随着国家经济的快速发展, 大型地下空间得到综合开发利用, 由于国家大力倡导将环保设计与绿色施工等可持续发展理念应用到深基坑工程设计中去, 使得深基坑的优化设计逐步成为了工程界关注的焦点问题。在深基坑支护设计中, 围护结构的经济性与安全性很难同时得到保证, 要使深基坑支护工程达到安全可靠和经济合理, 就必须运用合理、科学的支护设计。然而设计人员在基坑支护方案选型上大部分依靠多年积累的工程经验, 这样就造成盲目追求安全, 提高安全储备, 导致投资增大。根据统计^[1], 基坑工程的投入在整个工程项目中大约占20%~33%, 可见过度保守的设计会造成很多没有必要的投入。另一方面以降低基坑的变形和稳定控制条件为代价来保证基坑的经济性是不合理的, 这往往会埋下安全隐患, 导致基坑事故的发生。因此, 综合考虑安全与经济因素, 对原基坑支护方案进行优化设计具有实际意义。

　　 预应力鱼腹式钢支撑适用于支护跨度比较大的基坑, 工程中用的较多的跨度有12~45m, 有时甚至可以达到60多米^[2]。预应力鱼腹式钢支撑由型钢梁、型钢腹杆、钢绞线以及专用节点和锚具等组成。预应力鱼腹式钢支撑通过预应力钢绞线张拉与围护墙的腰梁连接, 再利用钢筋拉杆或者型钢立柱固定在腰梁上, 以避免基坑开挖后预应力鱼腹式钢支撑由于自身重量而发生挠曲变形。

　　 (1) 预应力鱼腹式钢支撑这种支护方案为工具组合式, 各种型钢构件通过高强螺栓连接, 支撑安装和拆除具有很大的便捷性, 在支护施工中产生的噪声小, 对周边环境影响性小, 并且其中一个显著优势是基坑工程完成之后, 大部分型钢构件拆除后在下一个基坑工程中还可以得到重复利用, 这样大大地减少了基坑支护与施工的造价。

　　 (2) 预应力鱼腹式钢支撑一般跨度很大, 可以根据基坑的实际情况来选用, 该支撑可以通过钢筋拉杆固定在压顶梁上, 可不再设置立柱提供竖向支撑, 从而大大减少了立柱数量, 给基坑的开挖提供了较大的施工空间, 加快了施工速度, 大量缩短了施工的工期。

　　 (3) 通过给预应力鱼腹式钢支撑施加预应力, 能够使钢桁架各杆件之间受力明确, 有利于控制基坑的变形。由于预应力鱼腹式钢支撑这种围护结构的破坏模式是延性破坏, 通过监测系统在基坑开挖过程中的实时监控, 可以有足够的时间来采取应对措施, 比如调整预应力的大小。

　　 在基坑开挖阶段, 鱼腹式钢支撑腰梁结构在基坑侧壁水平方向初始水土压力下向基坑内侧产生变形, 通过专用工具对高强性能的钢绞线进行张拉并施加预应力, 从而给钢支撑提供一个反作用力, 此反作用力传递给型钢腰梁, 使得型钢腰梁产生弯矩。在基坑的开挖过程中, 地下连续墙会传递给型钢腰梁一个弯矩, 并且此弯矩值随着基坑开挖深度的增大而增大。这样就会使得张拉预应力在型钢腰梁内产生的弯矩逐渐抵消地下连续墙在腰梁内产生的弯矩, 最终能有效控制基坑的变形。预应力鱼腹式钢支撑受力示意如图1所示。

　　 本工程为一级汽车客运站站房, 分为南北两个部分, 位于广州市番禺区钟村镇石壁村广州南站东广场西北侧, 东北接石壁南一路, 西南为已建广州南站, 周边为规划路。本工程基坑支护属于一级基坑支护, 基坑重要系数为γ=1.10, 基坑周边长度约837m, 占地面积约为23 275m², 地下2层, 地下室开挖一般深度为15.35m, 局部深度为16.10m。本工程分为地下室范围基坑A区和地下车道范围基坑B区, 其中基坑A区为大面积开挖基坑工程, 为本文研究对象, 基坑A区与B区之间为不开挖部分, 其平面布置如图2所示。

　　 拟建的广州南汽车客运站所处地貌单元属珠江三角洲冲洪积平原地貌单元, 地面较平坦, 该区地层按地质成因依次分为:第四系素填土层 (1) (Q^ml) , 冲积-洪积土层 (2) ₁, (2) ₂, (2) ₃ (Q^al+pl) , 泥质粉砂岩强风化层 (5) (K) , 泥质粉砂岩中风化层 (6) (K) , 泥粉砂岩微风化层 (7) (K) 。

　　 地层主要含水层为填土、细砂层;基岩强风化层裂隙发育或破碎, 裂隙中赋存有一些基岩裂隙水。总体上看, 裂隙较发育及其连通性较好的基岩属弱~中等透水层, 有一定的地下水量。地下水的埋深介于2.70~5.00m之间。

　　 基坑各岩土层物理力学指标数据由岩土勘察设计所实验室试验成果整理所得, 结合了Bowles^[3]的经验和相关规范, 给出了各岩土层物理力学参数值, 如表1所示。

　　 基坑A区支护除F段 (位置见图2) 采用地下连续墙+4道预应力锚索支护外, 其余部分采用地下连续墙+混凝土内支撑支护, 设2道混凝土内支撑, 第一道混凝土内支撑距离地面2.0m, 第二道混凝土内支撑距离地面8.5m;钢格构立柱直径为1 200mm。地下连续墙墙厚为1.2m, 要求地下连续墙入基坑底4.0m且入中风化或微风化岩不少于3.0m, 地下连续墙混凝土设计强度等级为C30。预应力锚索成孔孔径为φ150, 倾角为35°。

　　 基坑原支护方案中采用了较多的混凝土内支撑和钢格构立柱, 这样不利于土方机械开挖, 造成施工工期长、难度大等问题;原支护方案中地下连续墙厚度设计为1.2m, 较为保守, 这样势必会增大工程投入, 造成不必要的浪费。

　　 综合考虑各种影响因素, 并结合国内深基坑支护结构的发展现状和广州市深基坑支护的一些工程实例, 以及考虑基坑A区平面跨度大等特点, 将原来的混凝土内支撑替换为绿色环保的预应力鱼腹式钢支撑, 并调整水平内支撑安装位置、地下连续墙厚度。基坑支护参数优化如表2所示。

　　 对基坑A区原支护方案进行优化设计, 得到了优化后支护方案, 如图3所示。优化后支护方案中大跨度预应力鱼腹式钢支撑YG1, YG2, YG3, YG4的具体几何尺寸如图4所示。

　　 型钢腰梁是压弯构件, 其截面为H400×400×13×21, 主要承受基坑侧壁水平水土压力产生的水平线荷载、本身自重荷载及钢绞线预应力产生的水平集中荷载。根据《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[4], 在最不利工况组合荷载效应下, 型钢腰梁应按压弯构件组合强度计算公式与压弯构件稳定性验算公式进行计算。

　　 采用φ^S15.2钢绞线, 极限强度标准值为1 860 N/mm², 截面面积为140mm², 每根钢铰线的抗拉力设计值为184.80k N而其预应力的大小需要根据钢支撑腹杆最大极限承载力、钢支撑腹杆之间的间距以及型钢腰梁和预应力钢绞线之间的夹角等参数来确定;而钢绞线的数量则需要根据总的预应力大小以及每根钢绞线的抗拉力设计值来确定。

　　 钢支撑腹杆属于压弯构件, 其截面为H350×350×12×9, 钢支撑腹杆在设计时可按偏心受压构件计算。

　　 基于基坑A区为大面积开挖, 为了考虑基坑的空间效应, 采用三维模拟分析, 基坑外模型尺寸范围取开挖深度的5倍, 模型的尺寸取325m×290m×35m。基坑的一般开挖深度为15.35m, 局部达到16.0m, 主要涉及7个土层, 各土层物理参数见表1, 基坑支护结构的具体参数见表3。由于实际工程具有复杂性和不确定性, 在利用MIDAS/GTS建模分析时对模型进行了一定的简化。

　　 网格划分时综合考虑运算效率与精度, 采用了自由划分平面, 局部地区采用加密的划分方式 (图5, 6) 。模型单元总数为83 458个, 节点总数为96 392个。网格划分单元选取八节点六面体单元, 土体采用莫尔-库伦 (Mohr-Coulomb) 弹塑性本构模型。地下连续墙采用板单元, 水平内支撑结构、立柱、型钢腰梁采用梁单元, 钢绞线采用桁架单元, 均采用线弹性材料模拟。在模型侧向边界设置限定水平方向的位移约束, 在模型的底部边界设置限定水平和竖直方向的位移约束。

　　 按照施工步骤依次模拟分析, 考虑到基坑工程施工阶段的复杂性, 对主要施工阶段进行数据提取和分析。定义的主要施工阶段如下:施工步0为模拟土体在自重作用下的应力场;施工步1为修建基坑地下连续墙;施工步2为基坑A区土体开挖至距离地面2.5m, 并安装第一道内支撑;施工步3为施工基坑A区第一道内支撑和立柱;施工步4为基坑A区土体开挖至距离地面9.5m, 并安装第二道内支撑;施工步5为施工基坑A区第三道内支撑;施工步6为基坑A区开挖至坑底 (距离地面15.35m) 。

　　 为了便于分析, 以基坑A区左侧地下连续墙监测点CX1槽段作为研究对象, 提取其槽段关键节点的水平位移和弯矩的计算结果, 并进行数据整理与分析, 作出地下连续墙在施工步2, 4, 6时的水平位移曲线及弯矩曲线, 如图7所示, 图7 (b) 中向基坑内侧产生的弯矩为正值, 反向则为负值, 余同。

　　 由图7 (a) 可知:1) 随着基坑开挖深度的不断增大, 地下连续墙顶端水平位移也不断增加。由于钢支撑的作用, 墙体的水平位移曲线呈现“弓”形, 最大水平位移的位置随着开挖深度的增加, 有不断下移的趋势, 并且大都集中在基坑开挖面以上的位置;至施工步6时地下连续墙的最大水平位移出现在开挖深度8.5m位置。2) 整个开挖过程中基坑左侧地下连续墙的最大水平位移是9.8mm, 小于30mm, 满足基坑变形控制要求。

　　 从图7 (b) 可知:墙体的正、负弯矩随基坑开挖深度的不断增大而增加, 至施工步4时, 地下连续墙的最大正弯矩出现在开挖深度7.25m的位置, 为228.19k N·m;至施工步6时, 墙体最大正弯矩增加为331.66k N·m, 增幅近31.2%, 位置下移到开挖深度8.5m处;墙体最大的负弯矩达到-190.2k N·m, 位于开挖深度16.32m处。

　　 基坑的开挖势必会引起周边地表的沉降, 为了研究优化后支护结构在开挖过程中的变形影响, 选取了距离基坑A区左侧地下连续墙监测点CX1槽段边0~30m区域内的14个参考点, 根据模拟计算结果, 进行数据整理与统计, 得出周边地表沉降曲线, 如图8所示。

　　 从图8可知:1) 基坑间地表土体在靠近地下连续墙处, 局部有向上的微小隆起量, 这主要是由墙顶向基坑外产生的水平侧移与墙土体之间的摩擦力共同作用造成的, 随着开挖深度的增加, 隆起量有小幅度的减小, 然后逐渐减小至零, 并开始向下沉降;2) 基坑间地表沉降随基坑开挖深度的增加而增大, 整个曲线呈两头小中间大的拱肩形, 地表沉降最大值由施工步2的3.4mm增大到施工步6的4.2mm。通过图8还可以看出, 地表沉降最大值位置位于距离基坑边12.5m附近, 靠近地下连续墙的土体虽然有一定的沉降, 但沉降值并不大。

　　 为了更好地分析优化后的支护方案在基坑变形、内力以及材料用量等方面的优化效果, 将优化后支护方案与原支护方案的各参数值作对比分析。图9为优化后支护方案与原支护方案地下连续墙水平位移与弯矩曲线的对比, 图10为优化后支护方案与原支护方案周边地表沉降曲线对比。由图9, 10可见, 基坑A区支护方案优化前、后的墙体水平位移曲线和弯矩曲线及基坑周边地表沉降曲线的变化趋势一致。

　　 表4为优化后支护方案与原支护方案基坑变形、内力对比情况, 表5为优化后支护方案与原支护方案内支撑、立柱数量对比情况。

　　 由表4, 5可知:1) 基坑支护方案经过优化后, 地下连续墙最大水平位移和墙顶水平位移都有大幅度减小, 其中最大水平位移由13.0mm减小到9.8mm, 减小幅度为24.6%;墙顶水平位移由9.03mm减小到6.64mm, 减小幅度为26.46%, 墙体正、负弯矩也有一定程度的减小, 其中最大正弯矩从490.7k N·m减小到361.7k N·m, 减小幅度为26.3%, 最大负弯矩从-214.1k N·m减小到-180.6k N·m, 减小幅度为15.65%。2) 基坑支护方案经过优化后, 地表最大沉降值从4.8mm降低至4.2mm, 相差0.6mm, 可见, 基坑支护方案经过优化, 对地表沉降有一定的改善。3) 优化后支护方案的内支撑和立柱数量分别比原支护方案少184根和70根, 这有效地减少了工程投入, 减少了材料的浪费。

　　 (1) 优化后支护方案采用预应力鱼腹式钢支撑+地下连续墙, 优化后支护方案在墙体位移、内力以及周边地表沉降方面相对原支护方案都有所改善, 并且基坑所有变形量均在安全范围之内, 为预应力鱼腹式钢支撑这种支护形式在大面积开挖基坑中的实际应用提供了一定的参考。

　　 (2) 相对原支护方案, 优化后支护方案大量减少了内支撑与立柱的数量, 其采用的预应力鱼腹式钢支撑还可以重复利用, 节省了材料, 达到绿色环保的要求, 为解决传统支护方案存在的浪费、不环保等问题提供了可借鉴的新途径。