枣庄基坑支护降水设计施工（饱和软黄土高水位地区深基坑钢支撑轴力监测与分析）

作者：张亚龙，望，张书敏等

作者单位：中铁七局集团西安铁路工程有限公司，西安建筑科技大学土木工程学院

陕西省重点研发计划项目（2020SF-373）

摘要 Abstract

西安地铁6号线东兴区间竖井深基坑紧邻兴庆湖，处于西安饱和软黄土的发育核心区域，因此深基坑工程支护结构既是工程的关键，也是重难点。利用有限元软件对深基坑组合支撑轴力进行预分析，结合现场监测数据进行对比，分析了深基坑施工过程中支撑轴力的动态变化趋势以及轴力异常原因，并对深厚软黄土地区深基坑开挖提出施工建议措施。

引言

随着我国城市的快速发展，地下空间利用率大幅度提高，地下工程尤其是深基坑工程越来越普遍，其中内支撑 地下连续墙是深基坑工程常用的支护形式。地下连续墙以强度高、整体性好、止水效果好的特性，钢支撑以安装、拆卸灵活，可重复使用的优势在地铁等超深基坑支护中应用广泛。

然而深基坑工程存在很多问题，尤其是在深厚饱和软黄土地区的开挖稳定性及变形控制上。黄土具有特殊的结构性和湿陷性，遇水后结构迅速破坏，强度大幅度降低，产生较大变形。因此，在饱和软黄土地区进行深基坑工程施工需大量工程实践与总结，其中，数值模拟结合现场试验是一种有效的研究基坑工程的方法，在基坑工程中得到了广泛应用。

本文以西安地铁6号线东兴区间竖井深基坑为背景，运用有限元方法计算模拟了基坑开挖不同阶段下支撑轴力的变化情况，并结合现场监测数据进行对比分析。

Part 01 工程概况

东关正街站—兴庆路站区间地裂缝处理段采用浅埋暗挖法施工。区间内设置施工竖井1处，结合处设置1座联络通道。东兴区间竖井外包长26.7m，宽8.6m，采用明挖法施工，基坑施工采用地下连续墙 钢支撑结合基坑内降水的联合支护方案，现场支撑布置如图1所示。竖井围护结构采用厚1000mm、深约44.95m的地下连续墙，基坑深30.45m，地下连续墙嵌固深度为14.5m。根据本工程地质及周边情况，基坑竖向设置1道混凝土支撑 5道钢支撑，第5道支撑设置倒撑（见图2）。

第1道支撑采用混凝土支撑，地下连续墙顶设置冠梁将所有地下连续墙连成整体。冠梁截面尺寸为800mm×1000mm,混凝土支撑尺寸为600mm×800mm，基坑设置角撑尺寸为1000mm×1 000mm×300mm，混凝土强度等级为C30。

第2～6道支撑采用ϕ609×16钢管支撑，第5道钢支撑设置倒撑，地下连续墙施工时在相应位置预埋钢板，土方开挖过程中随挖随撑。

Part 02 地质条件

东兴区间竖井位于西安市兴庆宫公园内,距兴庆湖28.6m。拟建场地地形总体平坦，地面高程为411.000～409.920m，地貌单元为黄土洼。

兴庆湖属于人工湖，湖水面积约150亩（1亩≈666.667㎡），湖底为天然土，未做防渗处理，湖水平均深度为1.6m，最大深度为3m，湖底淤积层厚0.5～1.0m，实测湖水面现标高为408.300m，湖水与地下水相互影响，蓄水50余年来湖水已造成周边一定范围地下水水位抬升，实测地下水位为1.0～10.5m。含水层为黄土、古土壤及粉质黏土。钻探揭露的场地地下水属潜水类型，潜水主要为西北流向，主要由兴庆湖、大气降水等地表水渗入及地下径流补给，潜水排泄的主要方式为地下径流、人工开采及蒸发消耗。

在勘探深度（地面下60.0m）内，上层的上更新统地层透水性较好，赋水性较强，层厚3.00～10.20m；下层中更新统地层层厚大于50.0m，透水性与赋水性一般。除此以外，在上更新统古土壤底还存在结核层，有较明显的隔水作用。

Part 03 支撑轴力监测

采用钢筋应力计测量第1道混凝土支撑轴力，采用表面应变计监测其余5道钢支撑轴力。钢筋应力计和应变计的测点与围护墙变形测点在同一断面处，同一断面竖向支撑均设测点，监测频率如表1所示。

在每道钢支撑表面安装表面应变计，钢支撑因受到外力作用产生形变，形变传递到振弦使振弦应力发生变化，从而引起振弦的振动频率发生变化，进而计算得到钢支撑轴向受力。计算公式为：

式中：F为支撑轴力(kN)，计算结果精确至1kN；fi为应变计的第i次读数(Hz)；f0为应变计的初始读数(Hz)；K为应变计的标定系数(kN/Hz²)。

Part 4 支撑轴力预分析

4.1有限元模型建立

采用有限元软件ABAQUS建立基坑三维模型，模拟开挖及支护过程。假定基坑周围土体各向均匀且同性，为理想弹塑性材料。为简化模拟过程，不考虑基坑施工工艺影响。

结合本工程已有的勘察资料及现场实际情况，采用Mohr-Coulomb本构模型。根据影响范围及土质条件建立几何模型，结合东兴区间竖井深基坑周围环境，确定最终模型尺寸为50m×26.7m×60m，共包含9227个结点，7328个单元，模型如图3所示，分别约束土体前后两面y方向位移，左、右两面x方向位移，底面z方向位移。各土层及支撑物理力学参数如表2所示。对该基坑开挖及支撑施作进行动态数值模拟，共设置14个分析步（见表3）。

4.2数值模拟结果分析

最大支撑轴力变化曲线如图4所示。当下层钢支撑产生作用时，上层钢支撑的轴力增速变小，这是由于支护结构共同作用，下层钢支撑分担一部分上层钢支撑的压力。由图4可知，第2道钢支撑在第3道钢支撑施加前轴力不断增大，随着第3道钢支撑施工完成，第1道钢支撑轴力增量大幅度减小，第2道钢支撑轴力仍在增加;第3道钢支撑轴力在第4道钢支撑产生作用后增长幅度变缓，且GZC-4处存在突降，最后趋于平缓；第4道钢支撑轴力在第5道钢支撑产生作用后增长幅度减小。

Part 5 现场支撑轴力监测数据分析

本文选取每道钢支撑中边缘钢支撑GZC-1和中间钢支撑GZC-4这两处有代表性的钢支撑（见图2），监测并统计其现场轴力，分析其在基坑施工过程中轴力的变化情况。现场最大支撑轴力变化曲线如图5所示。

从现场实测数据曲线可以看出，随着第3层土方开挖完成，第1道钢支撑轴力有一定增长；随着第4层土方开挖完成，第2道钢支撑轴力开始增长，而第1道钢支撑轴力变化不明显；在第5层土方开挖后，第3道钢支撑轴力增长明显，且达到最大值，第2道钢支撑轴力有一定增加；第6层土方开挖后，第4道钢支撑轴力开始增加，第3道钢支撑轴力逐渐减小趋于稳定；随着开挖深度的加大，钢支撑轴力不断加大，开挖至坑底后，钢支撑轴力趋于稳定。

GZC-1和GZC-4处5道钢支撑最大支撑轴力实测值与数值模拟值对比如图6所示，可看出基坑开挖过程中钢支撑轴力与模拟值变化趋势一致，部分存在偏差，经分析，偏差与数值模拟前对模型所做的假设有关，模拟无法考虑施工过程中施工机械及周围环境，故使实测结果和模拟结果存在一定偏差。此外，基坑开挖过程中钢支撑轴力存在突变甚至远超过模拟值，结合现场施工情况分析主要有以下原因。

1)该基坑紧邻兴庆湖，湖水与地下水紧密联系，又处于饱和软黄土核心地区，地下连续墙随开挖深度的增加受到的主动土压力增长幅度大，地下连续墙将该力传递到钢支撑，导致钢支撑轴力大幅度增加。

2)应变计安装过程中存在施工误差，应变计活络端偏心，不能与冠梁侧面紧密贴合，在实际施工中有一处应变计因此破坏，导致轴力监测存在一定误差。

3)钢支撑预加轴力过大，支护结构未有效共同作用，导致测得的钢支撑轴力偏大。

Part 6 结语

本文通过数值模拟和现场监测研究西安地铁6号线东关正街站—兴庆路站区间竖井深基坑组合支撑轴力，分析了深基坑施工过程中支撑轴力的动态变化趋势及轴力异常的原因，主要得到以下结论及建议。

1)基坑开挖初期，钢支撑轴力增长迅速，随着基坑开挖的完成，钢支撑的轴力逐渐趋于稳定，钢支撑对土体变形及整个基坑的稳定起到了显著作用。

2)文中的监测方法及计算结果反映了轴力的变化趋势，合乎规律，为基坑安全施工和设计提供了科学依据。

3)针对深厚饱和软黄土地区，形状规则的深基坑，建议采用混凝土支撑 钢支撑组合支护体系，另外采用钢冠梁能增加整体稳定性。

4)应变计安装过程必须和钢支撑轴线在一条直线上，各接触面平整，确保钢支撑受力状态通过应变计正常传递到支护结构上。

5)钢支撑预加轴力应合理，使钢支撑﹑钢冠梁以及地下连续墙之间接触无缝隙共同受力。

全文刊登于《施工技术》2021年第4期

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