軟土地區換乘車站取消換撐數值仿真研究

天津地區水文地質情況特殊，為典型的軟土地區，土質較差，地下水量豐富、水位較淺，天津地區第四系工程地質，地質條件比較復雜。從北至南多由洪積相、洪積～沖積相、沖積～海積相、海積相組成。洪積相、洪積～沖積相地層多由砂卵礫石、砂性土及粘性土組成，沖積～海積相、海積相地層多由砂性土、粉土、粘性土及淤泥、淤泥質土組成。天津市區粉土對成槽地下連續墻影響較大，在這一層位灌注成的地下連續墻漏筋較多且面積較大，當成槽區域存在厚粉土層、粉砂層等較硬地層時，成槽效率低，可采用旋挖鉆機鉆導向孔辦法提高成槽效率。

在濱海新區發現一層粉細砂土（俗名也叫鐵板沙），非常硬，密實性好，透水性低，成槽效率不高，天津地層變化較大，在市區也有可能存在鐵板沙層。

天津地區的微承壓水和承壓水對地下連續墻的設計與施工影響較大，由于粘性土（粉質粘土層）的不連續分布，承壓水和潛水水力聯系較大，地下連續墻成槽后容易造成地下水位過高，泥漿液面標高不夠或槽孔內出現承壓水，降低了靜水壓力，成槽過程中容易發生縮頸塌孔。

目前基坑開挖設計大都參照經驗值，按照較大的安全系數并沒有根據工程的實際情況進行設計，盲目的增加換撐，設置換撐雖然可以減少基坑的變形，增加基坑的穩定性，但是增加一道換撐會給基坑增加較多的施工工序和經濟成本，施工難度大大增加，尤其是雨季施工，不利于基坑施工的防范措施，影響了基坑的穩定。

什么情況下必須采用換撐，什么情況不需要換撐，目前還有沒有進行系統的研究，迫切需要進行該課題的研究。

1 工程概況

天津某地鐵車站是地下2層島式車站，新增換乘節點長44.5m、寬28.7m，換乘節點面積約130m2，車站總長228.5m。車站起點分界里程DK6+431.323；有效站臺中心里程DK6+572.827；終點分界里程DK6+659.827；標準段寬度20.7m；有效站臺寬度12.0m；標準段基坑深度16.45m；盾構段基坑深度18.1m。盾構井段寬25.3(大里程處)、25.74m(小里程處)；車站頂板覆土約為2.6m，地面標高絕對為2.8～3.2m，冠梁頂絕對標高為2.2～2.6m。

2 工程地質情況

該工程地處華北平原屬海積、沖積低平原。場地地勢較平坦本場地各孔孔口大沽高程介于4.55～3.00 m。車站工程涉及地層主要為人工填土層，全新統上組陸相沖積層、全新統中組海相沉積層，全新統下組沼澤相沉積層，全新統下組陸相沖積層，上更新統第五組陸相沖積層，上更新統第四組濱海潮汐帶沉積層，上更新統第三組陸相沖積層。

3 計算模型

3.1 模型的建立

為確保基坑在開挖過程中能夠安全、穩定的進行，以天津地鐵某換乘站預留節點為例，對換乘節點換乘段深基坑開挖過程建立1∶1的車站深基坑模型，混凝土支撐及鋼支撐均采用梁單元，臨時格構柱采用柱單元，連接處混凝土支撐為固結，鋼支撐采用鉸接。

3.2 土層參數的選取

對地下水位以上的各類土壓力計算、滑動穩定性驗算時，對粘質粉土、淤泥質粉質粘土，土的抗剪強度指標采用直剪固結快剪強度指標Ccq、φcq，對砂質粉土、粉砂等，土的抗剪強度指標應采用有效應力強度指標C＇、φ＇，為提高結構的安全穩定性，人為地降低了土體的強度參數，折減系數為0.85。對勘察報告給出的土層進行分類處理，淤泥質粉質粘土、粘質粉土，可采用土壓力、水壓力合算方法，對粉土、粉砂等采用土壓力、水壓力分算方法進行，確保結論符合要求。

3.3 計算結果

根據《天津市軌道交通地下工程質量安全風險控制指導書》的相關規定，基坑安全等級為二級，圍護結構最大水平位移≤0.3%H（H為車站深度，本工程最深為18.5m）且≤50mm。

通過對整體三維建模分析計算，進行每一開挖工況的變形穩定性計算，從水平變形值、水平彎矩、豎向彎矩等方面進行對比，分析不同工況，尤其是控制工況，從而對換撐是否取消予以數據支撐。

車站換乘節點未取消換撐前最大基坑變形量為16.38mm，取消換撐后最大基坑變形量為27.42mm，車取消換撐后最大基坑變形量為比取消前增大了約11 mm，但是仍然小于二級車站圍護結構最大水平位移值，最大變形出現在換撐位置，與理論位置基本保持一致，見圖1和圖2。

圖1 取消換撐前的位移值

圖2 取消換撐后的位移值

車站換乘節點未取消換撐前最大圍護結構水平負彎矩為1 656 kN·m，取消換撐后最大圍護結構水平負彎矩為2 414 kN·m，取消換撐后最大圍護結構水平彎矩為比取消換撐前增大了約758 kN·m；未取消換撐前最大圍護結構水平正彎矩為979.6 kN·m，取消換撐后最大圍護結構水平正彎矩為1 510 kN·m，取消換撐后最大圍護結構水平正彎矩為比取消換撐前增大了約530 kN·m，但是仍然小于圍護結構設計允許值，最大變形出現在換撐位置，與最大水平位移位置基本保持一致，見圖3和圖4。

圖3 取消換撐前的圍護結構水平彎矩

圖4 取消換撐后的圍護結構水平彎矩

車站換乘節點未取消換撐前最大圍護結構豎向負彎矩為1 266 kN·m，取消換撐后最大圍護結構豎向負彎矩為2 684 kN·m，取消換撐后最大圍護結構豎向彎矩為比車站換乘節點取消換撐前增大了約1 418 kN·m；車站換乘節點未取消換撐前最大圍護結構豎向正彎矩為1 927 kN·m，取消換撐后最大圍護結構豎向正彎矩為2 984 kN·m，取消換撐后最大圍護結構豎向正彎矩為比車站換乘節點取消換撐前增大了約1 057 kN·m，但是仍然小于圍護結構設計允許值，最大變形位置出現在換撐位置，與最大水平位移位置基本保持一致，見圖5和圖6。

通過三維計算發現，雖然基坑圍護結構的水平變形值、水平彎矩、豎向彎矩均增大，但未加支撐仍然滿足變形和內力要求，理論上本車站可以取消換撐。但是本模型在建模過程中把鋼支撐與地下連續墻的連接當作固結處理，增大了鋼支撐的變形剛度，與實際情況略有偏差，在建模過程中把土體的強度人為的降低，所以，所以在施工過程中要加強深基坑結構變形的監測，同時要進行地層的對比，看實際地層與勘查報告的地層有多大差別，依據監測結果和實際地層的變化情況，如果變形在控制值范圍內，可以考慮取消換撐。

圖5 取消換撐前的圍護結構豎向彎矩

圖6 取消換撐后的圍護結構豎向彎矩

4 結論

目前基坑開挖設計大都參照經驗值，一味地增加安全系數，沒有根據實際情況進行設計，盲目的增加換撐，設置換撐雖然可以減少基坑的變形，增加基坑的穩定性，但是增加一道換撐會給基坑增加較多的施工工序和經濟成本，施工難度大大增加，尤其是雨季施工。車站圍護結構的水平位移增加了60%，圍護結構水平、豎向彎矩約增加一倍，理論上可以取消換撐，如果實際檢測數據滿足設計預警值，那么就可以考慮取消換撐。

在基坑施工過程中，應組織相關技術人員對設計圖紙進行深化研究并結合施工工藝及總體部署要求，優化施工方案的同時，與設計單位進行溝通，以優化施工設計圖紙，用理論及實踐使優化設計變得更加有說服力，在確保基坑安全及穩定的情況下，達到節約成本，降低施工難度及保證施工安全、質量、進度的目的。

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