地铁车站异形基坑内角撑优化分析

王小刚， 马凝宇， 郭岳雷， 郭 伟

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610213； 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

随着社会的快速发展，提高城市地下空间利用率得到越来越大的重视。在实际工程中，为达到主体的结构功能需求，并防止对周边建筑物的沉降产生影响。往往会选用形状不规则的异形基坑。相对于常见的矩形基坑，为满足异形基坑稳定性的设计要求，对内支撑体系的选型和施工工艺都提出了更高的要求[1-3]。

在基坑工程建设中，角撑因其结构型式简单，可灵活布置施工，节省工期，因而在基坑工程中得到了大量的运用。种正江等[4]采用环形支撑的设计方案，结合实测数据，研究了环形支撑在软土层异形深基坑中的作用。成守泽[5]对圆撑和角撑2种支撑体系下的基坑开挖过程进行了对比计算，分析了两者在实际施工时的利弊。路康康[6]采用在基坑拐角圈梁处加角撑，达到基坑结构受力合理及减小变形的作用。但对异形基坑工程中角撑选用的分析研究较少。本文以洛阳市区内某深大异形基坑工程为背景，研究不同支护形式的角撑对基坑异形区受力产生的影响，得出适合于异形深基坑的角撑布置方法，具有较高的实用价值。

1 模型建立

1.1 模型建立

首先利用CAD绘制二维基坑模型，基坑长度为447m，两侧宽度分别为23.3m、32.3m，基坑深度为16m。其中，基坑模型右侧部分为异形区域呈“三角”形状，基坑右上角点向外凸起.。将绘制好的基坑模型导入有限元分析软件中，根据已有研究，基坑施工垂直影响范围大约是2～3倍挖深。同时为解决边界效应，并保证计算方便、准确，土体模型尺寸设定为600m×150m×40m。之后通过，扩展、复制移动等功能形成三维实体图形。最后对各类区域进行实体网格划分，模型如图1所示。

图1 基坑模型

1.2 支护结构

1.2.1 支护结构介绍

基坑采用灌注桩作为围护结构，共设3道内支撑，第1道为混凝土支撑设置于基坑表面，第2道、第3道为钢支撑分别布设在深度6.6m、11.6m处。每次开挖完成后依次布置3道内支撑。支护结构的参数如表1所示。

表1 支护结构参数

1.2.2 支护工况分类

内支撑主要由横撑、角撑、围檩构成，为了保证基坑结构的稳定性需对角撑支护间距的取值进行相关研究。参照现有的角撑支护间距一般为2m左右[7]，本文根据异性区内角撑分布间距的不同，模拟6类不同工况，为了比较不同参数条件下同一位置角撑的受力，本文约定以异形区中间位置角撑为参照标准，由此向两侧均匀布置下一节角撑，构建了不同的基坑模型，各工况如表2所示。

表2 不同布置间距

当角撑间距为2m时，异形区支撑布置如图2所示。本文主要研究施工完成后，第2层内支撑异形性区产生的影响。之后根据有限元分析的结果，进而比选出最佳布置方案，并对类似工况提出施工建议。

图2 角撑布置

1.3 土层参数

基坑分3次开挖，分别开挖6.6m、5m、4.4m。土层从上到下分别为粉质黏土、细沙、卵石土。土层参数详见表3。

表3 土层参数

1.4 本构模型

基坑模型采用莫尔—库伦模型，莫尔—库伦模型适用范围广[8]，可应用于对地基的实际承载能力的非线性分析计算，且结果比较可靠。划分的土体单元为3D实体单元，地下连续墙为2D板单元，横撑、围檩、角撑、立柱、抗拔桩单元为1D梁单元，单元类型见表4。

表4 单元类型

1.5 施工过程控制

模型建立后，为有效还原基坑开挖过程中围护结构的变形情况，采用动态模拟施工步骤，具体施工步骤：

(1)进行初始渗流场分析。

(2)进行初始应力场分析，施加自重，并进行位移清零。

(3)模拟施加地连墙、格构柱、止水帷幕。

(4)开挖第1层基坑，架设第1道混凝土支撑及围檩。

(5)开挖第2层基坑，架设第2道钢支撑及围檩。

(6)模拟进行基坑第1次降水及降水变形。

(7)开挖第3层基坑，架设第3道钢支撑、围檩及抗拔桩。

2 计算结果分析

2.1 角撑间距的影响分析

2.1.1 角撑间距对异形区腰梁水平位移的影响

异形区腰梁水平位移会对基坑稳定性造成影响，现以第2层钢支撑的右侧异形区域腰梁为研究对象，计算腰梁在距离基坑角点1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m位置处的水平位移，见表5，并绘制腰梁水平位移，如图3所示。

表5 腰梁水平位移 单位:mm

图3 腰梁水平位移

由图3可以清晰地看出，距基坑角点从1m增加到7m的过程中，角撑对异形区腰梁水平位移的约束作用逐渐减弱，且衰减速率整体呈增大趋势。以第一类工况为例，从距基坑角点3m处起每个位置比上一位置水平位移分别减小10.22%、13.53%、37.65%。

距基坑角点1～3m的区间内，各工况水平位移变化量非常小，说明在此区间内角撑间距对腰梁水平位移没有太大的影响。距基坑角点3～7m的区间内，异形区腰梁水平位移由正转负值，且逐渐增大。距基坑角点7m处，每一类工况比下一类工况水平位移分别增大15.28%、13.6%、18.52%、22.22%、32.41%，由此可知变化幅度逐渐增大。

综上，考虑到结构的安全性及施工的经济性，角撑间距控制在2～3m之间是合适的。

2.1.2 角撑间距对角撑轴力的影响

除了腰梁位移，角撑轴力也会影响基坑的受力状态，故以异形区中间角撑作为研究对象，绘制在各类工况下角撑所受最大轴力的关系，见图4。

图4 角撑最大轴力

由图4可知，随着角撑间距的增大，角撑中最大轴力逐渐减小，角撑间距从1m增加到3.5m的过程中，中间角撑最大轴力依次减小4.69%、12.88%、18.56%、24.08%、39.79%。当角撑间距增大时，角撑数量减小，相应的角撑所承受的最大轴力随之增大。因为异形区空间有限，所以不能忽略由角撑数量不同而产生的影响，计算结果偏大。但有限元模拟的变化趋势符合实际情况，随着角撑间距的增加，角撑最大轴力增加的趋势越显著。因此，适当增加角撑间距，能有效改善异形区角撑的最大轴力。

综上，考虑增大趋势，异形区角撑间距控制在2～2.5m是合适的。

2.2 角撑刚度的影响分析

2.2.1 角撑刚度对角撑水平位移的影响

除上述角撑间距外，角撑刚度的选择对于基坑支护也是非常重要的影响因素，需要谨慎的选择。由前文所述，角撑间距控制在2～2.5m是合适的，因此，这里取异形区角撑间距为2m进行分析。

假设前文角撑刚度为K，通过改变异形区角撑的横截面积进行分析，下设6类工况，如表6所示。

表6 折算刚度

通过有限元软件对上述6种不同的工况进行有限元模拟分析。得到6类不同工况下，异形区角撑在1/10跨、1/4跨、2/5跨、1/2跨位置处的水平位移，如图5所示。

图5 角撑水平位移

由图5可知，随着角撑刚度的增加，异形区角撑水平位移的减小幅度逐渐放缓，以角撑1/10跨处为例，每一工况的水平位移比上一工况分别减小31.63%、24.21%、24.31%、12.69%、7.17%。

同时可以看出，异形区角撑越靠近跨中位置水平位移越小。并且随着折算刚度的增加，水平位移减小趋势逐渐放缓。因此从经济性和安全性的角度考虑，异形区角撑横截面积采用600mm×600mm～700mm×700mm是合适的。

2.2.2 角撑刚度对腰梁弯矩的影响

角撑的弯矩影响着基坑的稳定性，过大的弯矩会使支护变形，甚至导致基坑失稳。因此合理设置角撑，控制弯矩的大小尤为重要。图6为角撑间距为2m时6类不同角撑刚度情况下，异形区腰梁最大弯矩图。

图6 腰梁弯矩

由图6可以看出，腰梁上的3个不同位置处，随着角撑刚度增加腰梁所受弯矩均呈线性减小的趋势，且距离基坑角点越远处，减小幅度更为迅速。异形区腰梁上距基坑角点8m处，每一工况比上一工况分别减小了39.08%、27.72%、21.32%、9.62%、2.26%。异形区腰梁上距基坑角点6m处，每一工况比上一工况分别减小了20.16%、24.89%、18.14%、20.42%、16.39%。异形区腰梁上距基坑角点4m处，每一工况比上一工况分别减小了33.44%、25.28%、18.60%、13.40%、9.28%。由此可见，角撑横截面积从400mm×400mm增加到700mm×700mm的过程中，异形区腰梁所受弯矩值变化幅值很大，平均占到弯矩总变化幅度的80%左右。

因此，改变角撑刚度，对异形区腰梁的弯矩值影响非常大。为有效的控制腰梁的弯曲变形，使腰梁更加稳固，减小基坑开挖的危险性。同时确保经济效益，角撑横截面积取600mm×600mm至700mm×700mm。

3 结论

针对城市内异形基坑支护布置的问题，本文对深基坑支护中角撑间距及角撑刚度的影响进行了分析，所得结论：

(1)随着距基坑角点距离的增加，异形区腰梁的水平位移逐渐增大，角撑对异形区腰梁水平位移的约束作用逐渐减弱，且衰减速率整体呈增大趋势。增大角撑间距，对距离基坑角点近处的异形区腰梁影响较小，对远处的异形区腰梁影响较大，且变化幅度呈增长趋势。

(2)以中间角撑为研究对象，随角撑间距增大，异形区角撑最大轴力逐渐增加，且增加的趋势越显著。考虑到结构的安全性及施工的经济性，角撑间距控制在2～2.5m之间是合适的。

(3)异形区角撑采用2m间距，随着角撑刚度的增加，异形区角撑水平位移的逐渐减小，且变化幅度放缓。同时，异形区角撑越靠近跨中位置水平位移越小。

(4)随着角撑刚度增加腰梁所受弯矩均呈线性减小的趋势，且变化幅度逐渐放缓。同时，距离基坑角点越远，异形区腰梁减小越迅速。为有效的控制腰梁的弯曲变形，同时确保经济效益，异形区角撑横截面积取600mm×600mm至700mm×700mm是合适的。

综上所述，在实际工程中可以考虑对同一基坑工程采用不同的角撑间距或不同的角撑横截面积，基坑角点近处采用大支护间距或小刚度角撑，基坑角点远处采用小支护间距或大刚度角撑。增强角撑对距异形区腰梁的约束作用，控制弯曲变形的同时，还可以节约支护材料，提高工程经济性。