共用既有地鐵車站連續(xù)墻支撐軸力變化規(guī)律分析*

寧 毅，廖凌軍，朱俊濤，楊 帥，雷亮亮

(中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，鄰近地鐵隧道的工程活動越來越多，鄰近運(yùn)營隧道的基坑工程無法規(guī)避[1]。基坑開挖過程中，難免會對周邊地層產(chǎn)生擾動，使鄰近地鐵車站和區(qū)間隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力及變形，從而影響隧道結(jié)構(gòu)的安全和地鐵列車的正常運(yùn)行。軟土地區(qū)通常采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)體系，支撐軸力將直接影響相鄰結(jié)構(gòu)變形，因此對支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測分析顯得格外重要。

張忠苗等[2]依托杭州某地鐵車站工程，分析粉砂土地區(qū)基坑施工全過程支撐受力特點，探討支撐拆除對鄰近支撐的影響。李守彪等[3]對軟土地區(qū)半逆作深基坑施工過程進(jìn)行支撐監(jiān)測分析，探討軟弱地層條件下支撐軸力的變化趨勢。郭利娜等[4]對武漢名都站深基坑工程鋼支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合數(shù)值模擬探討鋼支撐在不同開挖階段的軸力變化規(guī)律。金生吉等[5]以沈陽市隧道基坑為背景，采用MIDAS GTS軟件研究不同工況下支撐內(nèi)力的變化趨勢。張哲[6]以武漢市徐家棚站基坑為背景，對某次支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況進(jìn)行深入研究，并探討了監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性。張光建等[7]對某地鐵換乘車站基坑支撐軸力進(jìn)行研究，探討其隨土體卸荷時間的變化規(guī)律。張亞龍等[8]采用ABAQUS軟件對飽和軟黃土高水位地區(qū)深基坑鋼支撐軸力進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，探討開挖過程中軸力的變化趨勢。

綜上所述，對于共用既有地鐵車站地下連續(xù)墻基坑在開挖過程中支撐軸力變化情況鮮有報道，本文針對蘇州軌道交通S1線唯亭站1期工程，研究軟土基坑共用地鐵車站地下連續(xù)墻支撐軸力隨土體卸荷時間的變化趨勢，以期為類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

蘇州城市軌道交通S1線唯亭站1期工程位于蘇州市吳中區(qū)北部，基坑沿葑亭大道東西明挖施工，北鄰唯亭實驗小學(xué)，南鄰地鐵3號線車站，且與3號線車站共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑平面位置如圖1所示。整體近似為矩形，外包總長度為87.2m，南北方向?qū)?0.15～24.20m，開挖深度約為17.3m，開挖面積約為2.1km2。

圖1 基坑平面位置

考慮到基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，為最大程度地降低施工對周邊環(huán)境的影響，設(shè)計采用800mm厚地下連續(xù)墻+5道內(nèi)支撐支護(hù)方案，除第1道為混凝土支撐外，其余4道均為鋼支撐。混凝土支撐截面尺寸為800mm×1 000mm，鋼支撐選用φ609×16鋼管，支撐布置剖面如圖2所示。

圖2 支撐布置剖面

2 水文地質(zhì)條件

擬建場地坐落在長江三角洲東南部，淺土層主要由黏性土組成，夾砂性土。地表為瀝青路面，高程為3.050～3.250m，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場區(qū)的土層性質(zhì)參數(shù)如表 1所示。地下水主要有潛水、微承壓水和承壓水，潛水主要賦存于淺部填土層，穩(wěn)定水位為0.510～0.900m；微承壓水主要賦存于③3粉土層和④2粉砂夾粉土層，穩(wěn)定水位為0.500～0.600m；承壓水賦存于⑦2粉土夾粉砂層，穩(wěn)定水位為-2.500～-2.800m，年變幅1m左右。

表1 土層性質(zhì)參數(shù)

3 支撐軸力監(jiān)測

3.1 傳感器安裝

應(yīng)用鋼筋應(yīng)力計測量混凝土支撐軸力。將鋼筋應(yīng)力計布置在1/3支撐長度處，平行于支撐方向，焊接在鋼筋構(gòu)架的上、下、左、右4面中間的主筋上。焊接時用濕麻布片或濕毛巾等包裹鋼筋應(yīng)力計，以免損壞傳感器。鋼筋應(yīng)力計安裝如圖3所示。

圖3 鋼筋應(yīng)力計安裝示意

應(yīng)用軸力計測量鋼支撐軸力。待軸力計安裝架與鋼支撐中心重合后，焊接鋼支撐固定鋼板與軸力計安裝架未開槽側(cè)。冷卻后，將軸力計固定在安裝架內(nèi)，在安裝架2個翅膀內(nèi)側(cè)綁定軸力計電纜，確保軸力計和電纜不會掉落。軸力計安裝如圖4所示。

圖4 軸力計安裝示意

3.2 支撐軸力計算

應(yīng)用頻率接收儀接收傳感器信號，通過監(jiān)測頻率測得拉力、壓力的變化，按試驗標(biāo)定頻率-應(yīng)變換算數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)公式換算出支撐軸力。對于鋼筋混凝土構(gòu)件，在鋼筋與混凝土共同工作、變形的條件下，軸向受力可表述為：N=ε(EcAc+EsAs)，考慮到監(jiān)測頻率的變化，同時兼顧溫度變化對混凝土支撐受力的影響，其軸力可按式(1)，(2)計算，鋼支撐軸力可按式(3)計算。

(1)

(2)

(3)

3.3 測點布設(shè)

考慮到基坑工程周邊特點及支護(hù)方案的要求，對基坑5個斷面共25道支撐進(jìn)行監(jiān)測，軸力監(jiān)測點布置如圖5所示。

圖5 軸力監(jiān)測點布置

4 支撐監(jiān)測分析

為了更好地觀察基坑施工過程中，土體卸荷對周邊結(jié)構(gòu)的影響，選取直接與共用地下連續(xù)墻相連的ZL2，ZL4，ZL5 3個斷面的支撐監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析軸力在不同工況下的變化趨勢。施工工況設(shè)置為：①工況1 施作地下連續(xù)墻；②工況2 開挖第1層土；③工況3 施作第1道混凝土支撐、冠梁；④工況4 開挖第2層土；⑤工況5 架設(shè)第2道鋼支撐；⑥工況6 開挖第3層土；⑦工況7 架設(shè)第3道鋼支撐；⑧工況8 開挖第4層土；⑨工況9 架設(shè)第4道鋼支撐；⑩工況10 開挖第5層土；工況11 架設(shè)第5道鋼支撐；工況12 開挖第6層土；工況13 施作底板；工況14 拆除第4，5道鋼支撐；工況15 施作中板；工況16 拆除第2，3道鋼支撐；工況17 施作頂板；工況18 拆除第1道混凝土支撐。不同工況下支撐最大軸力變化曲線如圖6所示(正值為壓力)。

圖6 不同工況下支撐最大軸力變化曲線

由圖6可知，混凝土支撐軸力較鋼支撐變化明顯，ZL2-1，ZL4-1軸力變化趨勢基本一致，隨開挖深度的增加軸力逐步增大，第4道鋼支撐架設(shè)前軸力大幅度減小，從開挖第6層土開始軸力再次增大。斜撐ZL5-1前期軸力變化趨勢與直撐ZL2-1，ZL4-1相同，拆除第4，5道鋼支撐后軸力逐步下降，施作中板，拆除第2，3道鋼支撐后，軸力急劇下降，主要因為斜撐ZL5-1處在拐角位置，中板達(dá)到一定強(qiáng)度后，因拐角效應(yīng)混凝土支撐受力減小。值得注意的是，直撐ZL2-1，ZL4-1在部分工況下受力狀態(tài)為拉力，原因可能是開挖暴露時間長，下部支撐不及時，地下連續(xù)墻中下部整體產(chǎn)生向基坑內(nèi)位移的趨勢，迫使混凝土支撐承受相反的力。

鋼支撐軸力在開挖階段相對穩(wěn)定，同一水平面上，各支撐軸力相差不大。同一斷面上，先架設(shè)的鋼支撐較后架設(shè)的鋼支撐軸力普遍偏小，但隨著開挖深度的增加，這種趨勢不復(fù)存在，第5道鋼支撐內(nèi)力略小于第4道鋼支撐。第4，5道鋼支撐拆除后，上部支撐軸力迅速增大，同時拆除2道支撐，對上部支撐的承載力也是一種考驗，應(yīng)逐道拆除并實時監(jiān)控上部支撐受力，避免因支撐軸力突增誘發(fā)內(nèi)支撐及其端部連接處出現(xiàn)受力破壞。開挖階段，支撐ZL2-1在工況7下軸力達(dá)到最大，為2 044.09kN；支撐ZL4-1，ZL5-1在工況8下軸力達(dá)到最大，分別為 2 171.97，1 544.20kN。即開挖深度5～8m，為混凝土支撐最不利范圍，應(yīng)嚴(yán)格按時空效應(yīng)理論，分層分段開挖，及時支撐，合理安排施工步序，盡量減少基坑無支撐暴露時間。

5 支撐軸力模擬與分析

5.1 模型建立

采用有限元分析軟件MIDAS GTS/NX建立三維實體模型，模擬實際開挖過程中共用既有地鐵車站基坑支撐軸力的變形。考慮基坑施工對周圍土體造成的影響，三維實體模型尺寸為165m×225m×60m?；舆吔缗c模型邊界間距大于3倍的開挖深度，基本滿足模型邊界對開挖無影響的要求[9]。

在東西、南北2條道路處施加20kN/m2均布荷載，在既有建筑處施加60kN/m2均布荷載，土體采用修正莫爾-庫侖本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、既有結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，土體及結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表2，3所示。有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型

表2 土體計算參數(shù)

5.2 模擬與實測對比分析

ZL2，ZL4，ZL5最大支撐軸力模擬值與實測值對比曲線如圖8所示。由圖8可知，模擬數(shù)據(jù)同監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，支撐ZL2-1在工況7下軸力達(dá)到最大，支撐ZL4-1，ZL5-1在工況8下軸力達(dá)到最大，整體數(shù)值略小于實測結(jié)果。造成這種偏差的原因主要是模擬時為了減少工程量，對周邊建筑進(jìn)行了一定程度的簡化，主要考慮了基坑開挖與共用既有地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用。同時，工程場地內(nèi)土層分布不均，采用修正莫爾-庫侖本構(gòu)模型模擬基坑開挖過程，一些土體參數(shù)選取的不確定性也造成了誤差的存在。測量儀器的靈敏性、測量工作的規(guī)范性、施工機(jī)械的擾動也會使監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)誤差，不合理的施工步序、支撐的及時性也會對支撐軸力造成較大影響。但模擬結(jié)果同實測結(jié)果整體趨于一致，能反映開挖過程中支撐內(nèi)力變化的一般規(guī)律，可為類似工程提供參考。

表3 主要結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

圖8 最大支撐軸力模擬值與實測值對比曲線

此外，由圖8a，8b可知，直撐ZL2-1，ZL4-1在部分工況下，模擬混凝土支撐仍存在拉力，但相對于實測值整體偏小，進(jìn)一步佐證拉力存在與開挖暴露時間有關(guān)。除及時支撐外，還可通過改變支撐間距、增設(shè)支撐、合理開挖避免混凝土支撐受拉。

6 結(jié)語

1)混凝土直撐軸力隨開挖深度的增加而增大，第4道鋼支撐架設(shè)前軸力大幅度減小，開挖第6層土?xí)r軸力再次增大?；炷林涡睋吻捌谳S力變化趨勢與直撐相同，拆除第4，5道鋼支撐后軸力逐步減小，施作中板，拆除第2，3鋼支撐后軸力急劇減小，主要因為斜撐處在拐角位置，中板達(dá)到一定強(qiáng)度后，因拐角效應(yīng)混凝土支撐受力減小。

2)混凝土直撐在部分工況下受拉，造成這樣的原因可能是開挖暴露時間長，下部支撐不及時，地下連續(xù)墻中下部整體產(chǎn)生向基坑內(nèi)位移的趨勢，迫使混凝土支撐承受反向的力。可通過改變支撐間距、增設(shè)支撐、合理開挖避免混凝土支撐受拉。

3)鋼支撐軸力在開挖階段相對穩(wěn)定，同一水平面上，各支撐軸力相差不大。同時拆除2道支撐，使上部支撐軸力迅速增大，應(yīng)避免軸力突增產(chǎn)生不利影響。開挖深度5～8m為混凝土支撐最不利范圍，應(yīng)嚴(yán)格按時空效應(yīng)理論，規(guī)范施工。

4)模擬結(jié)果同實測結(jié)果雖有一定偏差，但總體較接近，整體趨于一致，基坑模型能反映開挖過程中支撐內(nèi)力變化的一般規(guī)律，可為類似工程提供參考。