裝配式半鋪蓋法施工臨時(shí)立柱穩(wěn)定性措施研究*

劉 軍，袁 瀟，張春節(jié)，魏 力

(1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2.北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100176)

0 引言

在當(dāng)今地下建筑結(jié)構(gòu)修建盛行的年代，裝配式半鋪蓋法無(wú)疑能極大地緩解地下工程施工對(duì)地面道路交通造成的影響。此前，有不少學(xué)者進(jìn)行半鋪蓋法研究：宋玲坤等[1]以北京地鐵10號(hào)線(xiàn)海淀黃莊站為背景，分析利用鋪蓋法進(jìn)行施工時(shí)會(huì)遇到的工程問(wèn)題及解決辦法。杜正時(shí)[2]針對(duì)鋪蓋法在水利水電工程應(yīng)用中的滲水問(wèn)題，研究黏土在防滲設(shè)施上的應(yīng)用及注意事項(xiàng)。任建喜[3]重點(diǎn)研究了在采用半鋪蓋法進(jìn)行地鐵車(chē)站基坑建設(shè)時(shí)，中間立柱沉降變形規(guī)律及其原理。王安勐等[4]以北京廣渠路隧道工程為研究背景，對(duì)半鋪蓋法體系方案進(jìn)行比較和總結(jié)。孟慶軍等[5]以南寧市地鐵1號(hào)線(xiàn)某地鐵站基坑工程為背景，研究了大跨度基坑施工問(wèn)題，并對(duì)此類(lèi)復(fù)雜基坑中半鋪蓋法的應(yīng)用進(jìn)行探究。葉小雷等[6]通過(guò)工程實(shí)例，總結(jié)了管道鋪蓋法施工的要點(diǎn)。李華磊等[7]通過(guò)數(shù)值模擬研究了在半鋪蓋法施工中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變化規(guī)律，并通過(guò)實(shí)際工程案例進(jìn)行驗(yàn)證。

然而，已有研究多針對(duì)各種工況下半鋪蓋法施工工藝和可能出現(xiàn)的問(wèn)題，少有針對(duì)其建造過(guò)程中的臨時(shí)立柱穩(wěn)定性的研究。本文以實(shí)際裝配式半鋪蓋法工程為背景，通過(guò)數(shù)值模擬研究，提出保證半鋪蓋體系臨時(shí)立柱穩(wěn)定的措施。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

沈陽(yáng)某地鐵車(chē)站為地下2層3跨車(chē)站，采用島式站臺(tái)。該車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段寬22.5m，底板埋深17.3～18.7m，主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)179.4m。主體結(jié)構(gòu)采用裝配式半鋪蓋法施工，基坑圍護(hù)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)從上往下共設(shè)置3道支撐，分別為1道混凝土支撐、2道鋼支撐。該工程分層開(kāi)挖，每次開(kāi)挖至支撐中心設(shè)計(jì)標(biāo)高以下約0.5m處后，進(jìn)行支撐安裝。其中車(chē)站地層參數(shù)如表1所示。

1.2 裝配式半鋪蓋法結(jié)構(gòu)構(gòu)造

裝配式半鋪蓋法結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要分為3個(gè)部分：圍護(hù)結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)包括鋪蓋板、鋪蓋板支撐梁、鋪蓋板支撐梁連接構(gòu)件、抗傾覆連接構(gòu)件、連接螺栓等，下部結(jié)構(gòu)主要包括臨時(shí)立柱、肋板、環(huán)板、剪刀撐、臨時(shí)立柱縱橫向連接構(gòu)件、連接螺栓等。主要部件如圖1所示。

圖1 裝配式半鋪蓋法結(jié)構(gòu)構(gòu)造

由圖1可知，傳力模式為鋪蓋板上的荷載通過(guò)鋪蓋板支撐梁傳遞給冠梁和中間縱梁支撐，進(jìn)而再由冠梁和中間縱梁支撐分別傳遞給基坑圍護(hù)樁和中間臨時(shí)立柱。故可知基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、臨時(shí)立柱在半鋪蓋法結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中起關(guān)鍵性作用。

2 臨時(shí)立柱穩(wěn)定性措施研究

2.1 FLAC3D模型建立

由于基坑較長(zhǎng)，采用平面應(yīng)變模型，縱向上僅截取5根臨時(shí)立柱長(zhǎng)度。所建模型為實(shí)際基坑模型的簡(jiǎn)化模型(見(jiàn)圖2)，模型尺寸為長(zhǎng)36m，寬22.8m，基坑深度18m，車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑為800mm、樁心距為1 200mm的C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，長(zhǎng)度約21.6m。中間立柱采用鋼管樁形式，采用φ800×12鋼管，間距為6m，內(nèi)澆筑C25混凝土。從上到下設(shè)置1道混凝土支撐、2道鋼支撐。混凝土梁截面尺寸為1 200mm×1 000mm，2道鋼支撐直徑均為609mm。在該模型中，取2倍基坑尺寸為基坑周邊土體，5個(gè)面均進(jìn)行局部位移限制。在整個(gè)基坑模型設(shè)計(jì)中，可分為實(shí)體構(gòu)件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件兩部分。其中實(shí)體構(gòu)件包括灌注樁、冠梁、臨時(shí)立柱、鋪蓋板、第1道混凝土支撐、樁間噴射混凝土等，結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括2道鋼支撐。結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

圖2 半鋪蓋法FLAC3D模型

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

鋪蓋板上受均布荷載20kPa，基坑分為4次開(kāi)挖。第1次向下開(kāi)挖1.91m(即第1道橫撐下0.5m處)，第2次繼續(xù)向下開(kāi)挖7.49m(即第2道橫撐下0.5m處)，第3次繼續(xù)向下開(kāi)挖5m(即開(kāi)挖至第3道橫撐下0.5m處)，第4次繼續(xù)開(kāi)挖至底板。臨時(shí)立柱及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 臨時(shí)立柱與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

2.2 穩(wěn)定性分析

裝配式鋪蓋體系中的臨時(shí)立柱屬于下部結(jié)構(gòu)，在基坑開(kāi)挖中失去了周邊土體約束，從而其穩(wěn)定性會(huì)關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)體系安全。因此，在模擬中，探尋基坑開(kāi)挖中臨時(shí)立柱變化規(guī)律并分析臨時(shí)立柱穩(wěn)定性影響因素，確定保證臨時(shí)立柱穩(wěn)定的措施。

2.2.1豎向位移

2.2.1.1無(wú)剪刀撐工況

通過(guò)數(shù)值模擬可得，在該工況下，臨時(shí)立柱1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降約為-35mm。同時(shí)由豎向位移云圖可知，中間臨時(shí)立柱會(huì)產(chǎn)生較大豎向位移，兩側(cè)立柱由于受到更多約束，產(chǎn)生相對(duì)較小的豎向位移；對(duì)比基坑兩側(cè)約束較強(qiáng)的立柱和相對(duì)約束較弱的中間立柱，即1，3號(hào)立柱，發(fā)現(xiàn)距離中間立柱越近，與中間立柱所產(chǎn)生的豎向位移差別越小(見(jiàn)圖4，圖中“1-監(jiān)測(cè)點(diǎn)2”表示1號(hào)立柱中2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))。為確保數(shù)據(jù)曲線(xiàn)精確性，在工況與工況之間采取小數(shù)，表示在相應(yīng)數(shù)值模擬運(yùn)算步數(shù)上對(duì)應(yīng)的數(shù)值。工程剛開(kāi)始時(shí)兩柱豎向位移差別不大，但隨著開(kāi)挖階段進(jìn)行，由于每層土層強(qiáng)度不同，承載能力不同，差別越來(lái)越大。

圖4 1，3號(hào)臨時(shí)立柱豎向位移對(duì)比

由圖4可知，臨時(shí)立柱累計(jì)變形均有相似變形規(guī)律，可分為4個(gè)階段：微小沉降階段、上下波動(dòng)階段、大沉降階段、穩(wěn)定階段。微小沉降階段為施工剛開(kāi)始階段，鋪蓋板上所承受的荷載直接傳遞給中間臨時(shí)立柱，但最終由中間臨時(shí)立柱自身承載力和臨時(shí)立柱與周邊土體摩擦力承擔(dān)，故該階段臨時(shí)立柱豎向位移不大；當(dāng)隨著基坑逐步向下開(kāi)挖，基坑內(nèi)土體減少，基坑內(nèi)外壓差增大，可能導(dǎo)致臨時(shí)立柱向上隆起，但同樣，由于臨時(shí)立柱周邊土體的減少，導(dǎo)致土體能幫助臨時(shí)立柱分擔(dān)的荷載越來(lái)越小，鋪蓋板結(jié)構(gòu)自重及荷載對(duì)臨時(shí)立柱的影響逐漸變大，故這是一個(gè)隨基坑不斷開(kāi)挖的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，最終出現(xiàn)沉降值上下波動(dòng)的情況；而當(dāng)開(kāi)挖至一定深度時(shí)，土體與臨時(shí)立柱摩擦力越來(lái)越小，鋪蓋板上負(fù)載作用在臨時(shí)立柱上的值逐漸達(dá)到最大值，此時(shí)對(duì)臨時(shí)立柱造成的影響已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由于基坑隆起對(duì)臨時(shí)立柱造成的影響，故臨時(shí)立柱開(kāi)始發(fā)生較大沉降，該階段即為大沉降階段；最終，到基坑開(kāi)挖接近尾聲時(shí)，中間臨時(shí)立柱受到的影響趨于穩(wěn)定。

2.2.1.2有剪刀撐工況

臨時(shí)立柱間隨著基坑開(kāi)挖安裝了剪刀撐后，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得臨時(shí)立柱最大累計(jì)沉降值約為-3.53mm，并最終將其與無(wú)剪刀撐工況下的1，3號(hào)臨時(shí)立柱進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 立柱豎向位移對(duì)比

由圖5可知，1，3號(hào)立柱在及時(shí)安裝剪刀撐后，豎向位移均得到明顯限制。同時(shí)，安裝剪刀撐后，1，3號(hào)立柱具有相同豎向位移。這也說(shuō)明通過(guò)剪刀撐的聯(lián)系，協(xié)同作用，共同抵抗變形。

未安裝剪刀撐時(shí)，臨時(shí)立柱與臨時(shí)立柱之間獨(dú)立存在，會(huì)發(fā)生群樁效應(yīng)，如圖6所示，此時(shí)臨時(shí)立柱上所承擔(dān)的荷載會(huì)對(duì)立柱周邊土體產(chǎn)生附加應(yīng)力，且在中間臨時(shí)立柱附近土體會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力的最大值，導(dǎo)致中間臨時(shí)立柱附近土體發(fā)生較大的壓縮沉降。而安裝剪刀撐后，剪刀撐將臨時(shí)立柱聯(lián)系起來(lái)，使其共同作用，抵抗變形，此時(shí)所有臨時(shí)立柱成為一個(gè)整體，可使立柱下土體均分上部荷載所造成的附加應(yīng)力，如圖7所示。此時(shí)中間位置土體不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大附加應(yīng)力，即土體壓縮沉降亦不會(huì)變大。

圖6 無(wú)剪刀撐時(shí)臨時(shí)立柱群樁效應(yīng)

圖7 增加剪刀撐后臨時(shí)立柱協(xié)同作用

2.2.2水平位移

2.2.2.1無(wú)剪刀撐工況

如圖8所示，在無(wú)剪刀撐工況下，產(chǎn)生最大累計(jì)水平位移為18.5mm，其中水平位移正值表示向基坑外側(cè)的位移，下文同理；同時(shí)，在相同深度測(cè)點(diǎn)上，1，3號(hào)臨時(shí)立柱皆具有相同的水平位移。且隨著開(kāi)挖階段不斷進(jìn)行，水平位移也在不斷增加。

圖8 無(wú)剪刀撐工況下臨時(shí)立柱水平位移

2.2.2.2有剪刀撐工況

安裝剪刀撐工況下，臨時(shí)立柱累計(jì)水平位移為9.6mm。說(shuō)明在限制臨時(shí)立柱水平位移上，剪刀撐亦起到作用。1，3號(hào)臨時(shí)立柱在有、無(wú)安裝剪刀撐工況下水平位移對(duì)比如圖9所示。

圖9 立柱水平位移對(duì)比

由圖9可知，無(wú)論有無(wú)剪刀撐限制，發(fā)生最大水平位移的位置均在臨時(shí)立柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)3深度處，即相當(dāng)于臨時(shí)立柱中間位置；而剪刀撐安裝在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，3之間，故此時(shí)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處開(kāi)始起作用，限制立柱水平位移。同時(shí)，安裝剪刀撐后，不同立柱之間依然具有相同的水平位移及變化趨勢(shì)。

2.2.3穩(wěn)定性影響因素分析

1)臨時(shí)立柱剛度 基坑開(kāi)挖中臨時(shí)立柱完全暴露且無(wú)約束，應(yīng)力變化復(fù)雜，若剛度不夠?qū)?huì)導(dǎo)致立柱變形過(guò)大，甚至破壞，而在數(shù)值模擬中，僅選取了1種臨時(shí)立柱剛度值，若增大立柱剛度，則穩(wěn)定性會(huì)更好。

2)剪刀撐強(qiáng)度 由前文分析可知，剪刀撐在臨時(shí)立柱穩(wěn)定性中起著極為重要的作用，能有效限制立柱水平位移和豎向位移。而其起作用的原因是剪刀撐有足夠的強(qiáng)度將臨時(shí)立柱聯(lián)系起來(lái)，共同抵抗變形。

3)基坑開(kāi)挖方法 該基坑工程分為4次開(kāi)挖，每次開(kāi)挖深度不同，跨越土層也不一致，導(dǎo)致臨時(shí)立柱可能出現(xiàn)應(yīng)力突變情況，進(jìn)而使臨時(shí)立柱發(fā)生失穩(wěn)。

2.2.4穩(wěn)定性控制措施

1)增強(qiáng)臨時(shí)立柱自身材料強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)階段解決該問(wèn)題。

2)基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)控制臨時(shí)立柱整體穩(wěn)定性，增設(shè)剪刀撐及縱、橫向連接構(gòu)件。在安裝剪刀撐時(shí)，需做到：①及時(shí)安裝，安裝完1層剪刀撐且立柱變形不再增加后，再進(jìn)行下一層土的開(kāi)挖；②需確保剪刀撐與臨時(shí)立柱連接處的牢固程度，保證剪刀撐發(fā)揮功能。

3)基坑應(yīng)分層開(kāi)挖，每次開(kāi)挖及架撐深度的確定應(yīng)考慮到土層變化，不宜在土層強(qiáng)度變化大的地方進(jìn)行大深度開(kāi)挖。

4)基坑中間位置臨時(shí)立柱空間效應(yīng)較弱，整個(gè)施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，保障工程安全。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以沈陽(yáng)某地鐵車(chē)站基坑工程為背景，通過(guò)數(shù)值模擬研究裝配式半鋪蓋法施工臨時(shí)立柱變形規(guī)律及穩(wěn)定性措施，得出如下結(jié)論。

1)通過(guò)對(duì)半鋪蓋法結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行分析，得出鋪蓋板上荷載在半鋪蓋體系中的力傳遞順序，找到在該體系中起承擔(dān)作用的核心構(gòu)件，即臨時(shí)立柱。

2)在對(duì)臨時(shí)立柱進(jìn)行沉降分析中，可得臨時(shí)立柱在基坑開(kāi)挖階段的沉降分為4個(gè)階段：微小沉降階段、上下波動(dòng)階段、大沉降階段、穩(wěn)定階段。造成這4個(gè)階段的主要因素包括隨基坑開(kāi)挖造成坑底隆起及土體減少對(duì)臨時(shí)立柱上荷載的分擔(dān)程度等。

3)通過(guò)數(shù)值模擬研究有無(wú)剪刀撐工況下臨時(shí)立柱變形，可得知剪刀撐的安裝是確保臨時(shí)立柱穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)。未安裝剪刀撐時(shí)，臨時(shí)立柱水平累計(jì)位移為遠(yuǎn)離基坑方向18.5mm，而此時(shí)臨時(shí)立柱豎向位移則為下沉35mm；安裝剪刀撐后，臨時(shí)立柱水平累計(jì)位移為9.6mm，豎向位移為下沉3.53mm。因此，剪刀撐完善了半鋪蓋體系，使其能協(xié)同作用，很好地達(dá)到限制變形的作用。

4)無(wú)論是否安裝剪刀撐，兩側(cè)和中間臨時(shí)立柱具有相同的位移值和位移方向，兩側(cè)臨時(shí)立柱豎向位移小于中間臨時(shí)立柱豎向位移。

在應(yīng)用裝配式半鋪蓋法建造地鐵車(chē)站過(guò)程中，應(yīng)充分考慮臨時(shí)立柱間剪刀撐所起的作用，以保證臨時(shí)立柱的穩(wěn)定；同時(shí)也應(yīng)分別處理兩側(cè)和中間臨時(shí)立柱，對(duì)這2類(lèi)臨時(shí)立柱使用不同的加固措施。