钢板桩内支撑预加轴力对基坑变形的影响

辛乐清

(中铁十四局集团第四工程有限公司 山东济南 250002)

1 引言

随着城市化发展进程加快，城市空间利用逐步转入地下[1-2]。市政管网逐步采用地下沟槽、管道、管廊等形式，基坑开挖深度一般在1.3～10 m之间，周边存在既有管线、通行市政道路、既有建筑物等，需采用围护结构控制周边变形，保护既有构筑物。施工过程经常采用钢板桩[3-5]作为围护结构，但当地质情况不佳、基坑较深、周边变形控制要求严格时，钢板桩需增加内支撑以减小基坑变形。本文以济南市济泺路穿黄隧道工程为例，通过对钢板桩内支撑预加轴力和不预加轴力两种不同工况研究基坑变形规律，从而确定最优支护方式[6-8]。

2 工程概况

济南市济泺路穿黄隧道南岸地面道路涉及电力沟工程，主通道基坑深5 m，电力顶管工作井深10 m。工程施工位置邻近地上悬河黄河，地下水埋深1～1.5 m，土质为杂填土、粉土，以及老旧河床淤泥沉积层，地质条件较差。以往直接采用钢板桩和内支撑时，经常发现基坑围护结构内倾，地面邻近钢板桩2～5 m范围地面出现明显开裂，影响周边管线安全。电力顶管竖井基坑深度较深，邻近通行机动车道仅3～5 m，周边管线有污水、给水、热力、燃气、通信等，安全要求较高。为保证基坑稳定，减小基坑变形对周边环境影响，加快施工进度，采用钢板桩作为基坑围护结构，内支撑采用预加轴力钢支撑。

3 基坑周边环境

西侧始发井位于道路边缘且紧邻汇通市政围墙，东侧与目前市政道路距离约2.6 m；基坑东侧紧邻既有电力埋管，距离污水管1.9 m，距离热力管3.1 m，距离给水管4.2 m。东侧接收井基坑与机动车道距离约5 m，与通信管线距离1 m，与燃气管线距离1 m，与污水管道距离1.7 m，与给水管道距离4.3 m，与新建电力沟距离7.6 m。

4 基坑结构

电力顶管工作井包括始发井和接收井。始发井基坑尺寸为7.94(长)×7.14(宽)×10.05 m(深)，接收井基坑尺寸为7.54(长)×宽6.94(宽)×10.05 m(高)。均采用拉森(Ⅳ型)钢板桩支护，桩长15 m，钢板桩断面尺寸400×170×15.5 mm。始发和接收竖井基坑深度10.05 m，内部支撑设置3层，围檩采用双拼 40型钢，支撑材料采用ϕ609厚度16 mm钢管撑，支撑预加轴力。

5 围护结构受力验算

5.1 验算参数

(1)基坑等级及支护措施

根据基坑深度及安全要求，支护安全等级为二级，支护结构重要性系数取1.0，荷载组合分项系数取1.25。基坑深度10.05 m，采用15 m长钢板桩，嵌固深度4.65 m。钢板桩截面面积242.5 cm2，每延米惯性矩I＝38 600 cm4，每延米抗弯模量W＝2 270 cm3，地面荷载 20 kPa。

(2)土层参数

围护结构深度范围内土质分9层，包括杂填土、粉土、黏性土等，地下水位深度1.0 m。土层参数见表1。

表1 土层参数

(3)支护参数

围檩采用双拼 45型钢，内支撑采用ϕ606厚度16 mm钢支撑。第一层支撑距离地面1 m，第二层支撑竖向间距3.5 m，第三层支撑竖向间距3.5 m，距离基坑底2.05 m。验算支撑力时支撑水平间距均暂按1 m取值。

(4)工况信息

基坑开挖分三层进行，开挖至支撑底以下0.5 m处架设支撑，支撑架设完成后施加预加轴力，然后继续开挖下一层，共分7步。施工工况信息见表2。

表2 工况信息

5.2 不预加轴力时支反力及变形

经计算，第一层支撑最大轴力73.85 kN，第二层支撑最大轴力177.59 kN，第三层支撑最大轴力173.7 kN。不预加轴力时各工况支撑轴力值见表3。

表3 不预加轴力时支撑轴力值统计 kN

基坑围护结构位移包络图如图1所示。

基坑外侧地面沉降量如图2所示。

5.3 预加轴力时支反力及变形

(1)支撑预加轴力方案

为研究支撑预加轴力对基坑变形和地表变形的影响，拟定几种预加轴力值对比分析基坑支护效果。方案一为不预加轴力状态，统计每道支撑的最大轴力，依次作为每道支撑轴力标准值N。方案二～方案八对每层支撑预加轴力，预加轴力值以方案一中各层支撑最大轴力N为基数，分别对每层支撑预加50%N、55%N、60%N、65%N、70%N、75%N、80%N轴力时，分析基坑围护结构变形规律。各方案具体轴力值见表4。

表4 拟定支撑预加轴力大小

(2)最优预加轴力值区间分析

方案一不预加轴力，以及方案二～方案八预加不同轴力时，各层支撑在开挖架撑期间最大轴力值见图3，各层支撑最大轴力增加差值见表5。

表5 预加轴力后各层支撑最大轴力递增量

根据预加轴力值与最终每层支撑最大轴力值进行对比可以分析各层支撑最大轴力随预加轴力大小的变化规律，即预加轴力值为50%N～70%N之间时，各层支撑最大轴力变化平缓，增加值速率均衡。说明在该区间取支撑预加轴力值时，能有效避免支撑轴力过大，同时对基坑变形抑制效率更高。

(3)第一层支撑最优预加轴力值分析

通过对预加轴力后基坑围护结构变形可知，开挖至距离地面最近的第一层支撑底及架撑期间基坑变形量较大，该阶段预加轴力未发挥作用，各方案效果一致。开挖至第一层支撑底时基坑变形情况见图4。

通过经验分析认为，对杂填土层较厚、表层地质软弱、地下水位较高区域，须注意首层支撑位置距地面深度不宜过大，且要及时架设支撑，同时建议提高首道支撑预加轴力值。按上文分析，取最优区间内接近70%N的较大值。第一层支撑取68%N轴力值(即50 kN)时，预加轴力后基坑变形基本可以抵消。第一层支撑预加轴力后基坑变形见图5。

(4)第一层以下支撑最优预加轴力值分析

方案二～方案八在50%N～80%N较大区间范围内取预加轴力值，对比不同预加轴力对基坑变形和坑外地面变形的影响，同时与不预加轴力工况作对比。选取轴力差别较大的方案二(50%N)和方案八(80%N)进行分析，再与不预加轴力的方案一(0%N)进行对比来说明预加轴力对基坑变形和坑外地面变形的控制效果。开挖至基底时，基坑变形及坑外地面沉降量见图6～图11。

通过方案二、方案八分别预加50%N、80%N轴力后基坑变形及坑外地面变形对比分析，可以看出在该区间内增加预加轴力对两者影响都很小，因此预加轴力值控制在50%N～60%N之间即可达到较好效果，不需对第一层以下支撑施加太大的预加轴力值。

通过方案一不预加轴力和方案二预加轴力时基坑变形及坑外地面变形对比分析，可以看出预加轴力后两者变形明显减小。在地质条件较差，周边存在地下管线、市政道路及其他建筑物时，对地面沉降要求较为严格的条件下，通过对内支撑预加轴力，对抑制基坑变形和坑外地面变形均能起到较为明显的效果。

6 结束语

本文以电力顶管工作井基坑支护为例，对比分析了不预加轴力和预加轴力工况对基坑变形的影响[9-12]。通过合理分配不同层内支撑预加轴力值，可明显减小基坑变形，减小对周边构筑物的影响。经研究对比，第一层内支撑预加轴力值控制在70%N左右、以下层内支撑预加轴力值控制在50%N～60%N之间更为科学合理。