高笑娟， 雷居強(qiáng)， 馬志強(qiáng)

(1.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 洛陽(yáng) 471000； 2.中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐的支護(hù)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(duì)基坑的整體安全至關(guān)重要[1]。支撐軸力是了解支撐受力特性和判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)體系安全的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于采用支撐+圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑工程，除測(cè)量圍護(hù)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(xué)性質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜的地層中，存在諸多不確定性，例如荷載因素、時(shí)空效應(yīng)、偶然因素等，加上計(jì)算方法、監(jiān)測(cè)方法自身的缺點(diǎn)[2]，使得有時(shí)候基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)所獲得數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)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(xiàn)[3]對(duì)國(guó)內(nèi)多個(gè)基坑的混凝土支撐監(jiān)測(cè)軸力進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，雖然在支撐軸力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超出報(bào)警值，但是支撐體系工作正常，支護(hù)結(jié)構(gòu)、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(cè)數(shù)據(jù)難以作為施工期間安全監(jiān)測(cè)的有效指標(biāo)[4-5]。因此在實(shí)際的監(jiān)測(cè)工作中,應(yīng)該認(rèn)真查找引起混凝土支撐軸力增大的原因，并應(yīng)結(jié)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移等其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)對(duì)基坑的安全性進(jìn)行綜合分析和判斷。根據(jù)已有文獻(xiàn)對(duì)引起軸力大幅增加的非荷載因素進(jìn)行的研究成果，其主要原因有測(cè)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(cè)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(shè)時(shí)機(jī)、人工操作、監(jiān)測(cè)技術(shù)問題[9-10]等?；诖耍F(xiàn)結(jié)合洛陽(yáng)地鐵1號(hào)線武漢路站深基坑混凝土支撐軸力超過報(bào)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(duì)影響混凝土支撐軸力的因素進(jìn)行分析，以期為洛陽(yáng)地區(qū)類似的工程提供參考。

1 工程概況

武漢路站主體結(jié)構(gòu)采用單柱雙跨與雙柱三跨結(jié)合的鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，車站總長(zhǎng)160.9 m，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬度為21.90 m。由于車站周圍交通量大，且施工場(chǎng)地狹小，因此采用地連墻加內(nèi)支撐的支護(hù)體系、半幅蓋挖法施工。標(biāo)準(zhǔn)段基坑豎向設(shè)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(shè)置相應(yīng)的位移沉降觀測(cè)點(diǎn)，鋼筋混凝土支撐和鋼支撐上設(shè)置軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地連墻中心設(shè)置測(cè)斜孔，內(nèi)置測(cè)斜儀量測(cè)地連墻的水平位移，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖1所示。

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

基坑施工順序?yàn)?，先施工蓋挖側(cè)地連墻和臨時(shí)中柱，開挖土層至蓋挖側(cè)頂板以下0.5 m，施工蓋板；等蓋板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度以后，改遷管線，上部覆土；開挖明挖側(cè)土層至混凝土支撐底標(biāo)高，架設(shè)混凝土支撐；待強(qiáng)度達(dá)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(biāo)高；澆筑混凝土墊層，施工地下結(jié)構(gòu)底板、負(fù)三層結(jié)構(gòu)頂板、負(fù)二層結(jié)構(gòu)頂板、負(fù)一層結(jié)構(gòu)頂板。

2 混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值分析

圖2給出了混凝土支撐測(cè)點(diǎn)的支撐軸力時(shí)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(gè)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(jìn)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(dá)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(jié)構(gòu)底板澆筑完成，軸力均未超過設(shè)計(jì)控制值3 000 kN；第三階段主要進(jìn)行車站結(jié)構(gòu)施工的過程，混凝土支撐軸力隨著地下結(jié)構(gòu)的施工持續(xù)增長(zhǎng)一直到地下結(jié)構(gòu)負(fù)一層頂板施工完成，其最大軸力值超過6 000 kN，為設(shè)計(jì)值3 000 kN的兩倍。地連墻水平位移隨著地下結(jié)構(gòu)的施工有所增大，圖3中ZQT-4測(cè)點(diǎn)墻頂位移在開挖至基坑設(shè)計(jì)底標(biāo)高時(shí)為-10.75 mm，負(fù)一層頂板澆筑完成時(shí)為-15.55 mm，增大了44.7%，對(duì)應(yīng)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(shí)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(jié)合前述相關(guān)研究[6-10]對(duì)引起本工程混凝土支撐軸力增大的因素進(jìn)行探討。首先本工程施工期短，混凝土在短期內(nèi)的收縮和徐變不可能產(chǎn)生與監(jiān)測(cè)值相匹配的內(nèi)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(shè)計(jì)值，軸力持續(xù)增大并超過設(shè)計(jì)值是發(fā)生在地下結(jié)構(gòu)施工期間，因此又可以排除監(jiān)測(cè)方法和鋼筋計(jì)本身質(zhì)量的原因。假設(shè)混凝土支撐的過高內(nèi)力是溫差所引起，本基坑每次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)讀取的時(shí)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(jié)構(gòu)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?biāo)準(zhǔn)段混凝土支撐長(zhǎng)度L約為14 200 mm，橫截面面積A為700 mm×900 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(chǎn)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(zhǎng)度,mm；A為混凝土支撐橫截面積,mm2；F為混凝土支撐內(nèi)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(chǎn)生19.5 ℃的溫度差，能夠引起混凝土支撐產(chǎn)生2.78 mm的伸長(zhǎng)變形。本基坑中混凝土支撐一端與蓋挖側(cè)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(nèi)部配有鋼筋錨固在蓋板中，剛度較大，可以認(rèn)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(nèi)力。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，負(fù)一層頂板澆筑完成時(shí)明挖側(cè)的地連墻在2.9 m深度處產(chǎn)生了7.6 mm的向基坑外部的水平位移，遠(yuǎn)大于溫度升高所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)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(jì)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(fù)雜，為了研究影響混凝土支撐軸力的因素，用ABAQUS軟件對(duì)車站基坑的施工過程進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)數(shù)據(jù)的完整性，取圖1中的4-4斷面進(jìn)行二維分析，所取計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)布置如圖4所示?；由w挖側(cè)和明挖側(cè)對(duì)應(yīng)的地連墻測(cè)點(diǎn)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(hào)分別為ZCL-02-03、ZCL-03-03、ZCL-04-03，地面沉降測(cè)點(diǎn)為DBC-05。根據(jù)4-4斷面的設(shè)計(jì)圖紙，基坑開挖深度d取25 m，沿著基坑長(zhǎng)度方向蓋板上覆土層厚度不同，基坑兩側(cè)地連墻的頂面標(biāo)高不同，總長(zhǎng)度也不同。為了建模方便，取兩側(cè)地連墻頂標(biāo)高一致，長(zhǎng)度均取，35 m地連墻厚度1 m，基坑寬度21.9 m，基坑兩側(cè)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(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.4 Section of supporting structure

3.2 本構(gòu)模型和計(jì)算單元

混凝土支撐、立柱、立柱樁采用梁?jiǎn)卧?，土體采用平面應(yīng)變四邊形單元。將實(shí)際工程中分層厚度較小且性質(zhì)相近的土層合并為一層，重度、黏聚力和內(nèi)摩擦角取加權(quán)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?；油翆訉?shí)際開挖分為11層，開挖順序如表2所示，模擬時(shí)將第11層合并入第10層，其余每層的開挖深度同實(shí)際一致，第4層、7層、9層開挖完成之后架設(shè)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(jìn)行地應(yīng)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(jìn)行土體開挖和支撐架設(shè)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(shí)際工程中的標(biāo)高位置處地連墻上施加集中力的方法實(shí)現(xiàn)鋼支撐的軸力；立柱上與每一道鋼支撐相對(duì)應(yīng)位置處約束水平向位移和扭轉(zhuǎn)。

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(shè)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(fù)三層頂板澆筑完成，5月26日負(fù)二層頂板澆筑完成，6月14日負(fù)一層頂板澆筑完成，混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)6月14日結(jié)束，其他數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)持續(xù)至6月23日結(jié)束。

3.3 影響混凝土支撐軸力的因素分析

3.3.1 基坑兩側(cè)荷載影響

規(guī)范規(guī)定基坑邊緣2 m范圍內(nèi)不允許有施工荷載，分析時(shí)在基坑明挖側(cè)或者蓋挖側(cè)2～15 m范圍內(nèi)施加不同的荷載值，取分析步為r-10即基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)對(duì)應(yīng)的混凝土支撐軸力值進(jìn)行對(duì)比分析。明挖側(cè)、蓋挖側(cè)和蓋板土層頂面三個(gè)位置中的一個(gè)位置荷載發(fā)生變化時(shí)，其他兩個(gè)位置荷載保持25 kPa不變。由圖5可見，而基坑明挖側(cè)荷載變化對(duì)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(cè)和蓋板上部荷載變化對(duì)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(cè)，該處地連墻頂部為自由端，剛度相對(duì)較??；而蓋挖側(cè)有厚度0.9 m的鋼筋混凝土蓋板，蓋板一側(cè)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(nèi)，按固定支座處理，剛度相對(duì)較大，因此蓋挖側(cè)地表的荷載和蓋板上荷載變化對(duì)混凝土支撐軸力的影響不明顯。因此工程中應(yīng)重點(diǎn)控制明挖側(cè)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(duì)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(shí)，混凝土支撐軸力的變化情況。將實(shí)際工程中鋼支撐的位置作為對(duì)比基準(zhǔn)，將所有鋼支撐同時(shí)向上、向下移動(dòng)一定距離，或者將每一道鋼支撐單獨(dú)向上、向下移動(dòng)(其他兩道支撐保持在設(shè)計(jì)位置)，混凝土支撐的軸力均會(huì)受到影響?？傮w上看，鋼支撐向上移動(dòng)時(shí)，混凝土支撐的軸力降低；鋼支撐向下移動(dòng)時(shí)，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(duì)混凝土支撐的軸力影響最大，第四道鋼支撐的影響最??；所有鋼支撐同時(shí)向一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，對(duì)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(dòng)，相當(dāng)于鋼支撐架設(shè)滯后，會(huì)造成混凝土支撐軸力增大，如第二道鋼支撐位置向上移動(dòng)2 m，混凝土支撐軸力減小了10.06%；向下移動(dòng)2 m，混凝土支撐的軸力比設(shè)計(jì)位置時(shí)增大6.78%。可見第二道鋼支撐的位置相當(dāng)于在設(shè)計(jì)支撐位置超挖2 m后再架設(shè)相應(yīng)的支撐，這對(duì)基坑工程的安全性是不利的，因?yàn)椴粌H會(huì)導(dǎo)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(yīng)增大。

圖6 鋼支撐位置對(duì)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(shí)際工程中，鋼支撐架設(shè)之后首先施加預(yù)應(yīng)力，但是隨著開挖進(jìn)行，鋼支撐的軸力會(huì)因?yàn)楦鞣N原因出現(xiàn)消散降低的現(xiàn)象，如果不能及時(shí)補(bǔ)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(duì)基坑的安全性造成影響。為了探討鋼支撐軸力對(duì)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(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)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(duì)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(dāng)?shù)诙冷撝屋S力為1 073 kN時(shí)，混凝土支撐軸力模擬值為2 370.75 kN(實(shí)測(cè)軸力第二階段平均值為2 333.06 kN)；當(dāng)該鋼支撐軸力為0.01 kN，相當(dāng)于去掉該鋼支撐，此時(shí)混凝土支撐的軸力達(dá)到3 289.69 kN，增大了38.76%，超過設(shè)計(jì)值3 000 kN。分別去掉第三、第四道鋼支撐時(shí)，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(duì)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(jié)果對(duì)比

通過對(duì)影響鋼筋混凝土支撐的影響因素的分析，結(jié)合施工監(jiān)測(cè)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(cè)的荷載值。因此，在數(shù)值模擬過程中，開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高以后，按照地下結(jié)構(gòu)施工順序逐步卸除鋼支撐，同時(shí)在各層地下結(jié)構(gòu)頂板厚度范圍的地連墻上施加壓力模擬地下結(jié)構(gòu)對(duì)地連墻的約束作用，開挖至基坑底標(biāo)高以前、負(fù)三層頂板、負(fù)二層頂板和負(fù)一層頂板澆筑完成后明挖側(cè)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(shí)程曲線如圖8所示。

圖8 混凝土支撐模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)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(shí)測(cè)值基本上相等，變化規(guī)律一致。與此荷載條件對(duì)應(yīng)的地面沉降與DBC-05位置垂直于地連墻方向的5個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)所測(cè)的地面沉降對(duì)比曲線如圖9所示，實(shí)測(cè)值和模擬值分別為在負(fù)三層頂板與負(fù)二層頂板施工完成時(shí)的兩種工況，由圖9可見，明挖側(cè)地表沉降最大值和出現(xiàn)的位置模擬值和實(shí)測(cè)值比較接近。此時(shí)基坑兩側(cè)地連墻的水平位移對(duì)比曲線如圖10和圖11所示，由于地連墻的模型與實(shí)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(shí)測(cè)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(jié)果是具有參考價(jià)值的。

圖9 基坑明挖側(cè)地表沉降對(duì)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(duì)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(duì)比Fig.11 Comparison of horizontal displacement curves of diaphragm wall at ZQT-14

4 結(jié)論

結(jié)合洛陽(yáng)軌道交通1號(hào)線武漢路站半幅蓋挖法深基坑的施工監(jiān)測(cè)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(yuǎn)超設(shè)計(jì)控制值的原因，主要得出以下結(jié)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(cè)方法和監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面的影響，主要是受到明挖側(cè)施工荷載的影響，荷載越大，混凝土支撐軸力越大，蓋挖側(cè)和蓋板頂面的荷載對(duì)混凝土支撐軸力沒有明顯影響,因此地下結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求值前，應(yīng)避免基坑明挖側(cè)有過大的施工荷載。

(2)鋼支撐的位置對(duì)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(shè)計(jì)位置上移會(huì)一定程度上減小混凝土支撐軸力，其設(shè)計(jì)位置下移或者架設(shè)滯后會(huì)增大混凝土支撐軸力，工程中應(yīng)避免鋼支撐架設(shè)滯后。

(3)鋼支撐的軸力對(duì)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(huì)明顯增大，工程中對(duì)于鋼支撐的預(yù)應(yīng)力應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充，以免預(yù)應(yīng)力損失造成混凝土支撐軸力過大。