胡志华 吴洪锦 胡晓龙 沙学伟
中铁四局集团有限公司设计研究院，安徽 合肥 230000
摘要：以淮安东站交通枢纽工程站前广场深基坑工程为例，基于三维有限元模型，开展对多重圆环形支撑梁的受力分析，通过对围护结构受力、变形以及支撑体系的内力等指标进行对比分析。结果表明，圆环形支撑梁能有效共同承担支撑轴力，充分利用混凝土的受压性能，具有结构受力合理、整体稳定性高、工作空间大等优点，并且随着圆环形支撑梁的增多能较大幅度提高支撑刚度，从而有效地控制基坑开挖对周边建（构）筑物的影响。通过对Midas-GTS三维有限元模型与理正协同计算模型的计算结果进行对比，并结合基坑实际监测数据，结果表明基坑在施工过程中各项指标均未超过限值，支护方案合理可行，为以后类似深基坑工程提供一定的借鉴意义。
关键词：深基坑；多重圆环形；圆环形支撑梁；受力分析；数值模拟
中图分类号： 文献标识码：
1 引言
随着城市建设的高速发展，在地下空间开发过程中涉及大量的深基坑，并且基坑规模越来越大，开挖施工的地质条件和周围环境日益复杂，极易引发工程事故[1-2]。在确保基坑支护结构稳定及周边环境安全的前提下，通过对不同支护型式经济性和施工性的比选，环形支撑以其受力合理、施工空间大和结构工程量小等特点，越来越多地被运用于大型深基坑工程中。
目前国内诸多学者对基坑环形支护型式进行了研究，已经取得了一系列的成果。罗耀武[3]等通过平面应变分析及建立轴对称弹性地基有限元分析模型对基坑围护结构进行研究，研究分析了环形支撑的空间效应、支护墙后土水压力分布模式、支护墙内力变形的性质。姜忻良[4]等研究了影响环梁支护结构的内力及变形因素有支撑的截面尺寸、环形支撑的直径、支护桩的嵌固深度等。金国龙[5]等在总结软土基坑四种典型圆环形支撑布置形式的基础上，通过六个力学指标参数来反映圆环支撑体系的强度、刚度、稳定性，为圆环形支撑在软土地区的平面方案选型给出了实用化建议。吴西臣[6]等以工程实例，研究表明同心圆环形内支撑结构较单圆环形支撑结构在受力合理、空间稳定性高、支撑跨度大、支护结果位移小、对周围环境影响小等方面的优势。环梁支撑的平面形式已经由最初的单圆形环梁发展为椭圆形环梁、格构式环梁、双圆形环梁等型式[7-9]。
目前圆环形支撑梁在计算理论方面已日渐完善，而围护结构的强度与变形计算是基坑工程设计中的关键技术，主要的分析方法有弹性地基梁法和连续介质有限元法。目前已有大量学者通过弹性地基梁和连续介质有限元法对基坑开挖过程中围护结构的变形和受力进行了分析[10-11]。本文基于淮安东站综合客运枢纽深基坑工程，建立空间弹性地基梁模型对多重圆环形支撑梁的围护结构受力和变形进行分析，确定基坑支护方案合理可行的基础上，通过对Midas-GTS三维有限元模型与理正协同计算模型的计算结果进行对比，并结合基坑实际监测数据，进一步论证深基坑圆环形支撑围护结构的变形规律及内力特征，并为以后类似深基坑工程提供一定的借鉴意义。
2 工程概况
2.1 工程概况
淮安东站交通枢纽工程地下空间项目地下一层为换乘大厅，两层通高，地下二和三层为社会车场。基坑东侧为在建淮安高铁东站站房，距离基坑边约14.90m；南侧为规划中的顺达路，距用地红线0.00～31.50m；西侧距用地红线和规划中的高铁路16.40m；北侧距同期建设的预留轨道交通1号线淮安东站8.10m，和规划中的枚皋路相连。基坑开挖深度为15.80~17.50m，基坑开挖面积约58936m2，基坑周长约1005m，本基坑侧壁安全等级为一级。现场如图1所示。
2.2 支护方案
根据工程周边环境以及开挖深度，经方案比选论证，确定本基坑东侧和南侧采用围护桩+TRD止水帷幕结合内支撑支护，北侧和东侧采用地连墙结合内支撑支护。
基坑东西长约为256m，南北宽约为225m，为了更好的适应基坑的平面形状，并充分利用圆环形支撑梁的拱形效应，使基坑周边的土压力通过拱形效应将内力大部分转化为轴力的形式，以充分发挥混凝土材料的抗压特性。本次设计采用竖向2层三重圆环形支撑梁+支撑杆件的布置形式。基坑具体如下：
（1）基坑中心布置3道完整的同心圆环支撑，直径分别为187.3m、203.3m、223.3m。
（2）基坑四周以辐射状杆件将围护结构水平力传至环形支撑，支撑杆件均指向圆环中心，圆心角4～6°。
（3）靠近基坑角部及局部区域，利用传统角撑+对撑的布置形式。
（4）沿圆环形及支撑交点设置了钢格构柱，钢格构柱通过钻孔灌注桩与土体嵌固。
.png)
图1 基坑围护结构整体图
3多重圆环形支撑梁受力分析
3.1建立计算模型
随着圆环形支撑梁技术的发展，在圆环形支撑梁的布置形式、圆环形支撑直径、圆环形支撑道数等方面取得了一系列成果。本文结合淮安高铁东站客运枢纽及站前广场项目深基坑支护方案，采用理正基坑支护协同计算建立空间弹性地基梁模型，在其它设计参数不变的前提下，对比分析单重圆环形支撑梁、双重圆环形支撑梁以及三重圆环形支撑梁对基坑围护结构受力及变形的影响，并进一步分析多重圆环形支撑梁对支撑体系的整体受力特征。
.png)
图2 理正三维整体协同计算模型
3.2对围护结构受力和变形的影响
随着城市化基坑的发展，受制于建筑物、市政管道等对基坑变形要求较高，根据基坑周边环境，采用稳定性和变形双重控制。通过对多重圆环形支撑梁围护结构的受力和分析进行分析，确定基坑支护方案的合理性。受篇幅所限，本文仅列举出多重圆环形支撑梁对围护结构变形和受力结果，结果对比详见表 1。
.png)
随着圆环形支撑梁支撑道数的增加，基坑围护结构的位移量发生显著降低。由表1可以看出，对于灌注桩围护结构随着圆环形支撑梁支撑道数的增加，围护结构位移量分别降低30.78mm和39.61mm，降低幅度为39.5%和50.8%；对于地连墙围护结构随着圆环形支撑梁支撑道数的增加，其位移量分别降低17.29mm和23.85mm，降低幅度为35.8%和49.4%；地连墙相较于灌注桩，能较好的控制基坑围护结构的变形，基坑北侧为地铁站，东侧为高铁站和高铁轨道，对基坑变形有严格的要求，此处采用地连墙作围护结构方案合理可行。随着圆环形支撑梁支撑道数的增加，对于基坑围护结构的弯矩和剪力，降低幅度分别为3%和 15%，相对于围护结构的变形，弯矩和剪力受到圆环形支撑梁的影响较小，表明随着圆环形支撑梁支撑的增多，三重圆环形支撑梁能较大幅度提高支撑的整体刚度，达到控制基坑变形的目的。
3.3对支撑体系内力的影响
.png)
圆环形支撑梁能够充分发挥混凝土材料的受压性能，具有较大刚度。圆环形支撑梁受力以轴力为主，同时也存在着部分弯矩和剪力，并且在结构的交点为薄弱处。由表2可以看出，随着圆环形支撑梁支撑道数的增加，同一道圆环支撑梁轴力分别降低13427kN和19617kN，轴力降低幅度26.4%和38.5%；弯矩分别降低3324kN.m和4119kN.m，弯矩降低幅度41.4%和51.3%；剪力分别降低798kN和1034kN，剪力降低幅度27.1%和35.1%，其中圆环形支撑梁的弯矩降低幅度最大。双重圆环相对与单重圆环支撑梁时，支撑梁的轴力、弯矩和剪力都得到显著降低，而三重圆环相对于双重圆环支撑梁时，支撑梁的轴力、弯矩和剪力也有所降低，但降低幅度开始减缓，因此圆环形支撑梁的支撑道数并不是越多越好，要综合考虑围护变形、支撑梁受力以及经济等多重影响因素。
对于三重圆环形支撑梁，其支撑梁的轴力从内环到外环逐渐减小，其中第一道圆环形支撑梁相较于另外两道支撑梁，其支撑梁的轴力最大，且远远大于剪力和弯矩，表明三重圆环形支撑梁能有效分担支撑轴力，并将作用于支撑的外力主要转化为环梁的轴力，避免应力集中，整体结构更加稳定。
4 多重圆环形支撑梁数值计算
通过对多重圆环形支撑梁的受力和变形分析，三重圆环形支撑梁能较好控制基坑变形，并且能有效分担支撑轴力，使得基坑整体支护结构更加稳定，因此基坑采用三重圆环形支撑梁方案合理可行。在基坑支护方案可行性的基础上，通过Midas-GTS建立三维有限元模型与理正协同计算模型进行比较分析，并结合基坑实际监测数据，进一步论证深基坑多重圆环形支撑梁对围护结构的变形规律及内力特征。
4.1模型的基本参数
各土层具体参数在该工程的岩土工程勘察报告中均有详细的说明，包括土体压缩模量 Es，固结试验 c和 φ'重要模型参数均直接给出。表3 是本次试验现场取样的土层基本力学参数表。
.png)
4.2 模型的基本参数
本模型的建立在考虑基坑开挖的影响范围为3倍开挖深度，模型的整体几何尺寸为：长×宽×高=480×480×70m。计算过程中土体采用实体单元模拟。采用高阶单元划分模型网格，共划分169328个单元，889057个节点。模型边界条件为四个侧面设置法向位移约束，模型底面设置固定约束，模型顶面不设置位移约束条件。
本模型将灌注桩、地连墙、内支撑、立柱桩等钢筋混凝土结构视为各向同性的线弹性材料。本模型中土体材料属性选用修正莫尔-库伦本构模型。本模型为方便建立，将灌注桩等效为相同刚度的地连墙，采用板单元模拟；内支撑结构采用梁单元模拟；止水帷幕采用界面单元模拟。等效刚度公式：
.png)
通过对采用理正三维模型与Midas?GTS?有限元模型的计算结果进行对比分析，两种软件计算的支护结构变形对比如图?2和图5，两者基坑围护结构变形计算结果相近。经计算分析可知，圆环形支撑直径越大，支撑刚度越小，内力越大，通过布置三重圆环形支撑梁，增加支撑梁整体刚度，共同分担支撑轴力，并通过优化边支撑杆件布置可有助于提高环撑刚度，降低环撑内力。
根据监测资料可知，从基坑开挖至地下结构浇筑完成，基坑围护墙顶最大累计水平位移为57.6mm；支撑最大轴力32381.9kN；立柱最大沉降9.3mm，隆起最大10.8mm；周边地表最大沉降9.7mm，整个施工过程中各项指标均在控制范围内，工程达到了预期效果。
4 结论
（1）对淮安东站交通枢纽工程站前广场深基坑工程采用三重圆环形支撑梁+地下连续墙和钻孔灌注桩的支护方式，充分发挥了环形支撑混凝土的抗压性能，有利于控制基坑变形，并提供了较大自由空间，缩短了基坑开挖工期。
（2）通过对多重圆环形支撑梁基坑围护结构受力变形特征进行分析，三重圆环形支撑梁能有效降低基坑围护结构位移量，相较于单重圆环支撑减小幅度达 50%以上，表明三重圆环形支撑梁能较大幅度提高支撑梁整体刚度，从而达到控制基坑变形的目的。
（3）三重圆环形支撑梁的支撑轴力相较于单重圆环形支撑梁降低幅度约40%，对于三重圆环形支撑梁其支撑轴力从内环到外环逐渐减小，表明三重圆环形支撑梁能有效分担支撑轴力，并将作用于支撑的外力主要转化为环梁的轴力，避免应力集中，整体结构更加稳定。
（4）通过对Madis GTS三维有限元模型与理正协同计算模型的计算结果进行对比，两者基坑围护结构变形计算结果相近；三重圆环形支撑梁的支撑结构刚度更大，能有效控制基坑变形；根据现场基坑监测结果表明，基坑在施工过程中，基坑各项指标均在可控范围内，局部水平位移实际值大于计算值，但均未超过限值，整体较为合理，为以后类似深基坑工程提供一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 龚晓南, 高有潮. 深基坑工程设计施工手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2018.
[2] 中国建筑科学研究院. GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2011.
[3] 罗耀武, 凌道盛, 胡琦等. 环形超深基坑围护结构受力变形特性分析[J]. 岩土力学, 2011, 32(2): 617-622.
[4] 姜忻良, 孙良涛, 宗金辉. 双基坑大直径双环梁支护体系监测与分析[J]. 岩土力学, 2006, 27(7): 1204-1208.
[5] 金国龙, 黄春美. 圆环形支撑基坑支护体系设计分析[J]. 地下空间与工程学报, 2013, 9(S1): 1694-1700+1716.
[6] 吴西臣, 徐杨青. 180同心圆双环形内支撑在复杂环境下大型深基坑支护中的应用研究[J].岩土工程学报, 2014, 36(S1): 72-76.
[7] 刘益平. 大直径双环梁基坑支护体系设计与优化[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(增刊1): 219-222.
[8] 尹 骥, 管 飞, 李象范. 直径210m超大圆环支撑基坑设计分析[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(增刊): 1596–1599.
[9] 龚昕, 丁文其, 赖允瑾, 张有桔. 双圆环形支撑体系在基坑工程中的应用[J]. 地下空间与工程学报, 2010, 6(01): 179-183.
[10]?王建华, 范???巍, 王卫东, 等.??空间m?法在深基坑支护结构分析中的应用[J].??岩土工程学报,??2006,??28(增刊):??1332–1335.
[11]侯永茂,??王建华,??陈锦剑.??超大型深基坑开挖过程三维有限元分析[J].??岩土工程学报,? 2006, 28(增刊):? 1374－1377.