地鐵車站鋼-混凝土聯(lián)合內(nèi)支撐體系變形分析

羅 庚，劉建偉，劉 剛，李力劍

(1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

樁撐(排樁+內(nèi)支撐)支護(hù)結(jié)構(gòu)對基坑變形的控制效果較好，因此廣泛應(yīng)用于地鐵車站等狹長、平面形狀規(guī)則且開挖深度大的基坑工程。目前，國內(nèi)外學(xué)者對樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)開展了多方面的研究：宋建學(xué)等[1]結(jié)合地鐵車站基坑工程實(shí)例，通過現(xiàn)場試驗，研究了鋼支撐裝拆過程中支撐軸力的影響范圍；陳成等[2]在基坑工程現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，分析了軸力計示值受溫度因素影響的變化規(guī)律；趙笑鵬[3]對樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)樁的位移和內(nèi)力進(jìn)行了施工全過程監(jiān)測，研究了支護(hù)樁內(nèi)力的分布和演化過程。迄今為止，對于鋼-混凝土聯(lián)合內(nèi)支撐體系的研究較少。

根據(jù)設(shè)計與施工情況，鋼筋混凝土支撐與冠梁構(gòu)成剛結(jié)點(diǎn)，而鋼管支撐與鋼圍檁構(gòu)成鉸結(jié)點(diǎn)，二者的支撐方式不同(見圖1)，造成了鋼-混凝土聯(lián)合內(nèi)支撐體系和純鋼管內(nèi)支撐體系的受力變形模式不同。

圖1 兩種內(nèi)支撐體系受力示意圖

鋼筋混凝土支撐剛度大，鋼管支撐剛度相對較小，現(xiàn)行的設(shè)計計算沒有充分考慮兩者間較大的剛度差異。本文以鄭州市某地鐵車站為工程背景，充分考慮兩種不同形式內(nèi)支撐與冠梁(鋼圍檁)之間的結(jié)點(diǎn)受力特征及內(nèi)支撐本身剛度、變形條件的差異，通過數(shù)值分析計算，將鋼-混凝土聯(lián)合內(nèi)支撐體系和純鋼管內(nèi)支撐體系進(jìn)行對比分析，研究地鐵車站基坑工程鋼-混凝土聯(lián)合內(nèi)支撐體系的變形及其環(huán)境巖土工程效應(yīng)，為設(shè)計、施工提供參考。

1 工程背景

鄭州市某地鐵車站外包主體結(jié)構(gòu)長247.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段外寬23.25 m，站臺寬14 m，基坑深約18.79 m，采用明挖法施工。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)體系。支護(hù)樁采用Ф1 000@1 400 mm鉆孔灌注樁，基坑標(biāo)準(zhǔn)段豎向設(shè)置3道支撐，第1道為800 mm×800 mm的鋼筋混凝土支撐，采用C35等級混凝土。其余兩道為鋼支撐，采用Ф609 mm鋼管，壁厚t=16 mm。標(biāo)準(zhǔn)段第1道支撐水平間距9 m，第2、3道支撐水平間距3 m，基坑設(shè)置了立柱樁、格構(gòu)柱和連系梁。

圖2 基坑有限元模型

2 三維有限元模型的建立

2.1 土體本構(gòu)模型

基坑開挖過程是土體與支護(hù)體系相互作用的過程，模擬土體本構(gòu)關(guān)系是分析支護(hù)體系內(nèi)力的關(guān)鍵。Mohr-Coulomb模型參數(shù)選取簡單，能較好反映土體塑性剪切破壞的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的土體本構(gòu)模型。Mohr-Coulomb模型的加載模量和卸載模量相同，在應(yīng)用于基坑開挖過程中會引起不合理的坑底隆起[3]，為避免這一現(xiàn)象，本文采用修正Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

2.2 模型建立

根據(jù)車站標(biāo)準(zhǔn)段外包尺寸，本文模型基坑寬度取23 m，開挖深度取18.8 m。為避免模型邊界對基坑開挖模型計算的影響，模型長和高一般分別取基坑開挖深度的3～5倍和2～4倍，本模型長取80 m，高取50 m。根據(jù)第1道支撐實(shí)際水平間距9 m，取寬度9 m的單元進(jìn)行模擬，即模型尺寸為80 m×9 m×50 m，基坑有限元模型見圖2。

標(biāo)準(zhǔn)段排樁采用Ф1 000@1 400 mm鉆孔灌注樁，為簡化計算，將排樁簡化為地下連續(xù)墻，其厚度按等效剛度原則確定，則地下連續(xù)墻的厚度d為0.78 m。采用桁架單元模擬鋼管支撐，梁單元模擬鋼筋混凝土支撐。

2.3 參數(shù)選取

為簡化計算，根據(jù)巖土工程勘察報告對相似土層進(jìn)行合并，參數(shù)見表1。

表1 土層分布與模擬參數(shù)取值

3 基坑開挖過程模擬

3.1 計算工況

計算工況如下：

工況1，基坑開挖至-1.8 m，澆筑第1道鋼筋混凝土支撐(-1.4 m)；工況2，基坑開挖至-10.0 m；工況3，架設(shè)第2道鋼支撐(-9.4 m)；工況4，基坑開挖至-14.0 m；工況5，架設(shè)第3道鋼支撐(-13.4 m)；工況6，基坑開挖至坑底-18.8 m。

3.2 支護(hù)樁水平位移分析

實(shí)際工程中將第1道內(nèi)支撐設(shè)計為鋼筋混凝土支撐(簡稱支撐1)。為了研究剛度不同、連接形式不同的鋼筋混凝土支撐對內(nèi)支撐體系變形及其環(huán)境巖土工程效應(yīng)帶來的變化，將第1道內(nèi)支撐替換為鋼管支撐(簡稱支撐2)，保持其他條件不變，與鋼筋混凝土支撐所在斷面進(jìn)行對比分析。

以工況2和工況6為代表，支護(hù)樁深層水平位移見圖3、圖4。

圖3 工況2支護(hù)樁深層水平位移曲線

圖4 工況6支護(hù)樁深層水平位移曲線

樁頂埋深為2 m，地下管線一般埋設(shè)于地面以下2～5 m，支撐體系控制該范圍內(nèi)基坑變形的能力對于管線保護(hù)起關(guān)鍵性作用。故取支護(hù)樁標(biāo)高分別為0 m、-1 m、-2 m、-3 m(即地面以下2 m、3 m、4 m、5 m)時，對支撐體系控制基坑變形的能力展開討論。

第1道鋼筋混凝土支撐施工完畢并經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)后，基坑正式開挖，故從工況2開始討論支護(hù)樁的變形，見表2。

表2 各工況下樁頂水平位移 mm

由表2可知：鋼筋混凝土支撐自身剛度大，抵抗變形能力強(qiáng)，且與冠梁剛結(jié)，既能受壓，又能受拉，對基坑變形的控制效果更好，尤其在管線最為密集的地面以下2 m范圍內(nèi)，若第1道支撐材料選用鋼筋混凝土，其樁體水平位移僅為鋼管支撐工況的10%左右。

圖5 管線斷面示意圖

3.3 變形效應(yīng)分析

3.3.1 周圍管線沉降

在基坑支護(hù)樁外2 m、深3 m處有一直徑800 mm的承插式污水管線，每節(jié)長2 m。污水管線流量大且無閥門，若因基坑開挖而破壞，后果嚴(yán)重。取管線上部點(diǎn)A為特征點(diǎn)位對不同工況下、不同支撐條件下管線的沉降進(jìn)行分析，見圖5。

鋼管支撐總長會因活絡(luò)頭位置處滑移而收縮，實(shí)際工程中可取1～2 mm。因此，對鋼管支撐的剛度進(jìn)行適度折減，以求符合工程實(shí)際。

各工況下，第1道支撐采用鋼筋混凝土支撐或鋼管支撐，其中，鋼管支撐在分析時又分為剛度不折減、剛度折減20%(稱為稱弱撐1)、剛度折減40%(稱為弱撐2)3種情況，分析管線特征點(diǎn)位A的最大沉降和差異沉降，沉降以向下為正，各工況下管線最大沉降值見表3。

表3 各工況下管線最大沉降值 mm

各工況下A點(diǎn)沿管線縱向9 m范圍內(nèi)各點(diǎn)沉降值見圖6～圖10。

圖6 工況2管線沉降曲線

圖7 工況3管線沉降曲線

圖8 工況4管線沉降曲線

圖9 工況5管線沉降曲線

圖10 工況6管線沉降曲線

3.3.2 管線沉降控制指標(biāo)

上海、北京等地均出臺地方規(guī)程[7-8]，規(guī)定剛性管線位移累計值不超過10 mm時管線安全。

不同支撐條件下沉降最大值均出現(xiàn)在工況6，分別為6.97 mm、9.33 mm、10.65 mm、12.08 mm。在鋼管支撐剛度未折減時，管線沉降值已接近報警值。剛度折減后，管線最大沉降值達(dá)12.08 mm，超過報警值，而采用鋼筋混凝土支撐時，沉降值僅為6.97 mm，較報警值還有較大冗余，可以保證管線的安全。

文獻(xiàn)[9]根據(jù)城市軌道交通工程周邊地下管線的自身特性和變形特點(diǎn)，明確了各類管線的控制指標(biāo)，提出一般承插接頭管線每節(jié)允許差異沉降不超過L/1 000(L為管節(jié)長度)，本文管節(jié)長2 m，因此差異沉降報警值為2 mm。

根據(jù)圖6～圖10，偏于安全考慮，取斜率絕對值最大的2 m來確定不同支撐條件下管線的差異沉降，采取支撐1時管線最大差異沉降為0.84 mm，采用支撐2、弱撐1、弱撐2時，差異沉降分別為1.61 mm、2.03 mm、2.17 mm，剛度折減后，最大差異沉降已超報警值，顯然，在支撐1條件下，管線安全。

4 結(jié)論

(1)鋼-混凝土聯(lián)合內(nèi)支撐體系對基坑變形的控制效果更好，尤其在地面以下2 m范圍內(nèi)，其水平位移值僅為純鋼管內(nèi)支撐體系的10%左右，對保護(hù)基坑周邊管線具有重要意義。

(2)在純鋼管內(nèi)支撐體系中，相鄰管線最大沉降值和最大差異沉降值接近報警值；實(shí)際工程中，若將鋼管支撐進(jìn)行剛度折減，則最大沉降值和最大差異沉降值將超出報警值。而采用鋼筋混凝土支撐時，管線最大沉降值為6.97 mm，最大差異沉降值為0.84 mm，較報警值仍有較大冗余。