鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)基坑變形的影響分析

周 鵬,劉金龍,,姚 軍,祝 磊

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001；2.合肥學(xué)院 城市建設(shè)與交通學(xué)院,安徽 合肥 230022)

地鐵車(chē)站基坑工程對(duì)周邊環(huán)境的影響較大，一般采用內(nèi)撐式基坑支護(hù)體系。嚴(yán)格進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)范化和系統(tǒng)化的施工，避免對(duì)周?chē)h(huán)境帶來(lái)不利影響是很必要的。

但在實(shí)際工程中由于各工種組織不協(xié)調(diào)導(dǎo)致超挖，未能按照在設(shè)計(jì)位置架設(shè)鋼支撐或由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，不得不滯后架設(shè)鋼支撐。地鐵車(chē)站基坑工程場(chǎng)地較大，鋼支撐滯后架設(shè)的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。胡之峰等[3,4]通過(guò)有限元數(shù)值模擬系統(tǒng)分析不同鋼支撐滯后架設(shè)程度對(duì)基坑變形和鋼支撐軸力的影響，提出影響規(guī)律：鋼支撐滯后架設(shè)會(huì)致使基坑變形急劇增大，隨著滯后程度的增加，影響幅度愈加明顯；且第2、3道支撐均滯后架設(shè)的影響程度要大于分別出現(xiàn)滯后影響之和，鋼支撐滯后架設(shè)主要對(duì)與之相鄰的上道支撐軸力產(chǎn)生影響。羅陽(yáng)洋等[5]結(jié)合杭州某地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖工程通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析超挖工況對(duì)地下連續(xù)墻水平變形的影響，結(jié)果表明超挖使地下連續(xù)墻水平變形增加50%，研究表示坑底加固可以減小鋼支撐滯后架設(shè)的影響?？梢?jiàn)鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較大的影響。

本文通過(guò)Plaxis2D有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究合肥地區(qū)鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)基坑變形的影響及變形規(guī)律。

1 有限元模型建立

合肥市某地鐵車(chē)站基坑支護(hù)工程，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深14.5 m，基坑寬20 m。車(chē)站基坑距離周邊建筑物較遠(yuǎn)，上方無(wú)管線，基坑主體主要處于黏土層，且具有弱膨脹趨勢(shì)，施工期間若發(fā)生事故，易引發(fā)嚴(yán)重后果，造成巨大損失。

該基坑工程主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，圍護(hù)體系采取鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)形式，圍護(hù)樁采用C30混凝土，樁長(zhǎng)21.5，埋土深度為7 m，樁間距1.2 m，樁徑0.8 m，樁間采用不小于100 mm厚掛網(wǎng)噴射混凝土。內(nèi)支撐豎向架設(shè)三道鋼支撐，三道鋼支撐分別架設(shè)于距離地面1.1 m、4.38 m、9.54 m的位置。鋼支撐采用 609，τ=16 mm的鋼管支撐，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元模擬，EA=6.14×106kN·m。第一、二道鋼支撐間距為4 m；第三道鋼支撐間距為3 m?；又ёo(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 鋼支撐滯后架設(shè)的基坑支護(hù)示意圖

依托該內(nèi)撐式基坑支護(hù)工程為背景，現(xiàn)通過(guò)有限元軟件建立數(shù)值計(jì)算模型。土層采用土體硬化小應(yīng)變本構(gòu)模型，該本構(gòu)模型可以較好地模擬土體的回彈特性，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，坑邊延伸距離取60 m，建模深度為60 m?？紤]到合肥地區(qū)土質(zhì)排水性能良好，故建模中不考慮地下水滲流影響。圍護(hù)結(jié)構(gòu)由鉆孔灌注樁等效為地下連續(xù)墻，采用板單元模擬，其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。鋼支撐采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元模擬，可以在分階段施工時(shí)模擬鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力的工況，其物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表1 土體小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 等效地下連續(xù)墻材料物理參數(shù)

圖2 有限元網(wǎng)格劃分圖

2 鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)基坑變形的影響

以超挖深度h反映鋼支撐架設(shè)的滯后程度，對(duì)第2、3道鋼支撐進(jìn)行滯后程度調(diào)整(h2=h3=1 m、2 m、3 m)。就第2、3道鋼支撐同時(shí)出現(xiàn)不同程度的滯后架設(shè)對(duì)基坑變形影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析。

鋼支撐滯后架設(shè)屬于施工方面的問(wèn)題，必然會(huì)對(duì)整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程產(chǎn)生不利影響。為探究鋼支撐架設(shè)對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)基坑變形產(chǎn)生的影響及變形規(guī)律，現(xiàn)將對(duì)比分析各施工階段中，不同支撐滯后程度對(duì)基坑變形的影響。各施工階段見(jiàn)表3。

表3 分階段施工步驟

2.1 對(duì)水平變形的影響分析

2.1.1 對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響分析

圖3給出了滯后2 m時(shí)的各施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形曲線圖，可以看出鋼支撐發(fā)生滯后架設(shè)會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖三階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形發(fā)生急劇變化，而在開(kāi)挖最終階段的變化時(shí)極小的。表明鋼支撐滯后架設(shè)在施工中間階段影響較為顯著。

圖4給出了第2、3道鋼支撐同時(shí)出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)，基坑開(kāi)挖的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線圖。由于第一道內(nèi)撐的作用，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形曲線圖總是“鼓狀”型。開(kāi)挖最終階段，正常架設(shè)時(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形值為24.1 mm。隨著滯后程度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形最大值分別同比增長(zhǎng)6.3%、10.4%、21.0%。表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形隨著滯后程度的增加呈指數(shù)型增長(zhǎng)。隨著鋼支撐架設(shè)滯后程度的增加，發(fā)生圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形的位置會(huì)隨之上移。

圖3 滯后2 m的各階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線

圖4 不同程度滯后架設(shè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線

圖5給出了各施工階段鋼支撐不同滯后程度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形最大值的變化趨勢(shì)圖。顯而易見(jiàn)，在開(kāi)挖中間階段隨著滯后程度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形顯著增大；在開(kāi)挖最終階段，鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的影響較小，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形最大值位置呈上升趨勢(shì)。

圖5 各階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形最大值

2.1.2 對(duì)土體水平變形的影響分析

圖6給出了不同滯后程度下土體水平位移的等值線分布情況。隨著滯后程度的增加，土體水平位移也有上升趨勢(shì)，表明土體水平位移與鋼支撐架設(shè)滯后程度成正相關(guān)。h2=h3=0 m時(shí)，土體水平位移最大值為19.31 mm；h2=h3=3 m時(shí)，土體水平位移最大值為23.79。同比增長(zhǎng)了23.2%。

圖6 土體水平位移等值線分布圖

圖7 滯后程度對(duì)土體水平位移最大值的影響

圖7給出了不同滯后程度的土體水平位移等值線變化趨勢(shì)，土體水平位移均指向開(kāi)挖面。隨著滯后程度的增加，水平位移的最大值隨之增加。滯后程度越大，對(duì)土體水平位移的影響幅度越大。

2.2 對(duì)地表周邊土體沉降的影響分析

圖8給出了鋼支撐滯后架設(shè)2 m的各施工階段的地表沉降曲線圖。鋼支撐滯后架設(shè)并不會(huì)改變地表沉降變形趨勢(shì)，仍保持為“凹槽型”曲線。在開(kāi)挖三階段，地表沉降出現(xiàn)急劇變化；在開(kāi)挖最終階段時(shí)的變化較為緩慢。表明鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)于地表沉降的影響在施工中間階段較為顯著。

圖9給出了第2、3道鋼支撐均出現(xiàn)不同程度滯后架設(shè)，基坑開(kāi)挖的地表沉降曲線圖。由于第一道鋼支撐已經(jīng)架設(shè)完成，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部收到約束，所以無(wú)論鋼支撐是否滯后，地表沉降趨勢(shì)都表現(xiàn)為“凹槽型”性狀。開(kāi)挖最終階段，正常架設(shè)時(shí)的地表沉降最大值為11.8 mm。隨著滯后程度的增加，地表沉降最大值分別同比增長(zhǎng)1.7%、18.7%、51.7%。

圖8 滯后2 m的各階段地表沉降曲線圖

圖9 不同滯后程度的最終地表沉降曲線圖

圖10給出了各工況中內(nèi)支撐架設(shè)滯后程度對(duì)地表沉降最大值的影響趨勢(shì)曲線圖?？梢钥闯?，工況二和工況三施工階段，隨著滯后程度的增加，地表沉降最大值增長(zhǎng)得越快；而在工況四階段，地表沉降最大值隨滯后程度變化的曲線相對(duì)緩慢。由此可見(jiàn)，內(nèi)支撐架設(shè)滯后在施工中間階段的影響更大；而在開(kāi)挖最終階段，雖然內(nèi)支撐架設(shè)滯后對(duì)地表沉降有影響，但是相對(duì)較小。

圖10 不同支撐滯后程度地表沉降最大值

2.3 對(duì)坑底隆起的影響分析

從圖11可以看出，工況二開(kāi)挖至距地面1.6 m處時(shí)，正常架設(shè)時(shí)的隆起最大值為16.6 mm。隨著滯后程度的增加，坑底隆起最大值分別為23.4 mm、30.4 mm、37.7 mm。工況三開(kāi)挖至距地面4.88 m處時(shí)，正常架設(shè)時(shí)的隆起最大值為49.9 mm。隨著滯后程度的增加，坑底隆起最大值分別為55.1 mm、59.5 mm、63.1 mm。工況四開(kāi)挖至距地面10.04 m時(shí)，無(wú)論鋼支撐滯后程度如何，隆起最大值均為66 mm。由此可見(jiàn)，隨著第2、3道鋼支撐滯后架設(shè)程度的增加，基坑開(kāi)挖中間階段各工況的坑底隆起峰值都隨之上升，且滯后程度越高，影響幅度越大(非線性關(guān)系)。但在開(kāi)挖最終時(shí)的累計(jì)坑底隆起值是不變的，說(shuō)明坑底隆起的最終值不受鋼支撐滯后架設(shè)影響，影響只存在于開(kāi)挖中間階段。

圖11 不同滯后程度坑底隆起最大值變化曲線圖

3 結(jié) 論

(1)鋼支撐滯后架設(shè)會(huì)致使圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形和土體水平變形增大，且隨滯后架設(shè)程度增加，其對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形和土體水平變形影響愈大。在基坑開(kāi)挖中間階段，滯后架設(shè)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形和土體水平變形的影響較大；而在基坑開(kāi)挖最終階段，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形和土體水平變形受其影響影響很小。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形最大值位置會(huì)隨支撐架設(shè)滯后程度增大而上移。

(2)支撐滯后架設(shè)會(huì)使坑底隆起值增大?；娱_(kāi)挖中間階段，坑底隆起值與滯后程度成正相關(guān)關(guān)系；在開(kāi)挖最終階段，滯后架設(shè)對(duì)坑底隆起變形幾乎沒(méi)有影響。

(3)基坑鋼支撐滯后架設(shè)會(huì)致使土體的地表沉降增加。隨著支撐架設(shè)滯后程度的增加，土體地表沉降成正相關(guān)增加，在開(kāi)挖中間階段影響幅度尤為明顯。