車站共墻基坑拆撐回筑結構體系受力變形特性

秦善良，王 升，劉清偉，孫夢堯，陳保國

（1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081；2.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北武漢 430074）

相鄰深基坑非對稱施工時，其圍護結構受力變形特性較獨立基坑更復雜［1-3］。目前相鄰深基坑施工多采用樁、墻+水平支撐體系，而此類工程施工時兩基坑之間力的傳遞更為直接，對臨近基坑的受力狀態響應更大［4］，臨近基坑的卸荷作用會導致已施工的內支撐軸力驟減，無法準確通過軸力數據判斷圍護結構的工作狀態［5］，需要結合圍護結構整體變形情況及受力狀態進行綜合分析［6-7］，這就對施工過程中的工序安排、內力位移監測及變形控制措施等提出了更高的要求［8-9］。

近年來，有許多學者在基坑群相互影響方面進行了研究。趙彤［10］以天津市某大型基坑群為例，基于工期、造價、場地布置等指標，對基坑群不同的分區開挖方案進行了方案優選，提出了一套基坑群施工方案的評估方法。袁順德等［11］等通過對基坑群不同間距、不同開挖順序和土體加固措施的數值模擬，探討了基坑群開挖過程中圍護結構變形的控制措施。陳湘桂等［12］運用有限元模擬對連續基坑群不同開挖順序的影響效應問題進行了數值分析。郭力群等［13］通過模擬連排基坑群開挖，對土體沉降、圍護結構受力進行了分析，并探討了基坑間距對上述指標的影響。胡敏云等［14］通過分析軟土地層相鄰基坑在交叉施工條件下相鄰區域圍護結構內力的監測數據，明確了圍護結構受臨近基坑開挖施工影響受力變形的發展特點。楊其潤等［15］通過數值模擬對比分析了單基坑與多基坑開挖在受力變形特性上的差異，得出了相鄰基坑的相互作用機理。

基坑回筑過程中往往需要進行內支撐拆除工作，拆撐過程會改變開挖結束時的受力平衡狀態，在拆除位置會形成荷載失衡［16］。相比基坑開挖時的土體卸荷，拆撐引起的荷載失衡發生得更突然，產生的失衡荷載更集中，對結構穩定性造成巨大威脅。因此合理安排回筑拆撐工序，及時采取控制措施對保證工程安全至關重要。本文基于前海站車站深基坑工程，對共墻深基坑回筑施工進行模擬分析，研究其結構受力及位移變化規律，以期為同類工程提供參考依據。

1 工程問題分析

1.1 工程概況

穗莞深城際軌道交通前海站二期工程基坑（以下簡稱S2）長度為300 m，車站標準段寬度為27.7 m，折返線區域寬度為31.78～34.35m?；硬捎妹魍诜ㄊ┕?，普遍開挖深度為29 m，圍護結構為地下連續墻，并設有六道鋼筋混凝土內支撐。

前海站東側緊鄰前海國際T3建筑基坑，T3地塊基坑尺寸為120 m×93 m，開挖深度28 m，圍護結構采用地下連續墻，設有6道鋼筋混凝土環撐。

兩基坑共用圍護結構120 m，第四道及第六道內支撐中心線高差分別為500、910 mm，其余內支撐中心線均處于同一高程。兩基坑位置及圍護結構示意如圖1、2所示。

圖1 基坑位置平面

圖2 基坑圍護結構mm

1.2 地質條件

車站范圍內上覆第四系全新統人工填土層（Q4ml）、第四系全新統海陸交互相沉積層（Q4mc）、沖洪積層（Q3al+pl）、殘積層（Qel），下伏基巖為加里東期花崗（Mγ3），全～微風化，巖層風化不均，巖面起伏較大。自上而下地層依次為雜填土、素填土、人工填塊石、淤泥質黏土、粉質黏土、中粗砂、全風化花崗巖、強風化花崗巖，車站底板位于全、強、中風化花崗巖地層中。

結合勘探成果及室內試驗，各地層具體物理力學參數如表1所示。

表1 各地層物理力學參數

1.3 回筑方案及問題分析

車站主體為框架結構，除頂板外其他中板均位于地面高程以下。結構橫梁采用多規格的型鋼混凝土梁及鋼筋混凝土梁穿插布置，結構外墻厚度為1.5 m，與圍護結構間隔為0.3 m，使用素混凝土填充。主體結構簡圖如圖3所示。

圖3 主體結構簡圖mm

目前T3建筑基坑已完成第六道內支撐的施工，進行底部開挖；S2車站基坑對應區段已開挖結束并完成底板澆筑，準備進行回筑工作?；刂r安排如表2所示。

表2 回筑工序

S2基坑在拆處第六、第五道支撐時，主體結構地下三層尚未施工完成，無法形成有效的框架結構來平衡外部荷載，失衡部分荷載經過圍護結構重分布作用于其他內支撐上，會導致剩余內支撐軸力急劇增加，有壓縮變形過大導致結構失穩的風險。且共墻側的失衡荷載為集中荷載，直接作用于圍護結構上，使對應位置處的墻體變形增大，甚至有破壞的風險。因此拆撐過程應合理安排工序，保證結構安全。

2 數值模型建立

數值模型根據設計尺寸1∶1建立，基坑外圍取120 m影響邊界（4倍開挖深度）。模型頂部設置為自由邊界，底部設置為固定邊界，其余面約束法向位移。

模擬時巖土體選擇摩爾—庫倫本構模型，圍護結構與主體結構選擇彈性本構模型。巖土體及墻體選用實體單元模擬，內支撐及結構梁選用結構單元。各結構參數如表3所示。

表3 結構參數

現場施工之前已進行過降水排水措施，地下連續墻兼作止水帷幕，因此數值模擬中不考慮流固耦合問題。

3 模擬結果分析

3.1 圍護結構

3.1.1 圍護結構彎矩

S2基坑西側（非共墻）地連墻彎矩分布規律呈反S型，基坑底板以上為正彎矩，底板以下為負彎矩（圖4）。內支撐拆除過程，會引起對應墻體正彎矩增長；而墻體下部受底板的支點作用，其負彎矩也會出現增長，在拆除第六道內支撐后較為明顯。整個內支撐拆除過程中，西側墻體最大正彎矩為1 190 kN·m，最大負彎矩為-704.8 kN·m，均出現在第三道內支撐拆除后。

圖4 S2西側圍護結構彎矩

東側圍護結構彎矩的分布規律如圖5所示，其變化規律與西側有較大區別。其原因是東側地連墻為兩基坑共用，除了第四道、第六道支撐外，兩側內支撐軸心高度基本一致，兩側內支撐傳遞的荷載達到平衡狀態，因此地連墻內產生的最大彎矩數值較小。拆撐過程類似于連續梁拆除支點過程，一側支點拆除后相當于在另一側增加了一個集中力，因此東側地連墻的彎矩變化量較為明顯。拆撐過程中最大正彎矩為111 kN·m，出現在第四道內支撐拆除后；最大負彎矩為-249 kN·m，出現在第六道支撐拆除后。

圖5 S2東側圍護結構彎矩（共墻側）

3.1.2 圍護結構水平位移

西側圍護結構水平位移變化規律如圖6所示，開挖結束時，S2基坑西側圍護結構最大位移為49.9 mm，最大位移點位于距離墻頂17 m附近?；刂Y束后，最大位移為53.6 mm，增加了7.4%，最大位移出現在墻頂以下19 m處。

圖6 S2西側圍護結構水平位移分布規律

西側圍護結構水平位移增量如圖7所示。拆撐過程中，被拆內支撐對應位置均有位移增量。其中，拆除第三道、第五道支撐時產生的增量最多，分別增加了1.76、1.66 mm。拆除第六道支撐時，底板以下位置出現的負彎矩增量導致地連墻底部位移出現了反方向增量，但增量較小，僅為0.6 mm。拆除第一道、第二道支撐時，墻頂位移相應增長，分別增加了1.1、0.62 mm。

圖7 S2西側圍護結構水平位移增量

東側地連墻拆撐時位移變化規律與西側連續墻存在較大差異（圖8）。東側地連墻（共墻）在開挖結束時，最大位移出現在墻頂，最大值為12.88 mm，墻體向T3基坑側傾斜。這是因為T3基坑采用環梁支撐，相比S2基坑的鋼筋混凝土梁支撐形式其剛度較小，因此共用的圍護結構向T3側傾斜。S2拆撐過程中，支撐梁作用于地連墻上的集中力得到釋放，向T3基坑側的位移逐漸恢復。開挖結束后，東側地連墻的最大位移恢復到10.8mm，減少了16%。

圖8 S2東側圍護結構水平位移分布規律（共墻側）

東側地連墻拆撐時位移增量如圖9所示，其中拆除第三道、第五道支撐時產生的位移變化最大，拆撐位置墻體位移分別減小了1.56、1.39 mm。拆除第六道支撐時基坑底板以下墻體同樣出現了反向位移增量，墻體位移增加了0.66 mm。兩基坑內支撐軸心高度不一致的第四道、第六道支撐在拆除后，盡管對應位置的墻體位移有所增加，但增加幅度較小，不會對結構穩定性造成影響。

圖9 S2東側圍護結構水平位移增量（共墻側）

3.1.3 內支撐軸力

S2內支撐最大軸力變化如圖10所示。拆撐會引起相鄰內支撐的內力急劇增加，其中拆除第五道、第三道內支撐導致的增量最大，內支撐4及內支撐2的軸力值分別增長了2 469、2 451 kN，增長幅度達到了46.2%、30.4%。在實際施工進行該工況時，應密切關注軸力監測值，防止短時間內內支撐壓縮變形過大導致結構失穩。

圖10 S2內支撐最大軸力變化

拆除第四道內支撐后，第三道內支撐的軸力值增長了19%，后續及時增設了臨時鋼支撐，因此第三道內支撐軸力略微有所減小。鋼支撐的軸力值在拆除第三道支撐時出現了較大增長，增加了1 330 kN，同時第二道內支撐軸力也增長了2 451 kN。若不增加臨時鋼支撐，則拆除第三道內支撐帶來的荷載增量將全部由第二道內支撐承擔，極有可能超過其荷載承受值，造成壓縮破壞。

3.2 主體結構外墻位移

S2基坑主體結構西側外墻整體位移規律（圖11）與西側地連墻較為相似，表現為兩頭小，中間大。墻體最大位移出現位置在地面高程以下15 m處，最大位移為10.57 mm。

圖11 S2主體西側外墻位移

主體結構東側外墻整體位移規律（圖12）與共墻側地連墻較為相似，墻身位移呈懸臂型。最大位移出現在墻頂處，位移值為5.74 mm。主體兩側外墻位移均較小，主體結構整體穩定性較好。

圖12 S2主體東側外墻位移

3.3 周邊地表沉降

S2西側地表沉降如圖13所示，S2西側地表沉降增量如圖14所示。拆撐過程會導致圍護結構水平位移增加，而周邊地表沉降與圍護結構位移呈正相關，因此每一次拆撐都會引起坑外土體沉降增加?？油馔馏w沉降主要發生在基坑開挖階段，在回筑階段沉降量變化較小，整個拆撐過程共造成了3 mm的沉降增量，增長了18.9%。

圖13 S2西側地表沉降

圖14 S2西側地表沉降增量

4 結 論

（1）拆撐會導致基坑圍護結構受力狀態及位移變形均發生變化。西側地連墻（非共墻）彎矩整體分布規律變化較小，墻身位移隨支撐拆除逐漸增大，最大位移值增加了7.4%；東側地連墻（共墻）受臨近基坑支撐的影響，墻體彎矩極值和極值位置均有較大變化，墻身位移隨支撐拆除逐漸減小，最大位移值減小了16%。

（2）拆撐后相鄰內支撐軸力會急劇上升。其中第二道、第四道內支撐軸力分別增加了30.4%、46.2%。在跨度較大的內支撐之間增加臨時鋼支撐可有效分擔拆撐產生的荷載增量，保證臨近內支撐的結構安全。

（3）拆撐會對周邊環境產生影響。隨著內支撐的拆除，基坑外土體沉降逐漸增加。拆撐結束后，坑外土體最大沉降值增加了18.9%。

（4）回筑過程中，主體結構的位移變形規律與相鄰圍護結構基本一致，位移變形數值較小。其中，主體結構西側外墻的最大位移為10.57mm；東側外墻最大位移為5.74 mm，主體結構整體穩定。