劉利國 羅家文 朱碧堂

收稿日期：2023-12-15

基金項目：國家自然科學基金項目（52208343，52020105003）

文章編號：1005-0523（2024）03-0020-09

摘要：【目的】研究地鐵車站狹長型基坑施工過程中第一道支撐軸力過大的問題?！痉椒ā客ㄟ^土體小應變剛度硬化模型（HSS）有限元分析，對車站基坑土方的開挖方式、鋼支撐安裝質量差、鋼支撐未及時受力等情況進行精細化模擬，分析其對第一道支撐軸力的影響?！窘Y果】結果表明：采用盆式開挖對第一道支撐的軸力影響顯著，相較分層開挖的情況增大45%，應及時安裝對應位置的鋼支撐；安裝鋼支撐的預應力未達到設計值時，會導致開挖到底時的頂層支撐軸力增大，增大幅度在10%以內，底層支撐軸力減小?！窘Y論】在地鐵車站狹長基坑開挖過程中應限制盆式超挖；溫度變化對支撐軸力的影響不能忽視；安裝下層鋼支撐預應力達不到設計值時，會導致開挖到底時的頂部支撐軸力偏大。

關鍵詞：狹長型基坑；支撐軸力；土體小應變硬化模型；盆式開挖

中圖分類號：U231.4；TU52 文獻標志碼：A

本文引用格式：劉利國，羅家文，朱碧堂.地鐵車站狹長基坑支撐異常軸力分析[J]. 華東交通大學學報，2024，41（3）：20-28.

Analysis of Abnormal Strut Axial Forces for Narrow and

Long Deep Excavation of Metro Stations

Liu Liguo1，Luo Jiawen2，3，Zhu Bitang2，3

（1. China Railway No.4 Group Co.， Ltd.， Hefei 230023， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China; 3. Engineering R&D Centre for Underground Technology of

Jiangxi Province， Nanchang 330013， China）

Abstract： 【Objective】The purpose of this paper is to address the issue of excessive axial force in the first support of a narrow and long deep excavation of metro stations during construction.【Method】Through the method of finite element analysis using the hardening soil model with small strain stiffness （HSS）， the excavation method of the station pit ， poor quality of steel support installation， and the untimely stressing of the steel support are simulated in a refined way to analyze the influence on the axial force of the first support. 【Result】The results show that the use of basin excavation has a significant effect on the axial force of the first support， which increases by 45% compared with the case of layered excavation， and the corresponding position of the steel support should be installed in time; when the prestress of the installed steel support does not reach the design value， it will lead to an increase in the axial force of the top support at the end of the excavation， with an increase of 10% or less， and a decrease in the axial force of the bottom support.【Conclusion】Basin over-excavation should be strictly limited during excavation of narrow and long deep excavation of metro stations; The effect of temperature changes on support axial forces cannot be ignored; when the prestressing force of the installed lower steel support fails to reach the design value， it will lead to a large axial force of the top support at the bottom of excavation.

Key words： narrow and long deep excavation; strut axial force; hardening soil model with small strain stiffness; basin excavation method

Citation format： LIU L G， LUO J W， ZHU B T. Analysis of abnormal strut axial forces for narrow and long deep excavations of metro stations[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（3）： 20-28.

【研究意義】近年來為了滿足工程需要，地鐵車站基坑工程的規(guī)模呈現向“深、大、長”發(fā)展的態(tài)勢[1-2]。地鐵基坑為滿足地鐵車輛編組的停靠和乘客上下換乘效率的要求，一般長度大于200 m、寬約20 m，開挖深度17～26 m，屬于狹長型基坑，長邊效應和坑角效應明顯[3]，周圍環(huán)境復雜，既有建筑構筑物易受到基坑開挖引起的土體應力釋放影響，已成為目前地鐵施工的突出問題[4]。為此保證支護結構的安全穩(wěn)定和降低施工對周圍環(huán)境的影響，控制施工過程中支護結構的內力和變形[5-6]具有重要的研究意義。

【研究進展】內支撐是基坑支護結構的重要組成部分，主要分為混凝土支撐和鋼支撐兩種。對于上覆土層不高，地下二層島式地鐵車站，通常選用混凝土支撐作為第一道支撐，下部支撐采用鋼支撐的支護形式[7-8]，進而充分利用了混凝土支撐強度高、承載力強和鋼支撐拆裝速度快等優(yōu)勢。但受到地鐵施工環(huán)境的復雜性等多方面因素的影響，支撐軸力的實測值和設計值會出現一定的差異現象[9]。對于支撐軸力異常的現象，國內外學者進行了多方面的分析。肖振燁等[10]通過軸力監(jiān)測分析并結合CEB90模型提出一套軸力修正方法，提出非荷載因素對軸力監(jiān)測有很大影響。熊棟棟等[11]通過對比鋼支撐安裝時和千斤頂卸力后實測鋼支撐軸力，發(fā)現鋼支撐安裝時受到安裝偏差、偏心等原因無法達到設計預應力值。曹雪山等[12]通過有限元分析提出鋼支撐預加軸力與地連墻水平位移最大值呈負相關。Blackburn等[13]指出由溫度變化引起的軸力可達支撐軸力的40％，在特殊條件下溫度對支撐軸力的影響不能忽略。金亞兵等[14]采用彈性抗力法對支撐軸力的溫度變化進行計算，得出支撐軸力的變化率為232.14 kN/℃，表明支撐軸力受到溫度的影響較大。徐昭辰等[15]結合某基坑工程中混凝土支撐軸力監(jiān)測值預警的情況指出，混凝土徐變、收縮和彈性模量會影響混凝土支撐軸力大小，其中混凝土徐變最為顯著。雷亞偉等[16]指出，由于存在土拱效應，基坑局部超挖會對臨近超挖區(qū)的支護結構內力產生較大影響。目前國內外學者對支撐軸力的研究主要集中于支撐本身的物理特性，并取得一定的進展，但現有研究對現場施工環(huán)境對支撐軸力的影響考慮較少。

【創(chuàng)新特色】為明確施工現場土方開挖的實際情況和鋼支撐的受力狀態(tài)對支撐軸力的影響，本文采用有限元計算軟件，考慮基坑施工過程中出現的盆式超挖、鋼支撐安裝預應力過小和鋼支撐起部分支撐作用等因素，對基坑開挖過程中出現的頂部支撐軸力過大的情況進行假設與分析。

【關鍵問題】針對開挖過程中支撐軸力過大的現象，本文基于南昌某地鐵基坑的實際施工情況，通過有限元計算軟件（PLAXIS 2D/3D）模擬和分析基坑施工過程中出現的工況對支撐軸力的影響情況，判斷出現軸力過大的原因，為相關工況及研究提供參考。

1 工程概況

車站為地下二層島式站臺車站，采用明挖順筑法施工。明挖基坑長度為285 m，標準段寬度為22.7 m，基坑深度約17.8 m，插入比0.7。明挖圍護結構采用地下連續(xù)墻+內支撐的支護形式，其中第一道為混凝土支撐，截面尺寸為800 mm×1 000 mm，第二、三道為鋼支撐，截面尺寸為800 mm×20 mm。地下連續(xù)墻厚度為800 mm，平均嵌固深度約1 m。車站場地附近的無地表水體，穩(wěn)定水位埋深為8.4～11.3 m。車站標準段圍護結構及土層分布情況和參數如圖1所示，由上至下的土層依次為素填土、粉質黏土、細砂、中砂、粗砂、礫砂、圓礫。車站位于昌東贛江沖積平原內，地層主要為上部的黏性土層和下部的富水砂層，為典型的二元地質富水砂層結構，參照地質水文條件，將其分類為Ⅰ類地層。

基坑各項參數的監(jiān)測是確?；臃€(wěn)定性和安全性的重要手段，結合相應規(guī)范和周邊環(huán)境風險等級，本車站基坑自身風險等級為二級，監(jiān)測等級為二級[17]。在日常監(jiān)測中，出現部分第一道混凝土支撐軸力監(jiān)測出現異常的情況，其軸力大小和現場施工情況如圖2所示，基坑施工方向由圖中右側向左側進行，A～F區(qū)代表不同的施工進度，分別對應：中板施工完成、中板鋼筋綁扎、基坑開挖到底、基坑開挖9～14 m、基坑開挖3～9 m、基坑土方未開挖。其中點1-1至點15-1為混凝土支撐軸力監(jiān)測點和某天軸力監(jiān)測的大小，F區(qū)未開挖故未對點1-1至點4-1的軸力大小進行統計。

混凝土支撐軸力出現異常的監(jiān)測點位主要集中在基坑右側基坑開挖到底的區(qū)域，考慮到A區(qū)和B區(qū)的第三層鋼支撐已拆除，選取位于C區(qū)基坑開挖到底時的9-1和10-1混凝土軸力監(jiān)測點位作分析計算。

2 有限元模型建立

采用PLAXIS有限元軟件對現場基坑開挖中出現的情況進行模擬，選取C區(qū)的基坑標準段進行建模計算?；訑嗝嬗邢拊Ｐ腿鐖D3所示，模型長寬高為50 m×150 m×70 m，地表標高取零，地下連續(xù)墻選擇板單元，混凝土支撐和鋼支撐選取點對點錨桿單元，結構與土體接觸選擇界面單元，模型側面設置法向約束，頂面自由，底面為完全固定約束。在開挖過程中的降水使用穩(wěn)態(tài)地下水滲流模擬，關閉Xmax和Xmin方向地下水滲流計算的模型條件。

研究表明，土體小應變剛度硬化模型（HSS）較好的反映了土體剛度的變化規(guī)律[18]，模擬基坑開挖時的變形規(guī)律[19-22]與實際相近，但不同地區(qū)的土層參數相差較大。針對HSS模型參數的選取，王凌等[23]提出的取值方法能夠很好的模擬南昌河流階地內基坑開挖情況，采用表1所示的取值方法對土體小應變模型的參數進行選取，其中砂土變形模量[Eref50]取1.5倍的標準貫入擊數，黏土取對應Es1-2大小[24]，γ0.7砂土取小值，黏性土取大值。土體初始剪切模量[Gref0]采用式（1）計算

[Gref0=ρV2s] （1）

式中：ρ為土體密度；Vs為土體剪切波速。表2為土體HSS模型參數的取值大小。

為驗證模型參數選取的準確性，選取混凝土支撐軸力在正常情況下的監(jiān)測點9-1所在斷面進行計算，對應圍護結構側向變形監(jiān)測點ZQT12和ZQT13。由于前期施工時北側為出土處，將開挖的土方集中在北側基坑內，導致出現墻頂向基坑外位移的情況，開挖情況如圖4所示，故對應有限元計算中的土方開挖如圖5所示。

圖6為基坑開挖到底時地下連續(xù)墻的側向變形實測與模擬對比圖。實測ZQT13最大變形為18.35 mm，深度-15.0 m，采用土體小應變剛度硬化模型（HSS）有限元模擬的最大變形為18.60 mm，深度為-14.8 m，兩者的最大變形相近且對應的深度相近，誤差在5%以內，兩者的地連墻橫向位移變形曲線形狀相同，均為內凸型。而對于ZQT12實測值與模擬值變形曲線大致相同，均出現在深度為0時變形向基坑外的情況，兩者地連墻最大變形分別為16.67 mm和16.22 mm，對應深度為-16.0 m和-15.4 m。通過模擬值和實際變形量的對比，驗證了本次模型參數的準確性，后續(xù)的不同施工情況可使用相同的參數進行計算。

3 計算結果分析

3.1 鋼支撐預應力安裝未達標準值

結合現場工況，在架設鋼支撐預加軸力使用的液壓千斤頂，沒有將鋼支撐施加到預定的預加軸力大小，安裝后鋼支撐的預加軸力僅能達到設計要求的60%。

針對這種情況，在有限元計算中改變架設鋼支撐時施加預應力的大小，計算開挖到底時每道支撐的軸力大小。如圖7所示當沒有對鋼支撐施加預應力時，混凝土支撐的軸力相對于正常情況施加1 200 kN預應力時高出14%。當預加軸力達到設計值40%時，混凝土支撐的軸力在開挖到底時高出正常情況10.3%。

混凝土支撐的軸力與鋼支撐的預加軸力呈反比，但預加軸力過大時會導致下部支撐軸力過大。施加的鋼支撐預應力達不到設計值時，會對混凝土支撐的軸力產生一定影響。相反，當混凝土支撐軸力過大時，可以提高下方鋼支撐安裝時的預加軸力，能一定程度減小混凝土支撐的軸力。

3.2 鋼支撐發(fā)揮部分作用

在監(jiān)測過程中，存在鋼支撐的軸力在某個定值下穩(wěn)定的情況。考慮可能出現鋼支撐與地連墻連接質量差，引起鋼支撐無法及時受力。針對該情況，在有限元模擬中使第二道鋼支撐的軸力為一定值，即開挖過程中該支撐的軸力不變，計算其他支撐的軸力變化情況。

計算結果如圖8，可以看出當第二道鋼支撐軸力發(fā)揮部分作用時，對混凝土支撐軸力影響較大，混凝土支撐承擔了更多開挖土方引起的軸力。結合現場工況當鋼支撐軸力在1 200.0 kN時，對應的混凝土支撐軸力為3 214.9 kN，相較于正常的開挖情況更大。與實際監(jiān)測的混凝土軸力4 413.9 kN情況不符合。鋼支撐發(fā)揮部分作用是導致混凝土軸力增大的影響因素之一。

3.3 溫度導致的支撐軸力大小波動

溫度變化對支撐軸力大小的影響較為明顯，《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JG J120—2012）要求在支護結構設計中考慮溫度應力的變化。表3為同一天內不同的室溫條件下測量的支撐軸力大小，此時現場基坑施工條件基本不變，可以視為支撐軸力僅受溫度變化影響?？梢钥闯觯谑覝貫?7 ℃時測量的軸力相較于室溫為20 ℃時測量的小，單位溫度下的混凝土支撐軸力平均變化量為149.1 kN。軸力最大變化發(fā)生在監(jiān)測點11-1，增大542.5 kN，相較于室溫為17 ℃時增大了8.5%。

為計算溫度對支撐軸力的影響，假定支護結構和土之間相互作用且變形協調，采用文獻[16]提出的計算方法，選擇混凝土軸力監(jiān)測點10-1處的斷面進行計算。通過并聯彈簧分析模型，計算得到3道支撐在溫度提升1 ℃時的軸力增量分別為：[Nt1=98.09 kN，Nt2=54.83 kN，Nt3=63.6 kN]，計算結果基本相近，理論計算的支撐軸力小于實測值的12%左右，主要是因為溫度的統計是基于整個區(qū)域的天氣預報，與實際的溫度存在一定的偏差，導致存在一定誤差?；趯崪y軸力變化量和計算軸力變化量，可見當溫度出現10 ℃以上的變化時，會導致支撐軸力出現較大的波動情況，溫度對支撐的影響不能忽視。

3.4 基坑預留土對支撐軸力的影響

預留土是基坑支護的一種手段，采用合理的預留土坡可以起到較好的臨時支護作用，通常適用于大型基坑中，對狹長型基坑支護效果的研究較少。圖9為施工現場某日的開挖情況，現場采用分層分步開挖施工，并選擇使用預留土作為臨時支護。由于現場土方開挖和鋼支撐安裝的隊伍分屬不同的單位，存在未及時安裝鋼支撐而向下開挖土方的情況，僅在鋼支撐支座處留有1 m左右的土坡頂寬度方便鋼支撐安裝。本文將該種施工情況簡稱為盆式超挖，對該情況進行分析。

現場的土方開挖情況大致可以分為以下4種，對應圖10中的②③④⑤。工況2預留土頂部寬度、底部寬度和高度分別為0，7.0，3.5 m，預留土底部對應第二道鋼支撐安裝處，開挖深度為9 m。工況3預留土頂部寬度、底部寬度和高度分別為1，10，6 m，預留土頂部深度對應第二道鋼支撐安裝對應深度-8.9 m，底部開挖深度為-14.9 m，保留1 m寬度方便現場施工人員安裝第二道鋼支撐。工況4為工況3安裝鋼支撐后，將兩側預留土體開挖至第三道鋼支撐處，預留土底部開挖深度仍為-17 m，預留土頂部寬度、底部寬度和高度分別為1.0，7.0，3.1 m。工況5為安裝第三道鋼支撐后向下開挖到基坑底面-18.2 m。

結合以上工況在有限元分析中建立相應的計算模型如圖11所示，并考慮現場鋼支撐預加軸力達不到標準值的情況，比較不同的開挖方式對第一道支撐軸力的影響?；炷林屋S力的變化情況如圖12所示，采用盆式超挖的混凝土支撐軸力隨開挖深度的增大而增大，在開挖到底時，混凝土支撐軸力達到最大值3 645.0 kN，而采用正常的分層開挖時的混凝土支撐軸力為1 828.4 kN。對比實測數據較為接近，存在一定的偏差，但現場基坑監(jiān)測點在工況2時測定的混凝土支撐軸力為3 321.8 kN，相應的盆式超挖的軸力大小為3 167.8 kN，也較為接近于實際情況?？梢娕枋匠趯Φ谝坏乐屋S力產生較大的影響。

4 結論

對于頂部支撐軸力異常的情況，采用有限元數值分析和理論公式計算，對現場實際的施工情況進行了研究，得出以下結論：

1） 在基坑開挖時采用盆式超挖會引起頂部支撐軸力過大的情況，應對盆式超挖進行限制。

2） 安裝下層鋼支撐時的預應力大小同頂部支撐軸力呈負相關，當頂部支撐軸力過大時，可適當提高下部鋼支撐安裝時的預加軸力。

3） 當鋼支撐與地連墻連接質量差引起鋼支撐無法及時受力時會引起鄰近支撐軸力增大的情況。

4） 出現10 ℃以上的溫度變化時應密切關注支撐的受力狀態(tài)，做好防護措施。

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WANG W D， WANG H R， XU Z H. Study of parameters of HS-Small model used in numerical analysis of excavations in Shanghai area[J]. Rock and Soil Mechanics， 2013， 34（6）： 1766-1774.

第一作者：劉利國（1989—），男，工程師，研究方向為地鐵車站及隧道方面施工。E-mail：429657119@qq.com。

通信作者：朱碧堂（1974—），男，教授，博士生導師，研究方向為地下空間技術開發(fā)。E-mail：btangzh@hotmail.com。