基于有限元模型的地连墙钢支撑预加轴力研究

安会丽，李洪元，付飞，刘炳，冯家强

（中建二局第二建筑工程有限公司，广东 深圳518000）

1 引言

随着市政工程的快速发展，目前基坑工程也越来越多，为保障基坑施工安全， 对于其进行支护结构设计及控制至关重要[1-2]。地下连续墙搭配钢支撑是应用较为广泛的支撑体系，对控制基坑变形和保护周围环境有着积极作用[3]。有限元模型作为一种常用的数值模拟方法， 在深基坑工程中得到了广泛的应用。 有限元模型可以对钢支撑结构的力学行为进行准确的分析和预测，从而为设计和施工提供科学的依据。 为此，本文研究利用有限元模型对深基坑工程中地连墙钢支撑的预加轴力进行深入分析，以得到钢支撑预加轴力的合理取值范围。

2 工程概况

本文研究对象为深圳市一座位于松福大道与桥和路交叉路口的地下2 层岛式车站。 车站位于城际铁路高架桥30#至31#桥墩之间路段的下方。 该车站标准段宽度为21 m，总长为230 m，基坑开挖深度约为17 m。经过勘察得出，基坑开挖涉及范围共计7 类土，分别为填埋石层、淤泥层、粉质黏土层、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩。 填埋石层结构较为松散，主要为建筑垃圾等，在基坑工程区域内分布较广。 围护结构采用厚1 200 mm 地下连续墙，地下连续墙深59 m，采用铣接头形式，车站底板埋深最深达32.7 m。 地下连续墙采用1 道钢筋混凝土支撑+4 道钢支撑的支撑体系。第一道支撑混凝施于冠梁处， 土标号采用C35， 钢筋采用HRB300。 第2～5 道支撑为钢支撑体系，第2～3 钢支撑直径为602 mm，第4～5 钢支撑直径为790 mm。 由于车站上方存在铁路高架结构，故在设计地下连续墙，为基坑维护结构中的钢支撑预加轴力时也需要考虑上方桥墩位移。 车站北侧与相邻桥墩之间的净距为8.1 m，采用摩擦桩基础，桩基长度约为62 m；南侧与相邻桥墩之间的净距为21.9 m，采用嵌岩桩基础，桩基长度约为42 m。

基坑工程施工会给周边环境带来扰动， 扰动程度也会随着开挖深度的增大而增大。 施工时会通过多种措施降低其扰动程度。 对钢支撑预加轴力是降低扰动程度的有效措施，但目前的设计及施工中预加轴力的施工设计并不够精细。 为此，研究对其微变形进行控制， 探寻更加精细的预加轴力的取值范围。 项目首先对地连墙的变形状况以及桥墩的水平位移进行控制，以保证工程的稳定性和安全性，得到钢支撑中预加轴力的最佳取值范围。

3 有限元模型分析

研究采用Adina 有限元软件对该深基坑项目进行三维建模。 首先，进行深基坑项目的三维建模需要收集和整理大量的项目相关数据和资料。 这些数据包括地质勘探报告、 设计图纸、土层参数等。 地质勘探报告是建模的基础，其中包含各土层的物理性质、力学性质和地下水位等信息，这些信息将直接影响模型的精确度和分析结果。 设计图纸则提供了基坑的尺寸、形状和周边环境等重要信息，是模型建立的重要参考。 土层参数则是建模中不可忽视的一环， 不同的土层属性会对基坑的稳定性产生不同的影响，因此，必须根据实际情况进行详细的记录和分类。 在完成数据收集和整理后， 研究人员使用Adina 有限元软件进行建模。 首先，需要创建一个新的工程文件，这个文件需要选择适当的单位制和坐标系，并根据实际情况设置模型的尺寸和几何形状。 这些设置将直接影响到模型的精确度和分析结果，因此需要仔细对待。 然后，将土层参数和地质勘探报告中的数据输入建模软件， 通过设置土层的弹性模量、剪切模量、泊松比等参数，反映不同土层的力学性质。这些参数的设置需要与实际的土层特性一致，如果设置不当，可能会导致模型的分析结果出现较大偏差。 然后，根据设计要求和地铁基坑的荷载情况，需要设置模型中的荷载条件，包括地下水位变化产生的浮力、土压力、支撑力等。 最后，通过计算土体的位移，并比较实测结果，评估模型的准确性及可靠性。该项目土层参数见表1。

表1 该项目土层参数

在参数计算结束后，对模型中预加轴力进行设计。 根据设计资料，第2～5 道支撑为钢支撑，设计轴力依次为2 975 kN、2 900 kN、4 585 kN、3 250 kN。 为充分对比钢支撑不同预加轴力时的变形控制效果， 研究分别按照设计轴力的0%至100%对模型施加预加轴力。 然后按照实际的施工顺序，对车站基坑进行开挖，并施加不同的预加轴力，对不同工况下的地下连续墙的变形以及桥墩位移进行分析。

4 数据模拟分析结果

为保证基坑施工对城际铁路高架结构的影响控制在合理范围内， 施工现场需要对下穿段地连墙进行微变形控制。 为此，研究在施工过程中，不断记录下不同施工情况下的形变量与下沉深度。通过观察变化曲线了解其受力情况。不同工况下的地连墙水平变形情况模拟分析如图1 所示。

图1 地连墙水平变形情况模拟分析

图1 中，F 表示钢支撑预加轴力。 当钢支撑预加轴力为0时，墙体水平变形量最大可达8 mm。 这是因为在没有钢支撑预加轴力的情况下，墙体受到外部荷载的作用，导致水平变形量较大。 在钢支撑预加轴力施加后， 墙体水平形变量逐渐减小。 这是因为钢支撑预加轴力能够提供额外的支撑，减小了墙体受外部荷载作用的影响，从而使墙体的水平变形量减小。 当施加100%的钢支撑预加轴力后，墙体水平变形量最小。 这是因为100%的钢支撑预加轴力能够提供最大的支撑力，使墙体受外部荷载作用的影响最小化， 从而使墙体的水平变形量达到最小值。 在预加轴力小于0.5F 时， 不足以产生对于地连墙变形的强有力的抑制作用，但预加轴力达到0.5F～F 时，地连墙变形程度得到了较为显著的控制。 钢支撑预加轴力在深度5～20 m 范围内对地连墙变形影响较大。 在5 m 深度内影响较小的原因是此时基坑开挖引起的土体卸荷变形较小， 钢支撑的作用效果不明显。 对于大于20 m 深度处影响较小是因为地连墙距离钢支撑的布设位置较远，且底部地层较为复杂，受钢支撑作用相对较小。 在墙体深度超过20 m 后，几种钢支撑轴力情况下的地连墙都存在形变量变小的情况。 这是由于随着深度的增加，土层的侧压力逐渐减小。 在深基坑中，随着土层的深度增加， 土层的侧压力会逐渐减小， 对墙体的作用力减小，从而导致墙体形变量减小。 因此，在模拟分析时，需要考虑不同深度土层的侧压力对墙体形变量的影响。

综上所述， 钢支撑预加轴力对地连墙的水平变形有显著的影响。 在没有钢支撑预加轴力的情况下，墙体的水平变形量较大；而在施加钢支撑预加轴力后，墙体的水平变形量逐渐减小，最终达到最小值。为保证数值模型的模拟结果与实际情况差距不大，确保钢支撑预加轴力分析的准确性，研究将模拟数据与利用测斜管进行测量得到的实际土体位移情况进行对比。开挖完成时，测斜管的测量数据与模拟数据对比如图2 所示。

图2 模拟结果与实测土体位移情况数据对比

通过对比土体位移的实测数据和模拟数据发现， 它们呈现相同的变化趋势，并且数据之间的差值不明显。 这表明建立的模型能够较好地模拟施工的实际情况。 钢支撑预加轴力作用下，附近既有桥墩的位移变化如图3 所示。

图3 桥墩的位移变化

从图3 中可见，随着钢支撑预加轴力的增加，桥墩的水平位移逐渐减小， 表明预加轴力对桥墩的稳定性起到了积极的作用。当预加轴力小于35%时，桥墩的水平位移未能得到有效控制，可能存在安全隐患。然而，当预加轴力增加到51%以后，两个桥墩的位移被控制在允许范围内， 说明适当增加预加轴力可以有效地控制桥墩的位移，提高基坑结构的稳定性。

5 结语

研究以深圳地铁为项目背景， 使用Adina 有限元软件分析地下2 层的深基坑施工过程。 研究以地下连续墙为主体维护结构，内支撑设计5 道，其中一道为钢筋混凝土支撑，其余全为钢支撑。 结果表明，钢支撑预加轴力对地连墙的水平变形有显著的影响。 在没有预加轴力的情况下，墙体的水平变形量较大；而在施加预加轴力后，墙体的水平变形量逐渐减小，最终达到最小值。 测斜管的测量数据与模拟数据对比结果较为一致， 说明建立的模型能够较好地模拟施工的实际情况。 此外，适当增加预加轴力可以有效地控制桥墩的位移，提高基坑结构的稳定性。 此次研究通过有限元模拟分析，对深基坑项目进行了全面的研究， 对于深基坑施工的稳定性和安全性具有重要意义。 研究表明，通过合理设置钢支撑预加轴力，可以有效控制地连墙和桥墩的变形， 确保基坑施工对周围结构的影响在合理范围内。