深基坑支护受力体系转化技术

1、深基坑支护受力体系转化技术 在深基坑土方开挖中，支撑是确保基坑稳定和围护体不变形的重要保障，是施工各方监控监测的重点，但地质条件的复杂性和不决定性、周边环境和各类管线的影响、施工过程中的不规范等，都会对支护受力体系产生影响，特殊是在拆撑换撑阶段，对受力体系的转化尤为重要。结合某地铁车站基坑工程实例，对钢支撑和混凝土支撑的拆撑、换撑过程举行了优化研究，论述了深基坑开挖中换撑、拆撑优化对确保支护体系稳定的重要性。 1工程概况 某地铁车站位于苏州文昌路中段，跨文昌路南北走向。车站总长156.6m，标准段宽19.7m。车站北侧是京杭水道码头的公共绿地，南侧是苏州高新区综合保税区，周边建（构）筑物较少。

2、车站基坑开挖范围内的土层主要有：1杂填土、3浜填土、1粉质黏土、3粉质黏土、2a砂质粉土、2b粉砂层。地下水层主要有潜水和微承压水。本工程地下2层，基坑深度为17.05m，采用地下继续墙挡土兼止水，地下继续墙厚度800mm，深度为29.75m，混凝土强度等级为C35，抗渗等级为P8。基坑标准段设置4道支撑，其中第1道采用混凝土支撑，其余3道采用609mm×16mm钢支撑；异形端区域采用3道混凝土支撑；南扩大端设置5道支撑，其中第1道采用混凝土支撑，其余4道采用609mm×16mm钢支撑。 2深基坑支护体系换撑方案优化技术研究分析 在车站结构主体施工过程中，往往在底板上部侧墙

3、位置施加换撑，来增强基坑稳定性，但此位置增强换撑有如下几项缺点1-2：1）底板至中板侧墙分2次浇筑，不能一体浇筑，降低施工效率，影响工期。2）在车站基坑主体结构错综复杂的工序施工过程中，拆撑过程简单破坏上部既有钢支撑和满堂脚手架。在本车站基坑支撑体系的应用过程中，拟将换撑上移至中板以上位置，该方案有如下优点：1）中板及以下侧墙可一体浇筑，降低施工难度，缩短工期。2）中板以下无钢支撑，避开与既有钢支撑和满堂脚手架发生碰撞。 2.1换撑方案优化分析对照 1）原有设计工况换撑流程（图1）为：基坑底板浇筑、拆除第4道钢支撑（工况1）部分侧墙浇筑、加换撑（工况2）拆第3道钢支撑（工况3）中板及剩余侧墙浇

4、筑，拆第2道钢支撑及换撑（工况4）侧墙、顶板浇筑，拆第1道钢支撑（工况5）。2）优化设计工况换撑流程（图2）为：基坑底板浇筑、拆除第4道钢支撑（工况1）在中板以上、第2道钢支撑以下位置施加换撑（工况2）拆第3道钢支撑（工况3）地下2层中板及侧墙一体浇筑，拆第2道钢支撑及换撑（工况4）侧墙、顶板浇筑，拆第1道钢支撑（工况5）。 2.2有限元模型数值分析研究 2.2.1模型建立囫囵模型按照工程实际尺寸选定如下：x方向取156.6m，y方向标准段取19.7m，z方向取17.05m。基坑围护结构及主体根据实际尺寸建立三维模型，Solid65单元模拟地下继续墙、二衬结构、围檩结构等混凝土材料，Link1

5、88单元模拟钢支撑材料。为了提高计算精度，模拟中混凝土单元与钢材单元采用点对点衔接方式，ANSYS程序运行中可以自动搜寻相近节点举行耦合以保证共同发生位移。赋予单元混凝土及钢材属性，混凝土单元模型为三轴受压下的等向强化MISO模型以及Willam-Warnker五参数强度准则模型。 该模型结构基本按设计尺寸模拟，构件衔接处不规章样子居多，切割实体细部较为不规章，为实现模型网格划分单元节点耦合，网格尺寸定义未采用映射网格，而所有采用自由网格划分，使得实体网格多以六面体展现，并混合有部分四面体以及五面体（图3）。边界以及荷载的施加如下：自重通过程序里的荷载-自重施加，对模型单元施加面荷载举行土压力

6、荷载模拟，模型底部将x、y、z这3个方向的线位移举行约束。 2.2.2地下继续墙水平位移对照分析地下继续墙的水平位移是基坑开挖需要重点分析的内容，由2种方案的地下继续墙水平位移对照（图4）可知，钢支撑上移方案使墙体水平位移最大值增强，墙体的最大水平位移值较原换撑方案增强14mm。换撑优化后，墙体的最大位移值为40.47mm，且小于最大变形允许值±55mm。 2.2.3钢支撑轴力对照分析由不同施工方案钢支撑轴力对照数据（表1）可知，换撑优化方案较原换撑方案的最大钢支撑轴力增强16.67%，最大值为1330kN，小于钢支撑轴力最大允许值。2.2.4混凝土支撑轴力对照分析2种方案工况中，混

7、凝土支撑的轴力最大值易发生在异形端东西走向的3根混凝土支撑中，分析其缘由为异形端东西走向跨度达53.57m，土压力传输到混凝土支撑上的应力较为复杂，混凝土支撑内应力无法找到快捷路径释放，使得其承受较大应力并陪同较大变形。由不同施工方案混凝土支撑轴力对照数据（图5）可知：1）同种方案模拟中，混凝土支撑轴力最大值发生在拆第3道钢支撑阶段。2）不同方案模拟中，换撑优化方案较原方案的混凝土支撑轴力增强百分比最大为18.36%，在换撑优化方案中，最大混凝土支撑轴力为9860kN。 2.3模拟数值与监测数据对照分析 2.3.1地下继续墙水平位移数据与监测数据对照分析按照换撑优化方案举行实际施工的监测数据（

8、图6）可知，墙体的最大水平位移值为38.22mm，小于理论计算值40.47mm，且小于容许值±55mm。理论分析值大于实际施工监测值，在实际施工中可参考理论值举行实际变形控制。 2.3.2钢支撑轴力数据与监测数据对照分析由模拟与实测钢支撑轴力对照（表2）可知：优化方案施工工况模拟数值较实际监测数据偏高，高出4060kN，且实际监测中钢支撑轴力未超出允许值。有限元模拟中因单元定义及材料性能与实际有所差距，故导致轴力计算与实际有所偏差，但偏差值仅为3%左右，可以作为实际工程的参考。 2.3.3混凝土支撑轴力数据与监测数据对照分析由模拟与实测混凝土支撑轴力对照（表3）可知：优化方案模拟的混

9、凝土支撑轴力最大值较实际监测数据偏高，高出90250kN，且实际监测中钢支撑轴力未超出容许值。有限元模拟中因单元定义及材料性能与实际有所差距，故导致轴力计算与实际有所偏差，但偏差值仅为2.5%左右，可以作为实际工程的参考。 3深基坑异形端支护体系拆撑方案优化技术研究 3.1拆撑方案优化分析对照 车站基坑异形端位置的顶板设计标高和第1道混凝土支撑标高重叠，在实际施工过程中无法施工。按照基坑顶板浇筑施工段划分（图7），需要将1区施工段位置混凝土支撑提前拆除，与设计要求先浇筑顶板后施工方案不符，造成混凝土支撑受力不对称，继而导致内力重分布。 3.2有限元模型数值分析研究 3.2.1模型建立结构模型整

10、体尺寸、模型单元划分、边界条件及荷载施加同2.2.1章节。原方案为车站结构顶板浇筑后拆撑方案，优化方案为车站结构施工段先拆撑后浇筑顶板方案3.2.2地下继续墙水平位移对照分析基坑异形端先拆撑后浇筑顶板位置，因为浇筑顶板之前失去混凝土支撑支护，故在墙体与土压力平衡过程中，会消失墙体的变形协调，导致该位置墙体发生一定程度的侧斜，因此墙体位移程度为2种方案对照点。理论分析中，2种方案的墙体位移走向分布大致相同，且异形端最大位移均发生在同一位置。 优化方案中负值最大为-32.10mm，正当最大为33.46mm；原方案中负值最大为-26.46mm，正当最大为31.47mm。原方案肯定位移值均小于优化方案

11、，最大差距仅为5.64mm，在可控范围内。按照理论计算，推断车站主体结构顶板浇筑施工段内可以先拆撑后浇筑顶板。优化方案中，因为施工顶板之前，将施工区域内混凝土支撑提前拆除，故导致地下继续墙失去混凝土支撑支护，相当于此处地下继续墙额外受力，且增强力方向与土压力方向相同。在增强外力的作用下，地下继续墙位移增强，最大增强值5.64mm。 3.2.3混凝土支撑轴力对照分析2种方案中混凝土支撑最大轴力均发生在东西走向的混凝土支撑中，优化方案中混凝土支撑围檩受力较原方案增强，说明在局部拆撑后，土压力由围檩分担的内力增强。模型模拟局部提前拆撑工况中，混凝土支撑轴力最大值（3280kN）较原方案（2290kN

12、）增强43.23%，说明优化方案拆撑位置混凝土支撑担当外界力较为突出。 3.3模拟数值与监测数据对照分析 3.3.1地下继续墙水平位移数据与监测数据对照分析按照局部拆撑方案举行实际施工的监测数据可知，墙体的最大水平位移值为30.84mm，小于理论计算值33.46mm，且小于容许值±55mm。理论分析值大于监测值，在实际施工中可参考理论值举行实际变形控制。3.3.2混凝土支撑轴力数据与监测数据对照分析按照监测数据，优化方案工况模拟的混凝土支撑轴力最大值（3280kN）较实际监测数据（2986kN）偏高，且实际监测中钢支撑轴力未超出允许值，可作为实际工程参考。有限元模拟中因单元定义及材料性能与实际有所差距，故导致轴力计算与实际有所偏差。 本文通过对取消换撑方案以及局部拆撑方案举行数值模拟分析，并结合实际施工中的监测数据，对照研究得到以下结论3-4：1）有限元模拟中，换撑上移后，不同工况下的地下继续墙最大水平位移值增强14mm；钢支撑轴力最大增强幅度为16.67%；混凝土支撑轴力最大增强幅度为18.36%。2）换撑上移方案中，地下继续墙水平位移、钢支撑轴力、混凝土支撑轴力理论模拟数据大于实际监测数据，且实际监测数据未超出容许值，在实际施工中可参考理论值举行实际变形控制。3）有限元模拟中，局部拆撑方案的墙体最大水