中的一個位置荷載發(fā)生變化時，其他兩個位置荷載保持25 kPa不變。由圖5可見，而基坑明挖側荷載變化對混凝土支撐軸力的影響顯著，支撐軸力隨著荷載增大基本上呈線性增大，而蓋挖側和蓋板上部荷載變化對混凝土支撐軸力影響甚微。這是由于混凝土支撐位于靠近明挖側，該處地連墻頂部為自由端，剛度相對較小；而蓋挖側有厚度0.9 m的鋼筋混凝土蓋板，蓋板一側與地連墻澆筑在一起，蓋板下有立柱支撐，立柱頂部錨固在蓋板內，按固定支座處理，剛度相對較大，因此蓋挖側地表的荷載和蓋板上荷載變化對混凝土支撐軸力的影響不明顯。因此工程中應重點控制明挖側的荷載值，以免引起混凝土支撐軸力過大或者地連墻水平位移過大。

圖5 荷載對混凝土支撐軸力的影響Fig.5 Influence of load on axial force of support

3.3.2 鋼支撐位置影響

圖6為鋼支撐位置不同時，混凝土支撐軸力的變化情況。將實際工程中鋼支撐的位置作為對比基準，將所有鋼支撐同時向上、向下移動一定距離，或者將每一道鋼支撐單獨向上、向下移動(其他兩道支撐保持在設計位置)，混凝土支撐的軸力均會受到影響。總體上看，鋼支撐向上移動時，混凝土支撐的軸力降低；鋼支撐向下移動時，混凝土支撐軸力升高。從影響的程度上看，第二道鋼支撐的位置對混凝土支撐的軸力影響最大，第四道鋼支撐的影響最小；所有鋼支撐同時向一個方向移動時，對混凝土支撐軸力的影響更加明顯，其中一大部分的影響效果來自于第二道鋼支撐。鋼支撐向下移動，相當于鋼支撐架設滯后，會造成混凝土支撐軸力增大，如第二道鋼支撐位置向上移動2 m，混凝土支撐軸力減小了10.06%；向下移動2 m，混凝土支撐的軸力比設計位置時增大6.78%?？梢姷诙冷撝蔚奈恢孟喈斢谠谠O計支撐位置超挖2 m后再架設相應的支撐，這對基坑工程的安全性是不利的，因為不僅會導致混凝土支撐軸力增大，還可能引起地連墻的水平位移也相應增大。

圖6 鋼支撐位置對混凝土支撐軸力影響Fig.6 Influence of steel support position on axial force of concrete support

3.3.3 鋼支撐軸力的影響

實際工程中，鋼支撐架設之后首先施加預應力，但是隨著開挖進行，鋼支撐的軸力會因為各種原因出現(xiàn)消散降低的現(xiàn)象，如果不能及時補充，也可能影響到混凝土支撐的軸力以及地連墻的水平位移，從而對基坑的安全性造成影響。為了探討鋼支撐軸力對混凝土支撐軸力的影響，分別改變各道鋼支撐的軸力，將混凝土支撐軸力的變化繪制于圖7中，所取的分析步為基坑開挖至基坑底設計標高時的r-10步。

由圖7可見，鋼支撐軸力越大，混凝土支撐的軸力越小，三道鋼支撐的軸力變化均對混凝土支撐軸力存在影響，其中第二道鋼支撐軸力的影響最大。當?shù)诙冷撝屋S力為1 073 kN時，混凝土支撐軸力模擬值為2 370.75 kN(實測軸力第二階段平均值為2 333.06 kN)；當該鋼支撐軸力為0.01 kN，相當于去掉該鋼支撐，此時混凝土支撐的軸力達到3 289.69 kN，增大了38.76%，超過設計值3 000 kN。分別去掉第三、第四道鋼支撐時，混凝土支撐的軸力分別增大了9.38%和1.33%。

圖7 鋼支撐軸力對混凝土支撐軸力影響Fig.7 Influence of steel support axial force on concrete support axial force

3.4 模擬結果對比

通過對影響鋼筋混凝土支撐的影響因素的分析，結合施工監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出，本工程混凝土支撐軸力增大的主要影響因素為明挖側的荷載值。因此，在數(shù)值模擬過程中，開挖到設計標高以后，按照地下結構施工順序逐步卸除鋼支撐，同時在各層地下結構頂板厚度范圍的地連墻上施加壓力模擬地下結構對地連墻的約束作用，開挖至基坑底標高以前、負三層頂板、負二層頂板和負一層頂板澆筑完成后明挖側的荷載值分別為25、45、50、55 kPa，得出4-4斷面附近混凝土支撐軸力時程曲線如圖8所示。

圖8 混凝土支撐模擬值和實測值對比Fig.8 Comparison of simulated value and measured value of concrete support

由圖8可知混凝土支撐軸力的變化曲線與實測值基本上相等，變化規(guī)律一致。與此荷載條件對應的地面沉降與DBC-05位置垂直于地連墻方向的5個沉降觀測點所測的地面沉降對比曲線如圖9所示，實測值和模擬值分別為在負三層頂板與負二層頂板施工完成時的兩種工況，由圖9可見，明挖側地表沉降最大值和出現(xiàn)的位置模擬值和實測值比較接近。此時基坑兩側地連墻的水平位移對比曲線如圖10和圖11所示，由于地連墻的模型與實際情況有一定的差異，地連墻上部的水平位移模擬曲線與實測曲線數(shù)值存在差距，但是變化的特征一致，特別是水平位移最大值以下部分，吻合程度較高，說明模擬的結果是具有參考價值的。

圖9 基坑明挖側地表沉降對比Fig.9 Comparison of ground settlement on open cut side of foundation pit

圖10 ZQT-16位置地連墻水平位移曲線對比Fig.10 Comparison of horizontal displacement curves of diaphragm wall at ZQT-16

圖11 ZQT-04位置地連墻水平位移曲線對比Fig.11 Comparison of horizontal displacement curves of diaphragm wall at ZQT-14

4 結論

結合洛陽軌道交通1號線武漢路站半幅蓋挖法深基坑的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用數(shù)值模擬方法分析了影響混凝土支撐軸力的因素，探討了施工過程中混凝土支撐軸力遠超設計控制值的原因，主要得出以下結論。

(1)武漢路站混凝土支撐軸力的增大可以排除溫度、混凝土收縮徐變、監(jiān)測方法和監(jiān)測技術等方面的影響，主要是受到明挖側施工荷載的影響，荷載越大，混凝土支撐軸力越大，蓋挖側和蓋板頂面的荷載對混凝土支撐軸力沒有明顯影響,因此地下結構混凝土的強度達到設計要求值前，應避免基坑明挖側有過大的施工荷載。

(2)鋼支撐的位置對混凝土支撐軸力存在影響，特別是鋼筋混凝土支撐下最近的鋼支撐，其設計位置上移會一定程度上減小混凝土支撐軸力，其設計位置下移或者架設滯后會增大混凝土支撐軸力，工程中應避免鋼支撐架設滯后。

(3)鋼支撐的軸力對混凝土支撐軸力存在影響，特別是第二道鋼支撐，其軸力增大，混凝土支撐軸力減小，其軸力減小，混凝土支撐軸力會明顯增大，工程中對于鋼支撐的預應力應及時補充，以免預應力損失造成混凝土支撐軸力過大。