幕架式暗挖施工的數值模擬及分析

左自波

(1.上海建工集團股份有限公司，上海 200080； 2.上海建工集團工程研究總院，上海 201114)

引言

特大城市正加快地下空間的網絡化布局[1]，地下空間網絡化施工過程中不可避免要下穿越城市道路、鐵路、機場、景觀綠地等既有公共設施，為了有效控制地表變形并盡可能減小施工對既有公共設施的影響，通常采用管幕法進行施工，主要原因在于該方法具有極大的靈活性[2]和較強的適應性[3]，同時，可顯著減少地面沉降和對地面設施的影響[4]，并且具有較好的隔水作用[5]。盡管該方法已被廣泛應用于地下空間的開發[6-11]，但是其仍存在一定的局限性，具體表現為該方法受連接件承載力及對施工環境要求較高的限制只適用于埋深較淺、短距離、小斷面、單層地下空間的開挖。顯然，該方法已不能滿足既有設施下地下空間開發日益增長的需要。因此，有必要結合傳統管幕法的優勢，研發一種能夠適應于多種埋深、長距離、大斷面、多層地下空間暗挖施工的新型施工方法。

為了確保不同類型管幕法施工全過程的安全，通常采用數值模擬[2，12-14]、模型試驗[3]、理論分析[15-16]等方法進行設計優化、分析和預測，并結合現場監測[17]和主動加固等手段進行施工變形的監測控制。隨著管幕法的研究與發展，所衍生的新型管幕法施工的數值模擬有必要更新與完善。

本文結合管幕和順作臨時支護法優勢，提出了一種幕架式暗挖施工方法和支護結構，并研究與其相適應的數值模擬方法，以及嘗試將該方法應用于中心城區既有建筑設施的地下空間開發。

1 幕架式暗挖施工方法的工作原理

1.1 施工工藝

幕架式暗挖施工方法的施工工藝主要包括以下步驟，具體見圖1和文獻[18]。

圖1 新管幕法施工工藝示意

(1)步驟1：工作井及接收井和圍護施工。垂直于掘進方向在擬建地下空間兩端分別構筑工作井和接收井，并在垂直于工作井和接受井的地下空間兩側采用靜壓法施工一對相互平行的鋼管樁圍護結構，必要時可在鋼管樁內灌注混凝土芯以保證其剛度要求。

(2)步驟2：管幕施工。在擬建地下空間土體上方施工管幕，管幕由若干鋼管水平并排形成，相鄰鋼管通過側面的鎖口相互連接，鎖口空隙處填充止水材料，鋼管的軸線與掘進方向一致，管幕平行于掘進方向的兩端分別固接于鋼管樁圍護結構上，管幕垂直于掘進方向的兩端分別懸設于工作井和豎接收井中，必要時可在鋼管內灌注混凝土芯。

(3)步驟3：凍結壁施工。將地下一層土體沿垂直于掘進方向劃分為若干單元，每個單元四周均采用凍結法施工凍結壁，實現鄰近管幕下方的土體進行水平加固。

(4)步驟4：開挖并施工臨時支撐。在凍結壁的保護下，掘進方向從工作井向接收井、寬度方向從一側向另一側分段逐步放坡開挖地下一層加固土體，邊開挖邊施工臨時支撐。其中，臨時支撐主要包括：臨時柱、臨時梁、臨時水平撐、剪刀撐。

(5)步驟5：靜壓鋼管樁施工。繼續開挖地下一層土體并逐步施工靜壓鋼管樁以替代豎向臨時支撐，靜壓鋼管樁的底端深入待施工的地下結構底板以下的土體中，且靜壓鋼管樁的埋深大于鋼管樁圍護結構的埋深，必要時可在鋼管內灌注混凝土芯。

(6)步驟6：靜壓鋼管樁接樁及換撐施工。待地下一層若干單元土體開挖完畢，對靜壓鋼管樁進行接樁施工，并換臨時支撐(增加臨時剪刀撐，并拆除部分臨時柱、臨時梁和臨時水平撐)，使得靜壓鋼管樁的頂端與位于管幕下部的臨時梁焊接連接，并將臨時梁和地下一層臨時水平支撐兩端焊接至鋼管樁圍護結構上。

(7)步驟7：重復步驟4～步驟6形成地下1層幕架體系。重復步驟4～步驟6，直至地下一層土體全部開挖完畢，第一層鋼管樁豎向支撐焊接施工，臨時頂部梁、臨時水平支撐、臨時剪刀撐施工完畢，并將臨時頂部梁和臨時水平支撐兩端焊接至鋼管樁外壁，從而形成地下1層幕架體系。其中，鋼管樁關鍵部位施工位移自動補償裝置，可根據樁的隆起和沉降自動進行補償控制幕架位移。

(8)步驟8：保護下開挖并形成第2～第N層幕架體系。對地下二層至地下第N層土體進行壓密注漿法加固后采用抽條法逐步開挖，并施工臨時水平支撐和臨時剪刀撐，使得臨時水平支撐分別固接于鋼管樁圍護結構上，從而形成地下二層幕架體系至地下第N層幕架體系，并澆筑地下結構底板，N為≥2的整數；

(9)步驟9：幕架保護下施工永久結構并拆除臨時支撐。采用順作法依次施工擬建地下空間的永久結構，割除擬建地下空間內的靜壓鋼管樁并拆除剩余的臨時支撐。

針對軟土地區的大變形、地下水患的問題，本方法步驟3采用凍結壁施工[19-20]，步驟8中采用壓密注漿法加固土體等手段加以解決。

1.2 數值模擬方法

幕架式暗挖施工數值模擬方法步驟如圖2所示。

圖2 新管幕法施工數值模擬方法步驟

Step1：確定主控因素。選取管幕及地表允許變形量作為主要的控制因素。管幕及地表允許變形量分別取5，20 mm，研究表明，管幕變形量小于5 mm時，地表沉降變形可控制在20 mm內[4]。

Step2：數值模擬搜索計算。建立包括土層、管幕、凍結壁和圍護結構的三維數值模型(不包括臨時支撐)，進行不同尺寸(等間距調整掘進尺寸和開挖寬度，逐步增大)土方開挖的工況模擬計算，停止計算的標準，待土體發生較大塑性變形，計算不收斂。

Step3：判斷工況變形是否超限。根據數值計算結果判斷管幕及地表變形量是否超過允許值，任一控制因素不滿足條件，返回Step2調整土體開挖尺寸，重新進行計算，直至滿足不超限為止。

Step4：確定施工參數。根據上一步計算結果確定開挖尺寸和臨時柱及靜壓鋼管樁間距。

Step5：根據規范計算確定幕架參數。根據《建筑結構荷載規范》《混凝結構設計規范》《建筑地基基礎設計規范》《建結樁基技術規范》《鋼結構設計規范》《預制高強混凝土薄壁鋼管樁》等規范計算靜壓鋼管樁入土深度、臨時支撐尺寸。

Step6：三維數值模擬評估。建立包括土層、管幕、凍結壁、圍護結構、臨時支撐和靜壓鋼管樁的三維數值模型。通過三維數值計算進行施工參數的可行性評估與驗證。

Step7：施工與監測建議。根據計算結果，給出施工變形控制及監測傳感器布置的建議。

需要說明的是，所提出的數值模擬方法與常規地下工程模擬有所不同：Step1中以管幕和土體沉降為主控因素，以及Step2搜索計算確定快挖尺寸，是一動態模擬的過程。下面將以地下停車庫工程為案例進行說明。

2 工程應用

2.1 工程概況

上海市長寧區某公園地下停車庫工程，在已有公園下方開發一個結合管理辦公及地下停車庫的綜合地下空間，土方開挖量為8.4萬m3。地下空間施工過程中要求不能影響地上大面積種植綠地、古樹和公共服務設施，擬采用所發明的新管幕法進行施工。地下永久結構柱的尺寸為700 mm×700 mm，底板厚度為1 000 mm，頂板厚度為200 mm，中隔板厚度均為150 mm，梁的尺寸為900 mm×350 mm，側墻厚度為700 mm。

2.2 有限元模型及參數

建立圖3所示的三維有限元模型，其尺寸為130 m×72 m×60 m。建模的主要對象包括土層、管幕、凍結壁、鋼管樁圍護結構、臨時支撐(臨時梁、臨時柱、臨時水平支撐)、靜壓鋼管樁和永久結構。其中Step2中模型不包括臨時支撐和靜壓鋼管樁。模型單元總數為178 644，節點數為162 800。其中鋼管樁圍護結構直徑為900 mm、壁厚為14 mm，內部灌入混凝土，按照抗彎剛度相等的原則將其簡化為地下連續墻結構(厚度為510 mm，深為26 m)；管幕直徑為610 mm，間距為690 mm，壁厚為14 mm；凍結壁采用格柵式加固寬度為5 m，厚度為1 m。模型單元類型與相關計算參數如表1、表2所示。

圖3 3D有限元模型

表1 模型單元類型與計算參數

2.3 計算工況

Step2中計算工況如表3所示，共11個計算分析步。其中開挖方式采用分級放坡開挖，具體見圖4。Step6中為了驗算所設計施工參數的可行性和安全性，選取最危險工況進行計算分析，如表4所示。

表2 土層參數

表3 計算工況(Step2)

圖4 開挖工況

需要說明的是，數值計算中僅針對危險工況進行分析，實際施工前應對各局部施工工序下的結構進行計算分析并采取加固措施，如水平方向設置剪刀撐等。同時，計算中未考慮支撐施工時間效應引起管幕及地表的沉降變形，即假定土方開挖后立刻施工支撐，則地表沉降計算值比實際值偏小，因此建議加強地表監測。此外，計算中未考慮地下水的影響，有關計算方法尚需進一步研究。

表4 計算工況(Step6)

3 計算結果與分析

3.1 施工參數的確定

圖5為Step2中數值計算得到的土體及管幕變形最大值隨著土方開挖的變化圖。

圖5 土體及管幕變形最大值隨著土方開挖的變化

由圖5可見，選取管幕和地表允許變形量作為主控因素所滿足的開挖工況分別為D4和D5，對應的最大掘進距離×最大開挖寬度分別為：6 m×6 m和7 m×7 m。考慮安全系數，Step4中最終選取的開挖尺寸為6 m×6 m，臨時柱及靜壓鋼管樁間距均為4 m×6 m。

3.2 幕架參數的確定

幕架體系中靜壓鋼管樁入土深度的初步取值可由下式確定

Quk=u∑qsikli+λpqpkAp

(1)

式中，Quk為單樁豎向極限承載力標準值；u為樁身周長；λp為樁端土塞效應系數；hb為樁端進入持力層深度；d為鋼管外徑；Ap為樁端面積；qsik、qpk取值詳細見《建結樁基技術規范》。當hb/d<5時，λp=0.16hb/d；當hb/d≥5時，λp=0.8。

靜壓鋼管樁間距為4 m×6 m時，樁頂豎向荷載最大值取Nmax=2 063.0 kN，初步選定直徑為500 mm和377 mm的靜壓鋼管樁，壁厚均為14 mm，代入式(1)得到靜壓鋼管樁入土深度分別為31 m和41 m，經驗算均滿足承載力要求。最終選用直徑為500 mm，壁厚為14 mm的靜壓鋼管樁。

臨時柱按軸心受壓及受拉構件計算，其截面尺寸由下式確定

(2)

式中，N為軸心壓力，取值為2 063.0 kN；f為抗壓強度，取值為190 N/mm2；An=凈截面積。

由式(2)得到凈截面積An為108.6 cm2。臨時柱初步選取規格為H400×400×13×21×24的H型鋼，經驗算滿足穩定性要求。

臨時梁按主平面內受彎的實腹構件計算，其截面尺寸由下式確定

(3)

式中，Mx、My分別為截面處繞x軸和y軸的彎矩；γx、γy為截面發展系數，取值分別為1.05，1.2；Wnx、Wny分別為對x軸和y軸的凈截面模量；f為抗彎強度，取值為190 MPa。

作用于臨時梁的線荷載q為87.9 kN/m，Mx=717.6 kN·m、My=0 kN·m，代入式(3)得到凈截面模量Wnx=3597 cm3。臨時梁初步選取規格為H414×405×18×28×24的H型鋼，經驗算滿足抗剪強度、整體穩定性要求。

臨時水平支撐軸心受壓及受拉構件計算，其截面積由式(2)確定。軸心壓力N=1 704.5 kN，則凈截面積An為89.7 cm2。臨時水平支撐初步選取規格為H350×350×12×19×20型鋼，經驗算滿足穩定性要求。

此外，剪刀撐選取規格為H350×350×12×19×20的型鋼。

3.3 施工參數的可行性評估

圖6為三維數值模擬計算結果。由圖6可見，工況5，焊接鋼管樁至結構頂部同時施工頂梁，并拆除部分臨時支撐時，土體發生最大沉降變形，大小為4.2 mm，遠小于25 mm；管幕沉降變形達最大值，大小為9.1 mm，管幕應力達到最大值，為36.6 MPa，遠小于屈服應力235 MPa；臨時梁和臨時水平支撐應力達最大值，分別為97.80 MPa和207.2 MPa，小于屈服應力235 MPa。工況6，土方開挖完畢后，靜壓鋼管樁隆起變形達最大值，其值為35.42 mm。

圖6 三維數值模擬計算結果

綜上可見，土體和幕架體系結構的位移和應力均滿足相應要求，即所確定的施工參數可行。

3.4 施工與監測建議

根據前述數值計算結果，臨時柱、靜壓鋼管樁、管幕、臨時梁、臨時水平支撐部分區域變形或應力相對較大，建議加強監測，其對應的區域如圖7所示。其中，臨時水平支撐除建議加強監測的區域外，建議平面區域每隔25 m×25 m范圍內布置監測點。此外可根據土體、鋼管樁圍護結構位移等計算結果布置地表變形、圍護結構側移及頂部豎向位移監測點。

圖7 幕架體系加強監測區域

4 結論與建議

(1) 提出了一種既有設施下多層地下空間暗挖施工的幕架式暗挖施工方法和支護結構，解決了傳統管幕法僅適用于埋深較淺、單層地下空間開挖，而不適用于大斷面、長距離、多層地下空間暗挖施工的問題，同時該方法可適用于中心城區既有地下空間的水平網絡化連通施工。

(2) 針對所提出的幕架式暗挖施工方法，給出了相應的數值模擬方法，并將該方法應用于中心城區既有建筑設施的地下停車庫綜合地下空間開發。

(3) 對背景工程的施工參數進行了設計，施工參數主要包括：臨時柱及靜壓鋼管樁豎向支撐的間距、靜壓鋼管樁的直徑及入土深度、臨時支撐的尺寸等；并采用三維數值模擬的方法對所設計施工參數的可行性和安全性進行了分析評估；計算結果分析表明，土體和幕架體系結構的位移和應力均滿足相應要求，即所設計的施工參數可行；基于計算結果給出了施工和監測建議。