大跨度深基坑井字形临时钢支撑支护可行性分析

徐 军

上海建工集团股份有限公司总承包部 上海 200080

随着我国城市轨道交通的蓬勃发展，对于地下空间的利用逐年集约化，新建基坑工程深度和跨度的增大趋势日益明显[1]。为抵抗大跨度深基坑周边复杂的侧向压力，其所需的支护结构相较于小面积浅基坑也会更加复杂，一般采用高强度的地下连续墙钢筋混凝土支撑支护。由于混凝土内支撑浇筑周期长，在浇筑周期内，原本的混凝土内支撑无法承载，很难满足该基坑的受力要求。因此，研究大跨度深基坑混凝土支撑浇筑期间的临时内支撑方案对维护基坑稳定有着重大的意义。

国内外学者对基坑开挖与支护体系相互影响进行了大量的研究[2-5]。其中地下连续墙内撑式支护适用于对防渗要求较高的大面积深基坑工程，从而被城市地下工程广泛应用。对于地下连续墙内撑式支护对基坑的影响研究主要分为数值法[6-7]、解析法[8-9]和试验法[10-11]。比起解析法的过于简化和试验法需消耗大量人力、财力，数值法不仅经济适用，而且能完整模拟复杂土层结构下基坑开挖的全过程，全面地分析基坑开挖每个过程中支撑体系与基坑的影响作用。既有研究都是单纯分析混凝土支撑对基坑变形的影响，未考虑混凝土支撑浇筑时基坑裸露期内的变形问题，也未考虑大跨度临时钢支撑产生极大挠度和弯矩对临时支护体系的影响。基于实际工程对井字形临时钢支撑的受力变形分析和井字形临时钢支撑支护下基坑及周围土体变形的分析更是较为罕见。

本文基于上海市机场联络线三林南站主体结构1号基坑工程，采用新型井字形临时钢支撑和钢筋混凝土支撑进行地下连续墙深基坑支护，对基坑开挖过程中的临时钢支撑、地下连续墙及周围土体进行受力变形分析，给出优化的临时钢支撑及混凝土支撑支护方案。本支护方案在混凝土内支撑浇筑前先设置临时钢支撑，以缩短基坑无支撑暴露的时间，减少基坑变形。同时，为节约材料、减少成本，控制超大跨度基坑中临时钢支撑产生极大的挠度和弯矩，设计采用井字形临时钢支撑，待混凝土内支撑浇筑完成可受力后再进行临时钢支撑的拆除。研究成果对大跨度深基坑的支护设计有一定的工程指导作用。

1 大跨度深基坑井字形临时钢支撑设计

1.1 工程概况

上海市机场联络线三林南站主体结构基坑工程位于上海市浦东新区三林镇西部区域，S20外环高速与浦星公路交叉处西南象限的地块内，沿S20外环高速东西向敷设。该工程1号基坑包括两部分：端头井和标准段，其中端头井宽约62.6 m，长约39.3 m，开挖深度约41.3 m，地下连续墙深度为82.2 m；标准段宽约45.0 m，长约132.0 m，开挖深度约36.9 m，地下连续墙深度为75.6 m，基坑受力极为复杂。地下连续墙厚度设计为1.2 m，端头井处设置8道混凝土支撑，标准段设置7道混凝土支撑，在第4—第8道混凝土支撑上方1 m处设置井字形临时钢支撑。基坑剖面和地质条件如图1所示。

图1 基坑剖面和地质情况示意

1.2 井字形临时钢支撑初步设计

基于本工程中基坑的超大跨度和深度，为保证基坑开挖过程中的稳定性，采用高强度混凝土支撑，同时在第4—第8道混凝土支撑浇筑期间采用临时钢支撑进行支护。针对本基坑的超大跨度，为控制超长钢支撑支护过程中产生极大的挠度和弯矩，拟设计适用于大跨度基坑的井字形临时钢支撑。以基坑第2道混凝土支撑为例，混凝土支撑布置如图2所示，井字形临时钢支撑布置如图3所示。

图2 混凝土支撑布置平面示意（单位：m）

图3 井字形临时钢支撑布置平面示意（单位：m）

本工程拟采用的井字形临时钢支撑为考虑大跨度结构受力要求，将横纵支撑通过井字形接头连接成一个整体，同时将立柱固定在“井”字中间[12]。井字形钢支撑由井字形接头和普通直管段组成。井字形接头由4个十字形钢管接头拼接而成，十字形钢管接头由2根相互垂直的钢管交叉嵌接，每个十字形钢管接头端部由法兰盘连接螺栓连接直管段钢支撑（图4）。

图4 井字形临时钢支撑

2 有限元模型建立及计算工况

2.1 模型建立

对上海市机场联络线三林南站主体结构1号基坑开挖工程，采用Midas GTS软件建立始发模型（图5）。为消除边界条件影响，模型尺寸在z方向为0～150.0 m，x方向为0～－372.0 m，y方向为0～262.2 m。模型上表面设置为自由边界，侧面限制水平位移，下表面限制所有方向位移。

图5 三维基坑数值模型

整个模型网格节点共40 563个，单元数共70 355个；由3个部分组成，分别为基坑待开挖区域土层、支护结构以及基坑周围地层，并以不同颜色区分。其中支护结构包括地下连续墙、立柱、灌注桩、混凝土支撑以及井字形临时钢支撑等。基坑待开挖区域和基坑周围地层采用德鲁克-普拉格弹塑性本构模型，支护结构采用弹性模型。模型土体材料参数见表1，地下连续墙和支撑材料参数见表2。

表1 模型土体物理力学参数

表2 基坑支护结构物理力学参数

2.2 施工工况

首先建立模型，设置土体和地下连续墙的参数，设置边界条件，进行位移清零。随后，由上往下逐步开挖基坑，开挖前先激活地下连续墙和立柱单元，开挖过程中一共设置8道混凝土支撑，每次开挖至混凝土支撑标高时，开始激活围檩和支撑，支撑激活完毕后进行下一次开挖。第4—第8道混凝土支撑激活前，先在混凝土支撑上表面往上1 m的位置处激活钢圈梁及井字形临时钢支撑，随后激活混凝土支撑，混凝土支撑激活完毕后钝化井字形临时钢支撑，再进行下一步的开挖工况。重复以上步骤，直至开挖至基坑底部。主要开挖工况如下。

工况1：开挖至地下1.25 m处，设第1道混凝土支撑。

工况2：开挖至地下7.25 m处，设第2道混凝土支撑。

工况3：开挖至地下12.75 m处，设第3道混凝土支撑。

工况4：开挖至地下17.75 m处，在地下16.75 m处设置第1道井字形临时钢支撑。

工况5：在地下17.75 m处设置第4道混凝土支撑，随后钝化临时钢支撑。

工况6：开挖至地下22.25 m处，在地下21.25 m处设置第2道井字形临时钢支撑。

工况7：在地下22.25 m处设置第5道混凝土支撑，随后钝化临时钢支撑。

工况8：端头井处开挖至地下26.75 m处，标准段开挖至地下27.65 m处，在地下25.75 m处设置第3道井字形临时钢支撑。

工况9：在开挖面处设置第6道混凝土支撑，随后钝化临时钢支撑。

工况10：端头井处挖至地下30.75 m，标准段挖至地下32.55 m，在地下29.75 m处设第4道井字形临时钢支撑。

工况11：在开挖面处设置第7道混凝土支撑，随后钝化临时钢支撑。

工况12：端头井处开挖至地下34.65 m处，标准段开挖至地下36.90 m处，在端头井开挖面上方1 m处设置第5道井字形临时钢支撑。

工况13：在端头井开挖面处设置第8道混凝土支撑，随后钝化临时钢支撑。

工况14：端头井处开挖至地下41.30 m，开挖结束。

3 井字形临时钢支撑支护可行性分析

本基坑等级为一级，关于基坑变形限制范围的标准参照SZ-08—2000《上海地铁基坑工程施工规程》的规定，一级基坑等级地表最大沉降量smax≤0.1%H，地下连续墙最大水平位移wmax≤0.14%H，H为基坑开挖深度。通过数值模拟结果，对每个工况在设置井字形临时钢支撑后、设置混凝土支撑前的临时钢支撑最大轴力、地下连续墙最大变形量以及地表最大沉降量进行分析，得到井字形临时钢支撑支护方案的可行性结果。

3.1 井字形临时钢支撑极限承载力计算

由于钢支撑承受压力，长细比较大，其失稳将对基坑支护体系产生极大的影响。因此，分析钢支撑保持稳定的承载力以及临界承载力十分必要。将临时钢支撑视作轴心受压构件，根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》[13]计算临时钢支撑的临界承载力，计算时不考虑钢管撑自身重力影响。本工程采用Q235钢管支撑，钢支撑钢管分为2种：a类横向支撑及角撑外径D1＝820 mm，壁厚t1＝20 mm，钢管的截面惯性矩I1＝0.003 73 m4，构件截面面积A1＝0.049 m2，横截面惯性半径i1＝0.276 m；b类纵向支撑外径D2＝220 mm，壁厚t2＝20 mm，钢管的截面惯性矩I2＝4.637×10－5m4，构件截面面积A2＝0.011 3 m2，横截面惯性半径i2＝0.064 m。本支撑钢管的截面形式为a类，屈服强度fy＝225 MPa。不同钢支撑段的极限承载力见表3。

表3 不同钢支撑段的极限承载力

①类临时钢管支撑分为纵向支撑，横向支撑以及角撑，由于此深大基坑的钢管支撑尺寸种类较为复杂，在此我们只研究长细比较大且跨度大，较为危险工况的①—⑦类钢管支撑的极限承载力，布置如图3所示。钢管支撑的长细比计算如下：

①类横向支撑被井字形接头分为3段，每段可视作桁架模型，其中最长跨度l1为16.0 m；②类横向支撑被井字形接头分为5段，其中最长跨度l2为12.4 m；③类横向支撑被井字形接头分为4段，其中最长跨度l3为16.0 m；④类纵向支撑被井字形接头分为15段，其中每段跨度l4约为8.0 m；⑤类角撑被井字形接头分为2段，其中每段跨度l5约为13.6 m；⑥类角撑被井字形接头分为3段，其中最长跨度l6为15.6 m；⑦类角撑被井字形接头分为2段，其中每段跨度l7约为17.2 m。

3.2 井字形临时钢支撑轴力分析

通过模拟结果，可以得到在布置第1—第5道井字形临时钢支撑后，每道钢支撑体系中①—⑦类钢支撑段中的最大支撑轴力对比如图6所示。

图6 不同开挖阶段井字形临时钢支撑最大支撑轴力

由图6可得，在基坑开挖16.75 m至基坑底的过程中开始设置第1—第5道井字形临时钢支撑，在此过程中，端头井处临时钢支撑（②类、⑥类管段）最大支撑轴力呈现先减小后增大再减小的趋势，而标准段的临时钢支撑最大轴力则呈现先增大后减小的趋势。无论是在端头井处还是标准段，最大轴力都出现在第3道临时钢支撑处，即开挖25.75 m处。由图6可知，钢支撑①—⑦类管段在开挖过程中的最大支撑轴力都远小于表3所示不同钢支撑段的极限承载力值。由此得出，此井字形临时钢支撑支护方案可行。

3.3 地下连续墙变形分析

地下连续墙最大水平位移wmax≤0.14%H，H为基坑开挖深度，即端头井处地下连续墙最大水平位移不能超过57.8 mm，标准段地下连续墙最大水平位移不能超过51.7 mm。本工程从开挖工况4开始设置井字形临时钢支撑，所以对地下连续墙变形研究从开挖工况4开始。基坑开挖工况4—工况14过程中，不同深度处的地下连续墙x方向变形量对比如图7所示，y方向变形量对比如图8所示。

图7 不同深度处的地下连续墙x方向变形

图8 不同深度处的地下连续墙y方向变形

由图7可知，地下连续墙x方向最大位移位置在端头井左侧边缘中心点处。随着开挖深度的增加，地下连续墙x方向的最大位移位置不断下移，但始终位于基坑开挖深度中间的位置。由图8可知，地下连续墙y方向最大位移在标准段上边缘距最右侧30.5 m处。随着基坑开挖深度增大，地下连续墙y方向最大位移位置逐渐下移，置于基坑开挖面以下，最大位移随深度呈现“m”形状。由井字形临时钢支撑设置工况和混凝土支撑设置工况4—5、工况8—9、工况12—13对比可得，本文提出的临时钢支撑支护的支护效果与混凝土支撑相差不大，足以在混凝土支撑浇筑期间维持基坑的稳定性，每个工况下地下连续墙x方向和y方向的最大位移满足wmax≤0.14%H的要求。

3.4 地表沉降分析

由标准本基坑等级地表最大沉降量smax≤0.1%H，即端头井处smax≤41.3 mm，即标准段smax≤36.9 mm。图9为x、y方向分别与基坑壁不同距离内的地表最大沉降量对比图。如图9所示，地表x方向最大沉降位置位于端头井最左侧边缘中心点处，地表y方向最大沉降位置位于端头井与标准段交界处标准段的起点处。无论是x方向还是y方向，随着与基坑壁的距离越远，地表沉降越大，最后趋于0。无论是端头井处还是标准段，地表的最大沉降值皆满足标准要求，说明本支护方案的合理性。

图9 距基坑壁不同距离内的地表最大沉降量

4 结语

1）在基坑开挖过程中，设置了8道混凝土支撑加地下连续墙，由于实际工程实施过程中，混凝土支撑浇筑时间过长，为减少基坑裸露时间并且控制临时支护的成本，在第4—第8道混凝土支撑浇筑期先设置新型井字形临时钢支撑，以优化支护方案保持基坑稳定性。

2）针对井字形临时钢支撑的极限承载力、钢支撑最大支撑轴力、地下连续墙的最大变形量以及地表最大沉降量进行基坑开挖过程中变化规律的分析。结果表明，随着开挖深度的增加，井字形临时钢支撑最大轴力随设置深度的增加呈现先增大后减小的趋势；随着开挖深度的增加，地下连续墙的最大位移由先增大后减小的趋势发展到“m”形状，即先增大后减小随后增大最后再次减小；随着开挖深度的增加，地表最大沉降量随距离基坑壁距离越远，沉降量越小，最后趋于零。

3）本文通过数值模拟计算井字形临时钢支撑最大支撑轴力、出地下连续墙的最大变形量以及地表最大沉降量，并与相关标准中关于基坑等级为一级时地下连续墙最大变形量、地表最大沉降量要求限值的进行对比，验证了本文井字形临时钢支撑支护方案的可行性。