车站共墙基坑拆撑回筑结构体系受力变形特性

秦善良，王 升，刘清伟，孙梦尧，陈保国

（1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610081；2.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉 430074）

相邻深基坑非对称施工时，其围护结构受力变形特性较独立基坑更复杂［1-3］。目前相邻深基坑施工多采用桩、墙+水平支撑体系，而此类工程施工时两基坑之间力的传递更为直接，对临近基坑的受力状态响应更大［4］，临近基坑的卸荷作用会导致已施工的内支撑轴力骤减，无法准确通过轴力数据判断围护结构的工作状态［5］，需要结合围护结构整体变形情况及受力状态进行综合分析［6-7］，这就对施工过程中的工序安排、内力位移监测及变形控制措施等提出了更高的要求［8-9］。

近年来，有许多学者在基坑群相互影响方面进行了研究。赵彤［10］以天津市某大型基坑群为例，基于工期、造价、场地布置等指标，对基坑群不同的分区开挖方案进行了方案优选，提出了一套基坑群施工方案的评估方法。袁顺德等［11］等通过对基坑群不同间距、不同开挖顺序和土体加固措施的数值模拟，探讨了基坑群开挖过程中围护结构变形的控制措施。陈湘桂等［12］运用有限元模拟对连续基坑群不同开挖顺序的影响效应问题进行了数值分析。郭力群等［13］通过模拟连排基坑群开挖，对土体沉降、围护结构受力进行了分析，并探讨了基坑间距对上述指标的影响。胡敏云等［14］通过分析软土地层相邻基坑在交叉施工条件下相邻区域围护结构内力的监测数据，明确了围护结构受临近基坑开挖施工影响受力变形的发展特点。杨其润等［15］通过数值模拟对比分析了单基坑与多基坑开挖在受力变形特性上的差异，得出了相邻基坑的相互作用机理。

基坑回筑过程中往往需要进行内支撑拆除工作，拆撑过程会改变开挖结束时的受力平衡状态，在拆除位置会形成荷载失衡［16］。相比基坑开挖时的土体卸荷，拆撑引起的荷载失衡发生得更突然，产生的失衡荷载更集中，对结构稳定性造成巨大威胁。因此合理安排回筑拆撑工序，及时采取控制措施对保证工程安全至关重要。本文基于前海站车站深基坑工程，对共墙深基坑回筑施工进行模拟分析，研究其结构受力及位移变化规律，以期为同类工程提供参考依据。

1 工程问题分析

1.1 工程概况

穗莞深城际轨道交通前海站二期工程基坑（以下简称S2）长度为300 m，车站标准段宽度为27.7 m，折返线区域宽度为31.78～34.35m。基坑采用明挖法施工，普遍开挖深度为29 m，围护结构为地下连续墙，并设有六道钢筋混凝土内支撑。

前海站东侧紧邻前海国际T3建筑基坑，T3地块基坑尺寸为120 m×93 m，开挖深度28 m，围护结构采用地下连续墙，设有6道钢筋混凝土环撑。

两基坑共用围护结构120 m，第四道及第六道内支撑中心线高差分别为500、910 mm，其余内支撑中心线均处于同一高程。两基坑位置及围护结构示意如图1、2所示。

图1 基坑位置平面

图2 基坑围护结构mm

1.2 地质条件

车站范围内上覆第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系全新统海陆交互相沉积层（Q4mc）、冲洪积层（Q3al+pl）、残积层（Qel），下伏基岩为加里东期花岗（Mγ3），全～微风化，岩层风化不均，岩面起伏较大。自上而下地层依次为杂填土、素填土、人工填块石、淤泥质黏土、粉质黏土、中粗砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩，车站底板位于全、强、中风化花岗岩地层中。

结合勘探成果及室内试验，各地层具体物理力学参数如表1所示。

表1 各地层物理力学参数

1.3 回筑方案及问题分析

车站主体为框架结构，除顶板外其他中板均位于地面高程以下。结构横梁采用多规格的型钢混凝土梁及钢筋混凝土梁穿插布置，结构外墙厚度为1.5 m，与围护结构间隔为0.3 m，使用素混凝土填充。主体结构简图如图3所示。

图3 主体结构简图mm

目前T3建筑基坑已完成第六道内支撑的施工，进行底部开挖；S2车站基坑对应区段已开挖结束并完成底板浇筑，准备进行回筑工作。回筑工况安排如表2所示。

表2 回筑工序

S2基坑在拆处第六、第五道支撑时，主体结构地下三层尚未施工完成，无法形成有效的框架结构来平衡外部荷载，失衡部分荷载经过围护结构重分布作用于其他内支撑上，会导致剩余内支撑轴力急剧增加，有压缩变形过大导致结构失稳的风险。且共墙侧的失衡荷载为集中荷载，直接作用于围护结构上，使对应位置处的墙体变形增大，甚至有破坏的风险。因此拆撑过程应合理安排工序，保证结构安全。

2 数值模型建立

数值模型根据设计尺寸1∶1建立，基坑外围取120 m影响边界（4倍开挖深度）。模型顶部设置为自由边界，底部设置为固定边界，其余面约束法向位移。

模拟时岩土体选择摩尔—库伦本构模型，围护结构与主体结构选择弹性本构模型。岩土体及墙体选用实体单元模拟，内支撑及结构梁选用结构单元。各结构参数如表3所示。

表3 结构参数

现场施工之前已进行过降水排水措施，地下连续墙兼作止水帷幕，因此数值模拟中不考虑流固耦合问题。

3 模拟结果分析

3.1 围护结构

3.1.1 围护结构弯矩

S2基坑西侧（非共墙）地连墙弯矩分布规律呈反S型，基坑底板以上为正弯矩，底板以下为负弯矩（图4）。内支撑拆除过程，会引起对应墙体正弯矩增长；而墙体下部受底板的支点作用，其负弯矩也会出现增长，在拆除第六道内支撑后较为明显。整个内支撑拆除过程中，西侧墙体最大正弯矩为1 190 kN·m，最大负弯矩为-704.8 kN·m，均出现在第三道内支撑拆除后。

图4 S2西侧围护结构弯矩

东侧围护结构弯矩的分布规律如图5所示，其变化规律与西侧有较大区别。其原因是东侧地连墙为两基坑共用，除了第四道、第六道支撑外，两侧内支撑轴心高度基本一致，两侧内支撑传递的荷载达到平衡状态，因此地连墙内产生的最大弯矩数值较小。拆撑过程类似于连续梁拆除支点过程，一侧支点拆除后相当于在另一侧增加了一个集中力，因此东侧地连墙的弯矩变化量较为明显。拆撑过程中最大正弯矩为111 kN·m，出现在第四道内支撑拆除后；最大负弯矩为-249 kN·m，出现在第六道支撑拆除后。

图5 S2东侧围护结构弯矩（共墙侧）

3.1.2 围护结构水平位移

西侧围护结构水平位移变化规律如图6所示，开挖结束时，S2基坑西侧围护结构最大位移为49.9 mm，最大位移点位于距离墙顶17 m附近。回筑结束后，最大位移为53.6 mm，增加了7.4%，最大位移出现在墙顶以下19 m处。

图6 S2西侧围护结构水平位移分布规律

西侧围护结构水平位移增量如图7所示。拆撑过程中，被拆内支撑对应位置均有位移增量。其中，拆除第三道、第五道支撑时产生的增量最多，分别增加了1.76、1.66 mm。拆除第六道支撑时，底板以下位置出现的负弯矩增量导致地连墙底部位移出现了反方向增量，但增量较小，仅为0.6 mm。拆除第一道、第二道支撑时，墙顶位移相应增长，分别增加了1.1、0.62 mm。

图7 S2西侧围护结构水平位移增量

东侧地连墙拆撑时位移变化规律与西侧连续墙存在较大差异（图8）。东侧地连墙（共墙）在开挖结束时，最大位移出现在墙顶，最大值为12.88 mm，墙体向T3基坑侧倾斜。这是因为T3基坑采用环梁支撑，相比S2基坑的钢筋混凝土梁支撑形式其刚度较小，因此共用的围护结构向T3侧倾斜。S2拆撑过程中，支撑梁作用于地连墙上的集中力得到释放，向T3基坑侧的位移逐渐恢复。开挖结束后，东侧地连墙的最大位移恢复到10.8mm，减少了16%。

图8 S2东侧围护结构水平位移分布规律（共墙侧）

东侧地连墙拆撑时位移增量如图9所示，其中拆除第三道、第五道支撑时产生的位移变化最大，拆撑位置墙体位移分别减小了1.56、1.39 mm。拆除第六道支撑时基坑底板以下墙体同样出现了反向位移增量，墙体位移增加了0.66 mm。两基坑内支撑轴心高度不一致的第四道、第六道支撑在拆除后，尽管对应位置的墙体位移有所增加，但增加幅度较小，不会对结构稳定性造成影响。

图9 S2东侧围护结构水平位移增量（共墙侧）

3.1.3 内支撑轴力

S2内支撑最大轴力变化如图10所示。拆撑会引起相邻内支撑的内力急剧增加，其中拆除第五道、第三道内支撑导致的增量最大，内支撑4及内支撑2的轴力值分别增长了2 469、2 451 kN，增长幅度达到了46.2%、30.4%。在实际施工进行该工况时，应密切关注轴力监测值，防止短时间内内支撑压缩变形过大导致结构失稳。

图10 S2内支撑最大轴力变化

拆除第四道内支撑后，第三道内支撑的轴力值增长了19%，后续及时增设了临时钢支撑，因此第三道内支撑轴力略微有所减小。钢支撑的轴力值在拆除第三道支撑时出现了较大增长，增加了1 330 kN，同时第二道内支撑轴力也增长了2 451 kN。若不增加临时钢支撑，则拆除第三道内支撑带来的荷载增量将全部由第二道内支撑承担，极有可能超过其荷载承受值，造成压缩破坏。

3.2 主体结构外墙位移

S2基坑主体结构西侧外墙整体位移规律（图11）与西侧地连墙较为相似，表现为两头小，中间大。墙体最大位移出现位置在地面高程以下15 m处，最大位移为10.57 mm。

图11 S2主体西侧外墙位移

主体结构东侧外墙整体位移规律（图12）与共墙侧地连墙较为相似，墙身位移呈悬臂型。最大位移出现在墙顶处，位移值为5.74 mm。主体两侧外墙位移均较小，主体结构整体稳定性较好。

图12 S2主体东侧外墙位移

3.3 周边地表沉降

S2西侧地表沉降如图13所示，S2西侧地表沉降增量如图14所示。拆撑过程会导致围护结构水平位移增加，而周边地表沉降与围护结构位移呈正相关，因此每一次拆撑都会引起坑外土体沉降增加。坑外土体沉降主要发生在基坑开挖阶段，在回筑阶段沉降量变化较小，整个拆撑过程共造成了3 mm的沉降增量，增长了18.9%。

图13 S2西侧地表沉降

图14 S2西侧地表沉降增量

4 结 论

（1）拆撑会导致基坑围护结构受力状态及位移变形均发生变化。西侧地连墙（非共墙）弯矩整体分布规律变化较小，墙身位移随支撑拆除逐渐增大，最大位移值增加了7.4%；东侧地连墙（共墙）受临近基坑支撑的影响，墙体弯矩极值和极值位置均有较大变化，墙身位移随支撑拆除逐渐减小，最大位移值减小了16%。

（2）拆撑后相邻内支撑轴力会急剧上升。其中第二道、第四道内支撑轴力分别增加了30.4%、46.2%。在跨度较大的内支撑之间增加临时钢支撑可有效分担拆撑产生的荷载增量，保证临近内支撑的结构安全。

（3）拆撑会对周边环境产生影响。随着内支撑的拆除，基坑外土体沉降逐渐增加。拆撑结束后，坑外土体最大沉降值增加了18.9%。

（4）回筑过程中，主体结构的位移变形规律与相邻围护结构基本一致，位移变形数值较小。其中，主体结构西侧外墙的最大位移为10.57mm；东侧外墙最大位移为5.74 mm，主体结构整体稳定。