作者：張亞龍，望，張書敏等

作者單位：中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，西安建築科技大學土木工程學院

陝西省重點研發計劃項目（2020SF-373）

摘要 Abstract

西安地鐵6号線東興區間豎井深基坑緊鄰興慶湖，處于西安飽和軟黃土的發育核心區域，因此深基坑工程支護結構既是工程的關鍵，也是重難點。利用有限元軟件對深基坑組合支撐軸力進行預分析，結合現場監測數據進行對比，分析了深基坑施工過程中支撐軸力的動态變化趨勢以及軸力異常原因，并對深厚軟黃土地區深基坑開挖提出施工建議措施。

引言

随着我國城市的快速發展，地下空間利用率大幅度提高，地下工程尤其是深基坑工程越來越普遍，其中内支撐 地下連續牆是深基坑工程常用的支護形式。地下連續牆以強度高、整體性好、止水效果好的特性，鋼支撐以安裝、拆卸靈活，可重複使用的優勢在地鐵等超深基坑支護中應用廣泛。

然而深基坑工程存在很多問題，尤其是在深厚飽和軟黃土地區的開挖穩定性及變形控制上。黃土具有特殊的結構性和濕陷性，遇水後結構迅速破壞，強度大幅度降低，産生較大變形。因此，在飽和軟黃土地區進行深基坑工程施工需大量工程實踐與總結，其中，數值模拟結合現場試驗是一種有效的研究基坑工程的方法，在基坑工程中得到了廣泛應用。

本文以西安地鐵6号線東興區間豎井深基坑為背景，運用有限元方法計算模拟了基坑開挖不同階段下支撐軸力的變化情況，并結合現場監測數據進行對比分析。

Part 01 工程概況

東關正街站—興慶路站區間地裂縫處理段采用淺埋暗挖法施工。區間内設置施工豎井1處，結合處設置1座聯絡通道。東興區間豎井外包長26.7m，寬8.6m，采用明挖法施工，基坑施工采用地下連續牆 鋼支撐結合基坑内降水的聯合支護方案，現場支撐布置如圖1所示。豎井圍護結構采用厚1000mm、深約44.95m的地下連續牆，基坑深30.45m，地下連續牆嵌固深度為14.5m。根據本工程地質及周邊情況，基坑豎向設置1道混凝土支撐 5道鋼支撐，第5道支撐設置倒撐（見圖2）。

第1道支撐采用混凝土支撐，地下連續牆頂設置冠梁将所有地下連續牆連成整體。冠梁截面尺寸為800mm×1000mm,混凝土支撐尺寸為600mm×800mm，基坑設置角撐尺寸為1000mm×1 000mm×300mm，混凝土強度等級為C30。

第2～6道支撐采用ϕ609×16鋼管支撐，第5道鋼支撐設置倒撐，地下連續牆施工時在相應位置預埋鋼闆，土方開挖過程中随挖随撐。

Part 02 地質條件

東興區間豎井位于西安市興慶宮公園内,距興慶湖28.6m。拟建場地地形總體平坦，地面高程為411.000～409.920m，地貌單元為黃土窪。

興慶湖屬于人工湖，湖水面積約150畝（1畝≈666.667㎡），湖底為天然土，未做防滲處理，湖水平均深度為1.6m，最大深度為3m，湖底淤積層厚0.5～1.0m，實測湖水面現标高為408.300m，湖水與地下水相互影響，蓄水50餘年來湖水已造成周邊一定範圍地下水水位擡升，實測地下水位為1.0～10.5m。含水層為黃土、古土壤及粉質黏土。鑽探揭露的場地地下水屬潛水類型，潛水主要為西北流向，主要由興慶湖、大氣降水等地表水滲入及地下徑流補給，潛水排洩的主要方式為地下徑流、人工開采及蒸發消耗。

在勘探深度（地面下60.0m）内，上層的上更新統地層透水性較好，賦水性較強，層厚3.00～10.20m；下層中更新統地層層厚大于50.0m，透水性與賦水性一般。除此以外，在上更新統古土壤底還存在結核層，有較明顯的隔水作用。

Part 03 支撐軸力監測

采用鋼筋應力計測量第1道混凝土支撐軸力，采用表面應變計監測其餘5道鋼支撐軸力。鋼筋應力計和應變計的測點與圍護牆變形測點在同一斷面處，同一斷面豎向支撐均設測點，監測頻率如表1所示。

在每道鋼支撐表面安裝表面應變計，鋼支撐因受到外力作用産生形變，形變傳遞到振弦使振弦應力發生變化，從而引起振弦的振動頻率發生變化，進而計算得到鋼支撐軸向受力。計算公式為：

式中：F為支撐軸力(kN)，計算結果精确至1kN；fi為應變計的第i次讀數(Hz)；f0為應變計的初始讀數(Hz)；K為應變計的标定系數(kN/Hz²)。

Part 4 支撐軸力預分析

4.1有限元模型建立

采用有限元軟件ABAQUS建立基坑三維模型，模拟開挖及支護過程。假定基坑周圍土體各向均勻且同性，為理想彈塑性材料。為簡化模拟過程，不考慮基坑施工工藝影響。

結合本工程已有的勘察資料及現場實際情況，采用Mohr-Coulomb本構模型。根據影響範圍及土質條件建立幾何模型，結合東興區間豎井深基坑周圍環境，确定最終模型尺寸為50m×26.7m×60m，共包含9227個結點，7328個單元，模型如圖3所示，分别約束土體前後兩面y方向位移，左、右兩面x方向位移，底面z方向位移。各土層及支撐物理力學參數如表2所示。對該基坑開挖及支撐施作進行動态數值模拟，共設置14個分析步（見表3）。

4.2數值模拟結果分析

最大支撐軸力變化曲線如圖4所示。當下層鋼支撐産生作用時，上層鋼支撐的軸力增速變小，這是由于支護結構共同作用，下層鋼支撐分擔一部分上層鋼支撐的壓力。由圖4可知，第2道鋼支撐在第3道鋼支撐施加前軸力不斷增大，随着第3道鋼支撐施工完成，第1道鋼支撐軸力增量大幅度減小，第2道鋼支撐軸力仍在增加;第3道鋼支撐軸力在第4道鋼支撐産生作用後增長幅度變緩，且GZC-4處存在突降，最後趨于平緩；第4道鋼支撐軸力在第5道鋼支撐産生作用後增長幅度減小。

Part 5 現場支撐軸力監測數據分析

本文選取每道鋼支撐中邊緣鋼支撐GZC-1和中間鋼支撐GZC-4這兩處有代表性的鋼支撐（見圖2），監測并統計其現場軸力，分析其在基坑施工過程中軸力的變化情況。現場最大支撐軸力變化曲線如圖5所示。

從現場實測數據曲線可以看出，随着第3層土方開挖完成，第1道鋼支撐軸力有一定增長；随着第4層土方開挖完成，第2道鋼支撐軸力開始增長，而第1道鋼支撐軸力變化不明顯；在第5層土方開挖後，第3道鋼支撐軸力增長明顯，且達到最大值，第2道鋼支撐軸力有一定增加；第6層土方開挖後，第4道鋼支撐軸力開始增加，第3道鋼支撐軸力逐漸減小趨于穩定；随着開挖深度的加大，鋼支撐軸力不斷加大，開挖至坑底後，鋼支撐軸力趨于穩定。

GZC-1和GZC-4處5道鋼支撐最大支撐軸力實測值與數值模拟值對比如圖6所示，可看出基坑開挖過程中鋼支撐軸力與模拟值變化趨勢一緻，部分存在偏差，經分析，偏差與數值模拟前對模型所做的假設有關，模拟無法考慮施工過程中施工機械及周圍環境，故使實測結果和模拟結果存在一定偏差。此外，基坑開挖過程中鋼支撐軸力存在突變甚至遠超過模拟值，結合現場施工情況分析主要有以下原因。

1)該基坑緊鄰興慶湖，湖水與地下水緊密聯系，又處于飽和軟黃土核心地區，地下連續牆随開挖深度的增加受到的主動土壓力增長幅度大，地下連續牆将該力傳遞到鋼支撐，導緻鋼支撐軸力大幅度增加。

2)應變計安裝過程中存在施工誤差，應變計活絡端偏心，不能與冠梁側面緊密貼合，在實際施工中有一處應變計因此破壞，導緻軸力監測存在一定誤差。

3)鋼支撐預加軸力過大，支護結構未有效共同作用，導緻測得的鋼支撐軸力偏大。

Part 6 結語

本文通過數值模拟和現場監測研究西安地鐵6号線東關正街站—興慶路站區間豎井深基坑組合支撐軸力，分析了深基坑施工過程中支撐軸力的動态變化趨勢及軸力異常的原因，主要得到以下結論及建議。

1)基坑開挖初期，鋼支撐軸力增長迅速，随着基坑開挖的完成，鋼支撐的軸力逐漸趨于穩定，鋼支撐對土體變形及整個基坑的穩定起到了顯著作用。

2)文中的監測方法及計算結果反映了軸力的變化趨勢，合乎規律，為基坑安全施工和設計提供了科學依據。

3)針對深厚飽和軟黃土地區，形狀規則的深基坑，建議采用混凝土支撐 鋼支撐組合支護體系，另外采用鋼冠梁能增加整體穩定性。

4)應變計安裝過程必須和鋼支撐軸線在一條直線上，各接觸面平整，确保鋼支撐受力狀态通過應變計正常傳遞到支護結構上。

5)鋼支撐預加軸力應合理，使鋼支撐﹑鋼冠梁以及地下連續牆之間接觸無縫隙共同受力。

全文刊登于《施工技術》2021年第4期

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