摘要：地下车站回筑阶段是否需要换撑取决于承载能力极限状态及正常使用极限状态下围护结构内力、裂缝、位移及支撑轴力等指标是否满足要求。设计阶段都在最大轴力支撑下设置一道换撑，而现场施工中由于换撑施工不便等原因，不采取换撑处理。针对这一实际矛盾，结合宁波软土地区地铁车站基坑实际工程，通过建立Midas三维模型及常规设计采用的FRWS二维模型，进行基坑换撑和不换撑两种情况下车站围护结构变形及内力的对比分析。结果表明不换撑，地下连续墙最大弯矩和钢支撑轴力均有所增大，同时钢支撑出现最大轴力时也由开挖至坑底工况变化为拆除负二层钢支撑工况，而基坑最大变形均发生在开挖至坑底工况，但是不换撑仍可以满足车站基坑变形和内力的要求。
关键词：软土；地铁车站；基坑；不换撑
1 引言
宁波为典型的软土地区，浅部地层以厚层状具高压缩性的软黏性土为主，土质较差，地下水量丰富、水位较浅，第四纪地层发育，厚度较大达70~100m，从中更新世至全新世地层发育齐全。主要成因类型有河流相、河湖相及海相等，有较明显的流变、触变特性，基坑开挖时可能导致坑壁坍塌、基底隆起等。
一般情况下，深基坑围护结构可以看成是受侧向土压力的结构模型。规范推荐采用弹性支点法作为这种结构的分析方法。根据该方法计算，设计阶段一般在最大轴力支撑下设置一道换撑，如果不采取换撑，往往基坑变形或围护结构体系内力无法满足控制要求。但是采用换撑会带来较多的施工工序、难度及经济成本。针对这一实际矛盾，进行本次研究。
2 工程概况
宁波某地铁车站为地下2层岛式车站，车站总长206m。车站标准段基坑宽19.70m，标准段基坑深度约16.28~16.64m；两侧端头井基坑宽度23.80m，端头井基坑深度约17.96~18.37m。基坑采用地下连续墙结合内支撑作为基坑的围护结构体系，标准段基坑深度方向设置五道支撑，其中第一道采用钢筋混凝土支撑，其余为钢支撑。采用明挖顺筑法施工，地下连续墙厚度为800mm。
3 工程地质情况
该工程地处宁波滨海平原区，地貌类型单一，局部略有起伏，本场地地势较平坦。自然地面标高在2.64~3.58m之间。车站基坑影响范围主要涉及土层为填土层、黏土层、淤泥质黏土层、粉质黏土层、粉砂层及中砂层。
4 计算模型
4.1 模型概况
采用Midas GTS软件建立基坑三维模型，土体均采用实体单元，模型尺寸为长、宽、高分别为270m、80m和38.9m。地连墙、侧墙、底板、中板、顶板采用混凝土平面板单元；砼支撑、冠梁、钢支撑、换撑采用1D单元。
图1 基坑三维模型
图2 基坑地下连续墙及内支撑体系三维模型
4.2 土层参数的选取
模型土层本构采用GTS的修正莫尔-库伦模型，既硬化土模型。土层参数取值取自地勘单位提供详勘报告，抗剪强度指标主要采用有效应力强度指标。
4.3 计算工况
本次数值分析计算工况主要分两种施工工况，既考虑换撑及取消换撑。其余均完整考虑车站主体结构的施工工序，既考虑基坑的开挖和车站主体结构的回筑。
5 计算结构
5.1 换撑工况分析
5.1.1三维计算结果
换撑工况下，地连墙最大水平位移及最大弯矩均出现在开挖至坑底阶段，水平位移最大值为42.97mm，最大弯矩值为558.57kN·m/m。
图3 换撑工况地墙水平方向变形云图
图4 换撑工况地墙弯矩云图
钢支撑的最大轴力出现在换撑阶段的第三道钢支撑处，轴力最大值为1786.5kN。
图5 换撑工况钢支撑最大轴力图
5.1.2二维计算结果
二维设计计算软件采用同济启明星深基坑计算软件FRWS，结果如下图所示：
图6 换撑工况二维计算软件计算结果包络图
二维计算的地墙最大水平位移出现在换撑阶段，最大水平位移为26.5mm；地墙最大弯矩出现在基坑开挖至第四道支撑阶段，最大弯矩值为949.8 kN·m/m。钢支撑的最大轴力出现在开挖至坑底阶段的第五道钢支撑处，轴力最大值为1986kN。
5.2 不换撑工况分析
5.2.1三维计算结果
不换撑工况下，地连墙最大水平位移出现在开挖至坑底阶段，水平位移最大值为42.97mm。在拆除第五、四道钢支撑阶段，地连墙最大弯矩出现在原第四道钢支撑附近，最大弯矩值为636.82 kN·m/m。
图6 不换撑工况地墙水平方向变形云图
图7 不换撑工况地墙弯矩云图
钢支撑的最大轴力出现在拆除第五、四道钢支撑阶段的第三道钢支撑处，轴力最大值为1989.34kN。
图8 不换撑工况钢支撑最大轴力图
5.2.2二维计算结果
二维设计计算软件采用同济启明星深基坑计算软件FRWS，结果如下图所示：
图9 不换撑工况二维计算软件计算结果包络图
二维计算的地墙最大水平位移出现在拆除第五、四道钢支撑阶段，最大水平位移为27.2mm；地墙最大弯矩同样出现在拆除第五、四道钢支撑阶段，最大弯矩值为968.6kN·m/m。钢支撑的最大轴力出现在开挖至坑底阶段的第五道钢支撑处，轴力最大值为2101.2kN。
5.3 分析结果对比
由以上对比可以看出，三维计算和二维计算在由换撑工况调整至不换撑工况的变化规律有一定的一致性。取消换撑后，三维计算和二维计算在地墙的位移或弯矩、支撑的轴力等结果上较换撑工况均有所增加。但变形仍能满足基坑变形保护等级二级的要求，支撑稳定性也能满足规范要求。
同时，在相同的工况下，三维计算与二维计算的结果仍然存在一定的差异，具体表现为：地墙最大水平位移三维计算均大于二维计算的结果，地墙最大弯矩三维计算均小于二维计算的结果。
6 结论与建议
本文对宁波地区地铁车站基坑换撑与不换撑工况围护结构变形及内力的变化进行了对比分析，结果表明：
1）基坑最大变形均发生在开挖至坑底工况，在车站底板达到设计强度后，基坑趋于稳定，在后续的拆换撑阶段，基坑的变形较小。
2）不换撑，地下连续墙最大弯矩和钢支撑轴力均有所增大，但是不换撑仍可以满足车站基坑变形和内力的要求。
3）不换撑工况下，钢支撑出现最大轴力处为拆除负二层钢支撑阶段的负一层最下道钢支撑，因此，建议在不换撑时，建议对该道支撑进行加强。
论文作者:欧阳昆森1，2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
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