軟土地區深基坑工程換撐代替方案研究

胡 林，陳廣思，郭紹曾，劉 潤

（天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

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軟土地區深基坑工程換撐代替方案研究

胡 林，陳廣思，郭紹曾，劉 潤

（天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

摘要：結合天津南運河地鐵站深基坑工程，運用專業的巖土工程計算軟件Plaxis([2])模擬了基坑的開挖過程，對換撐與滿堂腳手架工況進行了對比分析，精確模擬了地下水位的穩態下降過程及軟土應力隨應變的硬化規律([3])，通過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[5, 6]，比如臨時性、復雜性、高風險、隨機性及地域性等。地鐵施工基坑開挖的過程中，由于圍護結構主要承受水平方向的土壓力同時會產生向基坑方向的水平位移，從而使得基坑的外部地表發生變形，而且隨著開挖深度的增加地表變形也會隨之增大。如果基坑的周邊作用有不均勻超載也會在一定程度上引起土體的側向位移，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]。與此同時開挖的不斷進行也會使得樁體跟墻體側向位移增加，如何研究基坑開挖過程中樁體跟墻體的側向變形并且保證地連墻的側向變形滿足基坑開挖技術規范中對基坑開挖設計控制指標中的要求是我們國內研究地鐵站基坑工程的重要而迫切的課題[10~12]。

為此，本文結合天津南運河地鐵站深基坑工程實例探究滿堂腳手架代替換撐方案的可行性和準確性。作者運用巖土專業分析模擬軟件Plaxis，對換撐工況、滿堂紅替代換撐工況進行了數值模擬計算，對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指標，計算結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

南運河站位于天津市紅橋區中環線（紅旗路）與芥園道交口處，地理位置優越，交通繁忙。該站為地下二層標準車站，基坑開挖深度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，基坑開挖寬度15.30～30.20 m。基坑圍護主體結構擬采用地下連續墻，蓋挖法地段擬采用樁基礎，圖1為基坑圍護結構平面示意。

圖1 基坑圍護結構平面示意

1.2 計算斷面的選取

根據設計變更方要求，選取基坑圍護結構中的標準剖面4-4剖面作為計算斷面，如圖2所示。

圖2 計算斷面剖面

1.3 工程地質條件和土層力學指標

根據《天津地鐵6號線工程巖土工程勘察報告（詳細勘察階段）》以及選取的計算斷面的位置，并為安全起見，選擇了土質相對較差的鉆孔進行計算，最終選用了鉆孔6NY10作為計算斷面的土體剖面，具體參數見表1。其中h表示厚度，表示不飽和重度，表示飽和重度，表示標準三軸排水實驗割線模量，Eor e edf 標準固結實驗模量，表示卸載/重加載剛度，表示內摩擦角，表示粘聚力，表示滲透系數。

表1 土層力學指標

2 本構模型和建模方法

2.1 本構模型的選取

本文所采用的土體本構模型為高級雙曲線模型，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和作簡要介紹。

圖3 三軸排水試驗主加載下的應力應變關系

2.2 建模方法

在Plaxis計算中地連墻、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長形結構對象，具有較大的彎曲剛度和軸向剛度，根據彎曲剛度EI和軸向剛度EA可以計算出板單元的等效厚度deq。具體參數見表2。

表2 板單元參數

由于Plaxis中點對點錨錠桿單元可以施加預應力，因此第一至第四道支撐以及換撐均采用預應力點對點錨錠桿單元進行模擬，具體參數見表3。

表3 錨錠桿單元參數

2.3 開挖步驟和工序

針對南運河地鐵站基坑工程縱向分布均勻橫向對稱的特點，可將三維基坑開挖問題簡化為計算開挖某一斷面的平面應變問題，根據設計方案變更方的要求，選取基坑標準斷面4-4剖面作為計算斷面，分別建立了基坑開挖模型，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，原設計施工順序為土方開挖至第一段基坑底標高后開始施作底板，底板完成后拆除第4道支撐，施作負二層側墻至第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。開挖時主體結構大、小兩個基坑分別從端頭向中間逐層、逐段、倒退開挖，開挖過程進行坑內降水，水位保持在最低開挖面以下1 m。土方開挖至第一段基坑底標高后開始施作底板，底板完成后拆除第4道支撐，施作負二層側墻至第3道支撐下0.5 m；完成后拆除第3道支撐，施作中板。

在施作負二層側墻時采用了滿堂腳手架，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，減少施工費用，擬在拆除第3道支撐、施作中板前，不架設換撐，依靠滿堂腳手架代替原換撐受力。

表4 兩種工況工序

工況模型見圖4、圖5。

圖4 換撐方案模型

圖5 滿堂紅方案模型

3 數值模擬結果

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，在結合使用Plaxis軟件的模擬基礎上，得到兩種工況的數值模擬結果。由于設計要求模擬結果均應該滿足基坑開挖技術規范中對基坑開挖設計控制指標中的要求，要求圍護結構最大側移要在開挖深度的一定比例內。比如我國的上海、北京、天津等大城市基坑工程技術規范明確規定基坑工程的設計除應滿足穩定性和承載力要求外，尚應滿足基坑周圍環境對變形的控制要求。應根據基坑周圍環境的復雜程度及環境保護要求進行變形控制設計并采取相應的保護措施。基坑變形的設計控制指標規定圍護結構最大側移不超過基坑開挖深度的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來分析對比模擬結果，以便能驗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給出了地連墻各個階段的水平位移分布，橫軸表示模擬各個階段地連墻的水平位移，縱軸表示地連墻的坐標，數值范圍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，呈現哪開挖哪出現位移，離開挖越遠處位移越小直至地連墻底端始終嵌固住的特點。當開挖到一定深度后地連墻會相應的做出位移反應，這是因為缺少了土壓力的緣故，符合土力學中土壓力原理和實際施工的監測情況。當施加支撐了之后在支撐附近相應的地連墻位移會出現反彈的效果，起到了良好的支護基坑變形的作用，而且支護作用一直延續到其他的階段直至基坑開挖完成。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規律，滿足實際開挖的情況。在最后一個階段位移變形圖類似“豎型波峰”，其顯著特點是地連墻的水平位移先增加后急速減小，最大位移出現在基坑底部處，地連墻的最大UX為5.72 cm，由于基坑變形的設計控制指標規定圍護結構最大側移不超過基坑開挖深度的0.3 %，開挖深度是18.15 m，允許的最大的側移是5.55 cm，計算結果是5.72 cm，處于可接受的允許誤差范圍之內，證明了數值模擬計算的結果可靠和準確。

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。

特別需要說明的是，有限元模擬結果的準確性依賴計算參數的準確性，由于尚沒有基坑開挖的監測數據，此次計算得到的基坑最大變形量沒有用工程實際數據校準，計算結果可能與實際情況有所出入，但計算得到的各個工況變形趨勢有較高的參考價值。

圖6 地連墻各個階段的水平位移分布

圖7 換撐工況完成后地連墻側移

圖8 換撐完成后地連墻的剪應力分布

圖9 換撐完成后地連墻的彎矩分布

3.2 滿堂紅工況

圖10給出了地連墻各個階段的水平位移分布，起始階段因為跟換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了這一點。在將滿堂紅替代換撐后地連墻側位移開始稍微變大些，沒有影響后面相同的步驟，說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 %。最后一個階段位移變形圖類似“豎型波峰”，其顯著特點是地連墻的水平位移先增加后急速減小，最大位移出現在基坑底部處，地連墻的最大UX為5.88 cm，由于基坑變形的設計控制指標規定圍護結構最大側移不超過基坑開挖深度的0.3 %，開挖深度是18.5 m，允許的最大的側移是5.55 cm，計算結果是5.88 cm，處于可接受的允許誤差范圍之內，證明了數值模擬計算的結果是可靠和準確的。

由圖11、12、13可知，基坑開挖完成后地連墻的最大水平位移為5.88 cm，最大剪應力為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輸出結果可知滿堂腳手架橫桿的最大撓度為2.43 mm，小于規范要求的受彎桿件容許繞度10 mm；最大軸力為17.37 kN，轉換為最大壓應力為120 MPa，小于桿件的抗壓強度設計值205 MPa，均滿足設計要求。立桿最大水平位移為2.9 mm，小于規范要求的立桿頂部水平位移小于10 mm，完全符合要求。

圖10 地連墻各個階段的水平位移分布

圖11 滿堂紅完成后地連墻側位移

圖12 基坑開挖完成后地連墻的剪應力分布

圖13 基坑開挖完成后地連墻的彎矩分布

3.3 兩種工況對比

為了說明滿堂腳手架代替換撐設計的可行性，將換撐工況與滿堂腳手架代替換撐工況的結果進行對比，具體結果如表5。

表5 換撐工況與滿堂腳手架代替工況結果對比

由表5可知滿堂腳手架能夠較好的起到支撐支護的作用，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，因此使用滿堂腳手架代替換撐的方案可行。

4 結 論

本項研究應用Plaxis軟件對有換撐原方案和滿堂腳手架代替換撐方案進行了對比分析，得到以下幾條結論：

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，不會影響基坑支護的安全。

2）滿堂腳手架能夠較好的起到支撐支護的作用，使用滿堂腳手架代替換撐，地連墻的最大彎矩與剪力沒有明顯增幅，地連墻最大水平位移相對換撐工況增幅為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，因此使用滿堂腳手架代替換撐的方案可行。

3）兩種工況的模擬結果均滿足在基坑開挖技術規范中對基坑開挖設計控制指標中的要求即是要求圍護結構最大側移要在開挖深度的一定比例內，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，也可以為工程設計和施工提供參考，但必須保證腳手架的桿件本身的強度與橫桿和立桿布置的密度，并加強觀測。

參考文獻 ：

[1] 費康，張建偉. ABAQUS在巖土工程中的應用[M]. 北京:中國水利水電出版社，2009.

[2] 北京金土木軟件技術有限公司. PLAXIS巖土工程軟件使用指南[S]. 北京:人民交通出版社, 2010.

[3] 錢家歡，殷宗澤. 土工原理與計算[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2003.

[4] 張雪巖，閆澍旺. 巖土塑形力學基礎[M]. 天津:天津大學出版社, 2004.

[5] 工程地質手冊[M]. 北京:中國建筑工業出版社, 2007.

[6] 周瑩. 淺談地鐵基坑工程施工特點及風險控制對策[J].城市建設理論研究，2013.

[7] 陳志明. 深基坑工程開挖與支護的三維有限元模擬[D].天津：天津大學，2011.

[8] 羅孝敏. 天津濱海新區基坑開挖的數值模擬與變形研究[D]. 天津：天津大學，2011.

[9] 劉小麗，馬悅，郭冠群，等. PLAXIS 2D模擬計算基坑開挖工程的適用性分析[J]. 中國海洋大學學報，2012，42(4): 19-25.

[10] 王文，趙平. 基于Midas的基坑換撐有限元分析[J]. 陜西理工學院學報，2010，26(2): 13-19.

[11] 拓守盛, 王育波，段云英. 地鐵車站明挖基坑內支撐技術[J]. 西部探礦工程，2005，107(4): 7-13.

[12] 王文，趙平. 地鐵基坑換撐受力分析[J]. 山西建筑，2010.

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

作者簡介：胡林（1989-），男，碩士，研究方向為巖土工程基坑降水和開挖。

收稿日期：2015-10-19

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160118

中圖分類號：TU472

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）01-0074-06