軟土地區(qū)深基坑工程換撐代替方案研究

胡 林，陳廣思，郭紹曾，劉 潤(rùn)

（天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

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軟土地區(qū)深基坑工程換撐代替方案研究

胡 林，陳廣思，郭紹曾，劉 潤(rùn)

（天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

摘要：結(jié)合天津南運(yùn)河地鐵站深基坑工程，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的巖土工程計(jì)算軟件Plaxis([2])模擬了基坑的開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)換撐與滿堂腳手架工況進(jìn)行了對(duì)比分析，精確模擬了地下水位的穩(wěn)態(tài)下降過(guò)程及軟土應(yīng)力隨應(yīng)變的硬化規(guī)律([3])，通過(guò)模擬分析和研究得出本工程采用滿堂腳手架代替換撐方案是可行的。

關(guān)鍵詞：深基坑工程；Plaxis；滿堂腳手架；換撐；基坑變形

引 言

地鐵深基坑具有多種特點(diǎn)[5, 6]，比如臨時(shí)性、復(fù)雜性、高風(fēng)險(xiǎn)、隨機(jī)性及地域性等。地鐵施工基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要承受水平方向的土壓力同時(shí)會(huì)產(chǎn)生向基坑方向的水平位移，從而使得基坑的外部地表發(fā)生變形，而且隨著開(kāi)挖深度的增加地表變形也會(huì)隨之增大。如果基坑的周邊作用有不均勻超載也會(huì)在一定程度上引起土體的側(cè)向位移，而且位移量的增加也是隨著超載了的增大而不斷增大的[7~9]。與此同時(shí)開(kāi)挖的不斷進(jìn)行也會(huì)使得樁體跟墻體側(cè)向位移增加，如何研究基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁體跟墻體的側(cè)向變形并且保證地連墻的側(cè)向變形滿足基坑開(kāi)挖技術(shù)規(guī)范中對(duì)基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)控制指標(biāo)中的要求是我們國(guó)內(nèi)研究地鐵站基坑工程的重要而迫切的課題[10~12]。

為此，本文結(jié)合天津南運(yùn)河地鐵站深基坑工程實(shí)例探究滿堂腳手架代替換撐方案的可行性和準(zhǔn)確性。作者運(yùn)用巖土專(zhuān)業(yè)分析模擬軟件Plaxis，對(duì)換撐工況、滿堂紅替代換撐工況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比分析了兩種工況下地連墻的水平位移、最大彎矩、最大剪力，水平支撐的軸力、滿堂腳手架橫桿的最大撓度等各項(xiàng)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果證明了地鐵站深基坑工程中滿堂腳手架代替換撐方案的可行性。

1 工程概況

1.1 工程概況

南運(yùn)河站位于天津市紅橋區(qū)中環(huán)線（紅旗路）與芥園道交口處，地理位置優(yōu)越，交通繁忙。該站為地下二層標(biāo)準(zhǔn)車(chē)站，基坑開(kāi)挖深度18.15 m，在里程CK18+232.972～CK18+267.972段為蓋挖法施工，其余地段為明挖法施工，基坑開(kāi)挖寬度15.30～30.20 m?；訃o(hù)主體結(jié)構(gòu)擬采用地下連續(xù)墻，蓋挖法地段擬采用樁基礎(chǔ)，圖1為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面示意。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面示意

1.2 計(jì)算斷面的選取

根據(jù)設(shè)計(jì)變更方要求，選取基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)剖面4-4剖面作為計(jì)算斷面，如圖2所示。

圖2 計(jì)算斷面剖面

1.3 工程地質(zhì)條件和土層力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)《天津地鐵6號(hào)線工程巖土工程勘察報(bào)告（詳細(xì)勘察階段）》以及選取的計(jì)算斷面的位置，并為安全起見(jiàn)，選擇了土質(zhì)相對(duì)較差的鉆孔進(jìn)行計(jì)算，最終選用了鉆孔6NY10作為計(jì)算斷面的土體剖面，具體參數(shù)見(jiàn)表1。其中h表示厚度，表示不飽和重度，表示飽和重度，表示標(biāo)準(zhǔn)三軸排水實(shí)驗(yàn)割線模量，Eor e edf 標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ａ?，表示卸載/重加載剛度，表示內(nèi)摩擦角，表示粘聚力，表示滲透系數(shù)。

表1 土層力學(xué)指標(biāo)

2 本構(gòu)模型和建模方法

2.1 本構(gòu)模型的選取

本文所采用的土體本構(gòu)模型為高級(jí)雙曲線模型，即硬化土模型（Hardening-Soil Model）。以下就所選取硬化土模型中的主要參數(shù)和作簡(jiǎn)要介紹。

圖3 三軸排水試驗(yàn)主加載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

2.2 建模方法

在Plaxis計(jì)算中地連墻、底板以及滿堂腳手架使用板單元模擬。板單元可以模擬地層中的細(xì)長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)對(duì)象，具有較大的彎曲剛度和軸向剛度，根據(jù)彎曲剛度EI和軸向剛度EA可以計(jì)算出板單元的等效厚度deq。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 板單元參數(shù)

由于Plaxis中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨錠桿單元可以施加預(yù)應(yīng)力，因此第一至第四道支撐以及換撐均采用預(yù)應(yīng)力點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨錠桿單元進(jìn)行模擬，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 錨錠桿單元參數(shù)

2.3 開(kāi)挖步驟和工序

針對(duì)南運(yùn)河地鐵站基坑工程縱向分布均勻橫向?qū)ΨQ(chēng)的特點(diǎn)，可將三維基坑開(kāi)挖問(wèn)題簡(jiǎn)化為計(jì)算開(kāi)挖某一斷面的平面應(yīng)變問(wèn)題，根據(jù)設(shè)計(jì)方案變更方的要求，選取基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面4-4剖面作為計(jì)算斷面，分別建立了基坑開(kāi)挖模型，換撐工況方案模型和滿堂腳手架替換撐工況方案模型，詳述如下：

在基坑蓋挖段，原設(shè)計(jì)施工順序?yàn)橥练介_(kāi)挖至第一段基坑底標(biāo)高后開(kāi)始施作底板，底板完成后拆除第4道支撐，施作負(fù)二層側(cè)墻至第3道支撐下0.5 m，完成后施作換撐，再拆除第3道支撐施作中板，完成后再拆除換撐。開(kāi)挖時(shí)主體結(jié)構(gòu)大、小兩個(gè)基坑分別從端頭向中間逐層、逐段、倒退開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行坑內(nèi)降水，水位保持在最低開(kāi)挖面以下1 m。土方開(kāi)挖至第一段基坑底標(biāo)高后開(kāi)始施作底板，底板完成后拆除第4道支撐，施作負(fù)二層側(cè)墻至第3道支撐下0.5 m；完成后拆除第3道支撐，施作中板。

在施作負(fù)二層側(cè)墻時(shí)采用了滿堂腳手架，腳手架縱橫桿間距為800 mm，水平桿步距為800 mm，且布置有剪刀撐。為了縮短施工工期，減少施工費(fèi)用，擬在拆除第3道支撐、施作中板前，不架設(shè)換撐，依靠滿堂腳手架代替原換撐受力。

表4 兩種工況工序

工況模型見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 換撐方案模型

圖5 滿堂紅方案模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果

本文的目的是研究地鐵站基坑工程滿堂腳手架代替換撐方案的可行性和安全性，在結(jié)合使用Plaxis軟件的模擬基礎(chǔ)上，得到兩種工況的數(shù)值模擬結(jié)果。由于設(shè)計(jì)要求模擬結(jié)果均應(yīng)該滿足基坑開(kāi)挖技術(shù)規(guī)范中對(duì)基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)控制指標(biāo)中的要求，要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移要在開(kāi)挖深度的一定比例內(nèi)。比如我國(guó)的上海、北京、天津等大城市基坑工程技術(shù)規(guī)范明確規(guī)定基坑工程的設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足穩(wěn)定性和承載力要求外，尚應(yīng)滿足基坑周?chē)h(huán)境對(duì)變形的控制要求。應(yīng)根據(jù)基坑周?chē)h(huán)境的復(fù)雜程度及環(huán)境保護(hù)要求進(jìn)行變形控制設(shè)計(jì)并采取相應(yīng)的保護(hù)措施?；幼冃蔚脑O(shè)計(jì)控制指標(biāo)規(guī)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移不超過(guò)基坑開(kāi)挖深度的0.3 %。在本文特此選擇地連墻的水平位移、剪力和彎矩，水平支撐最大軸力等各種指標(biāo)來(lái)分析對(duì)比模擬結(jié)果，以便能驗(yàn)證滿堂腳手架代替換撐方案的可行性和安全性。

3.1 換撐工況

圖6給出了地連墻各個(gè)階段的水平位移分布，橫軸表示模擬各個(gè)階段地連墻的水平位移，縱軸表示地連墻的坐標(biāo)，數(shù)值范圍0~40 m。起始階段比如施加地連墻、施加鋼混支撐等地連墻的水平位移非常小，呈現(xiàn)哪開(kāi)挖哪出現(xiàn)位移，離開(kāi)挖越遠(yuǎn)處位移越小直至地連墻底端始終嵌固住的特點(diǎn)。當(dāng)開(kāi)挖到一定深度后地連墻會(huì)相應(yīng)的做出位移反應(yīng)，這是因?yàn)槿鄙倭送翂毫Φ木壒?，符合土力學(xué)中土壓力原理和實(shí)際施工的監(jiān)測(cè)情況。當(dāng)施加支撐了之后在支撐附近相應(yīng)的地連墻位移會(huì)出現(xiàn)反彈的效果，起到了良好的支護(hù)基坑變形的作用，而且支護(hù)作用一直延續(xù)到其他的階段直至基坑開(kāi)挖完成。地連墻底端端部附近的位移值越靠近底端約接近零，在施加底板的階段也符合這個(gè)規(guī)律，滿足實(shí)際開(kāi)挖的情況。在最后一個(gè)階段位移變形圖類(lèi)似“豎型波峰”，其顯著特點(diǎn)是地連墻的水平位移先增加后急速減小，最大位移出現(xiàn)在基坑底部處，地連墻的最大UX為5.72 cm，由于基坑變形的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)規(guī)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移不超過(guò)基坑開(kāi)挖深度的0.3 %，開(kāi)挖深度是18.15 m，允許的最大的側(cè)移是5.55 cm，計(jì)算結(jié)果是5.72 cm，處于可接受的允許誤差范圍之內(nèi)，證明了數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果可靠和準(zhǔn)確。

由圖7、8、9可知，換撐完成后地連墻的最大水平位移為5.72 cm，最大剪應(yīng)力為1 050 kN，最大彎矩為2 709 kN·m，最大水平位移和彎矩的位置較為一致，位于基坑底部。

特別需要說(shuō)明的是，有限元模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴(lài)計(jì)算參數(shù)的準(zhǔn)確性，由于尚沒(méi)有基坑開(kāi)挖的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，此次計(jì)算得到的基坑最大變形量沒(méi)有用工程實(shí)際數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況有所出入，但計(jì)算得到的各個(gè)工況變形趨勢(shì)有較高的參考價(jià)值。

圖6 地連墻各個(gè)階段的水平位移分布

圖7 換撐工況完成后地連墻側(cè)移

圖8 換撐完成后地連墻的剪應(yīng)力分布

圖9 換撐完成后地連墻的彎矩分布

3.2 滿堂紅工況

圖10給出了地連墻各個(gè)階段的水平位移分布，起始階段因?yàn)楦鷵Q撐工況是一樣的步驟，因此變形位移肯定是跟換撐工況是一致的，在位移圖上正好反應(yīng)了這一點(diǎn)。在將滿堂紅替代換撐后地連墻側(cè)位移開(kāi)始稍微變大些，沒(méi)有影響后面相同的步驟，說(shuō)明滿堂紅起到了作用，換撐完成后地連墻的最大水平位移為5.72 cm，滿堂紅替代換撐完成后地連墻的最大水平位移為5.88 cm，增大了2.8 %。最后一個(gè)階段位移變形圖類(lèi)似“豎型波峰”，其顯著特點(diǎn)是地連墻的水平位移先增加后急速減小，最大位移出現(xiàn)在基坑底部處，地連墻的最大UX為5.88 cm，由于基坑變形的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)規(guī)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移不超過(guò)基坑開(kāi)挖深度的0.3 %，開(kāi)挖深度是18.5 m，允許的最大的側(cè)移是5.55 cm，計(jì)算結(jié)果是5.88 cm，處于可接受的允許誤差范圍之內(nèi)，證明了數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果是可靠和準(zhǔn)確的。

由圖11、12、13可知，基坑開(kāi)挖完成后地連墻的最大水平位移為5.88 cm，最大剪應(yīng)力為1 233 kN，最大彎矩為2 609 kN?m，最大水平位移和彎矩的位置較為一致，位于基坑底部。

由Plaxis輸出結(jié)果可知滿堂腳手架橫桿的最大撓度為2.43 mm，小于規(guī)范要求的受彎桿件容許繞度10 mm；最大軸力為17.37 kN，轉(zhuǎn)換為最大壓應(yīng)力為120 MPa，小于桿件的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205 MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。立桿最大水平位移為2.9 mm，小于規(guī)范要求的立桿頂部水平位移小于10 mm，完全符合要求。

圖10 地連墻各個(gè)階段的水平位移分布

圖11 滿堂紅完成后地連墻側(cè)位移

圖12 基坑開(kāi)挖完成后地連墻的剪應(yīng)力分布

圖13 基坑開(kāi)挖完成后地連墻的彎矩分布

3.3 兩種工況對(duì)比

為了說(shuō)明滿堂腳手架代替換撐設(shè)計(jì)的可行性，將換撐工況與滿堂腳手架代替換撐工況的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果如表5。

表5 換撐工況與滿堂腳手架代替工況結(jié)果對(duì)比

由表5可知滿堂腳手架能夠較好的起到支撐支護(hù)的作用，使用滿堂腳手架代替換撐，地連墻的最大彎矩與剪力沒(méi)有明顯增幅，地連墻最大水平位移略有增加，腳手架橫桿的水平軸力的合力與換撐受到的最大軸力基本相當(dāng)，因此使用滿堂腳手架代替換撐的方案可行。

4 結(jié) 論

本項(xiàng)研究應(yīng)用Plaxis軟件對(duì)有換撐原方案和滿堂腳手架代替換撐方案進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下幾條結(jié)論：

1）有換撐工況下地連墻的最大水平位移為5.72 cm，最大剪應(yīng)力為1 050 kN，最大彎矩為2 709 kN?m。滿堂腳手架代替換撐工況下地連墻的最大水平位移為5.88 cm，最大剪應(yīng)力為1 233 kN，最大彎矩為2 609 kN?m。滿堂腳手架代替換撐工況較換撐工況增大2.8 %，僅是略有增加，不會(huì)影響基坑支護(hù)的安全。

2）滿堂腳手架能夠較好的起到支撐支護(hù)的作用，使用滿堂腳手架代替換撐，地連墻的最大彎矩與剪力沒(méi)有明顯增幅，地連墻最大水平位移相對(duì)換撐工況增幅為2.8 %，腳手架橫桿的水平軸力的合力與換撐受到的最大軸力基本相當(dāng)，因此使用滿堂腳手架代替換撐的方案可行。

3）兩種工況的模擬結(jié)果均滿足在基坑開(kāi)挖技術(shù)規(guī)范中對(duì)基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)控制指標(biāo)中的要求即是要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移要在開(kāi)挖深度的一定比例內(nèi)，本文研究成果證明了使用滿堂腳手架代替換撐的方案是可行的，也可以為工程設(shè)計(jì)和施工提供參考，但必須保證腳手架的桿件本身的強(qiáng)度與橫桿和立桿布置的密度，并加強(qiáng)觀測(cè)。

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Scheme Research of Support Changing Substitute of Deep Pit Excavation Engineering in High-water deep Soft Soil Zone

Hu Lin, Chen Guangsi, Guo Shaozheng, Liu Run
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract：In this paper, combining Tianjin south canal subway station deep foundation pit engineering, explore excavation program feasibility and safety of full support scaffolding instead of changing in soft soil area of high underground water leve. Using professional geotechnical engineering calculation software Plaxis to simulate the foundation pit excavation process, compare and analsyz the working conditions of exchange support instead of full scaffolding. Accuratly simulate the process of the steady decline in underground water level and the hardening law of soft soil stress with strain ,through the simulation analysis and research the full hall scaffolding instead of support exchange is feasible and right plan.

Key words:deep pit excavation engineering; Plaxis; full scaffolding; support replacement; foundation deformation

作者簡(jiǎn)介：胡林（1989-），男，碩士，研究方向?yàn)閹r土工程基坑降水和開(kāi)挖。

收稿日期：2015-10-19

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160118

中圖分類(lèi)號(hào)：TU472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-9592（2016）01-0074-06