基于 ABAQUS 對狹小空間可拆卸集成支護設計研究

高素芳，盛志戰，王 勇，劉青松，丁 川

（北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著《國家新型城鎮化規劃（2014－2020年）》和《北京城市總體規劃（2016 年－2035 年）》出臺，中國城鎮化建設已逐步擺脫以大建新區新城為主的增量開發階段，嚴格控制城市大規模拆除，優先補齊市政基礎設施、公共服務設施、公共安全設施短板，轉向以存量更新為主的新階段，老舊小區加裝電梯逐漸成為群眾訴求強烈的民生熱點。在老舊小區加裝電梯是一個復雜的系統工程，整個施工過程中難度最大的是地下工程［1，2］。傳統基坑支護采用支護樁和錨索的聯合支護方式，需要地下提供較大的施工空間。而對于地下空間狹小或者臨時支護，則無法進行常規的基坑支護施工。為適應地下狹小空間的支護設計，邢振華等［3］采用U型擋土槽與旋噴樁聯合支護，提升了基坑支護的深度，且提升了支護結構的強度與剛度，增大了其側壓力的抗性，且設置在土方回填的基礎上，對路面工程進行施工后，可以充分滿足市政道路的通行需要。黃學剛［4］利用伸縮器連接研發了鋼結構構件拼接技術，使支護型式與坑內土體進一步接觸，避免了支護型式與土體間接觸不良的弊端。楊宇松［5］采用多種組合式支護方式，在固化劑加固土體后，使得土體形成一定厚度和嵌固深度的無支撐重力式墻體，可較好地承受墻后水與土壓力。該支護方式成功實現于狹小空間中深大基坑的支護應用，且在確保安全的前提下保證了支護的經濟可行性。俞偉［6］根據基坑特點與周邊環境現狀，選取微型樁與一道工字鋼相結合的支撐支護，因其施工速度較快、施工簡易，對于周圍環境的影響較小，保障了工程質量以及周圍安全。

同一工程采用不同設計方案在經濟性和安全性方面有較大差異，因此本文研發了一套狹小空間可拆卸集成支護型式，能夠應對不同尺寸的基坑支護需求，初步設計不同規格材質，通過 ABAQUS 數值分析選用最優規格和施工工藝，避免傳統施工工藝復雜的現狀，且提高支護效率、達到綠色施工的支護目的。

1 支護結構設計

1.1 支護原理

本文介紹的模塊化支護設備主要由 2 部分組成，即特制骨架鋼板和型鋼樁（如圖1）。其工作原理是利用微型鉆機成孔，將臨時型鋼樁沉至設計深度，分層開挖后，對應樁間采用骨架鋼板順直下壓，直至首塊骨架鋼板置于預定深度，此時將第二塊骨架鋼板置于首塊鋼板上方，繼續下壓，直至后續鋼板均達到預定深度，形成樁板支護體系。本支護體系結合微型可快裝棧橋，可滿足居民安全出行及施工的需求（已申請發明專利）。

圖1 支護設備結構圖

1.2 支護工藝

1.2.1 設備加工

型鋼樁為 16×16 H 型鋼，型鋼樁長度根據基坑深度可進行調整（見圖2）。骨架鋼板采用兩塊薄壁鋼板+中部三角鋼骨架支撐，保證其與型鋼樁的卡口相匹配，滿足骨架鋼板與型鋼樁卡口之間 3 cm 左右搭接，其中首層骨架鋼板下部為沉井刃腳形式，便于鋼板下沉，骨架鋼板內部設置提拉把手，如圖3 所示。

圖2 型鋼樁結構圖

圖3 骨架鋼板結構圖

圖4 三種尺寸模型沉降云圖

圖5 80 mm 厚骨架鋼板位移云圖

1.2.2 施工工藝

1）確定電梯基坑尺寸、相對位置以及型鋼樁點位后利用微型鉆機成孔，將型鋼樁插入已成樁孔，拐角處應打設 2 根型鋼樁，一順一丁布置，中樁采用常規 H 型鋼，保證型鋼樁的垂直度與樁間距，開挖過程中對暴露出的型鋼樁間隔一定距離用鋼筋焊接連接，保證兩根樁整體受力。

2）在擬建電梯基坑區域挖土深度應與單塊骨架鋼板高度一致，不得超挖。骨架鋼板隨挖隨壓，直至首塊骨架鋼板置于預定深度，此時將第二塊骨架鋼板置于首塊鋼板上方，繼續下壓，直至后續鋼板均達到預定深度，形成樁板支護體系。

3）待模塊式基坑支護設備完成拼裝后，方可進行后續土方開挖，在地下主體結構實施過程中由樁板支護體系對周圍土體進行支擋，保證內部工人作業空間及安全。

4）主體結構完工回填結束后，將骨架鋼板及型鋼樁從土體中拔除，拔除后留下的空隙應采用中砂填充，特殊情況下可采用水泥漿液注漿處理。

5）結合常規棧橋，增加可折疊式臨邊護欄，自動升降輕量化棧橋，滿足居民安全出行的需求。

2 設計方案比選及數值分析

2.1 模型的建立

本文所選工程模型不考慮水壓力，地表沒有附加荷載，土體模型幾何尺寸為：30 m×30 m×10 m，基坑開挖土體的幾何尺寸為：4 m×4 m×3 m，土層共劃分88 780 個單元。基坑模型限制底部Y、水平X和Z方向的位移，自由沉降，作為模擬基坑的應力邊界條件。因實際工程中影響支護結構穩定性的因素很多，結合老舊小區加裝電梯工程的實際條件，通過對不同厚度特制骨架鋼板進行模擬計算，選出最優方案進行設計。支護結構模型采用三種不同鋼板尺寸支護型式進行模擬驗算，三種型鋼骨架幾何尺寸分別為：骨架鋼板總厚度 10、8、6 cm。該模型的支護、開挖模擬共分成 4 個步驟：①基坑四角及邊中壓入型鋼柱；②基坑開挖至地下 1 m，在 1 m 處設置第一道鋼板支撐；③基坑開挖至2 m，在 2 m 處設置第二道鋼板支撐；④基坑開挖至 3 m，在 3 m 處設置第三道鋼板支撐。在整個數值模擬過程中，模擬單元選擇為 C3D8R 實體單元，采用單元生死法進行開挖與支護的模擬。

按照施工工藝和施工工序模擬基坑開挖過程中土體與支護結構三維空間位移場變化的全過程，從而得到土體的水平位移、支護結構的水平變形以及地表沉降等，并根據其影響結果對三種支護尺寸進行了初步的分析對比。

2.2 數值分析

隨著基坑深度的增加，地表沉降和土體水平位移明顯增大，在滿足設計規范及安全的前提下，支護結構中骨架鋼板斷面越厚，支護結構水平位移及地表沉降越小，基坑越趨于穩定。但當其斷面超過某一厚度時，支護結構在基坑體系作用下不會對基坑整體穩定性有明顯貢獻。

從計算結果可知（見表1），骨架鋼板厚度為 60 mm時，支護結構水平位移最大為 31.1 mm，不滿足規范要求；骨架鋼板厚度為 80 mm 時，支護結構水平位移最大為 22.2 mm；骨架鋼板厚度為 100 mm 時，支護結構水平位移最大為 15 mm。當骨架鋼板斷面超過 80 mm 時，基坑整體穩定性提升程度大幅減弱。

表1 不同厚度骨架鋼板支護結構數值模擬變形統計表mm

在符合規范要求的支護結構水平位移前提下，最終確定，在基坑為 4 m×4 m×3 m 時，采用 16×16 H 型鋼、80 mm 厚骨架鋼板為最優設計方案。地表沉降最大值由 33.8 mm 減小到 14.4 mm，土體水平位移最大為22.6 mm，支護結構的水平變形最大為 22.2 mm，基坑底部隆起位移為 9 mm。從安全角度使基坑穩定性得到較大提升空間的同時也從經濟角度極大控制了成本。

3 結語

本文介紹的可拆卸集成支護設備可彌補傳統狹小空間基坑支護型式的不足，對于該套支護型式的設計原理、施工工藝等方面進行研究，得到的主要結論有以下幾點。

1）該裝置主要包括特制骨架鋼板、型鋼樁兩部分，尺寸可預制，結構構建可拆卸、拼裝。

2）通過 ABAQUS 建模數值分析，可以確定支護結構板材高度、厚度、長度在合理范圍內，驗證了該裝置在狹小空間應用中的可操作性；可知骨架鋼板厚度為 60、80、100 mm 時，80 mm 厚骨架鋼板支護體系穩定性和經濟性最佳，實際工程應用中可擇優選取 80 mm 厚骨架鋼板進行支護。

3）基坑開挖過程中，支護結構可隨挖隨拆卸，裝拆過程中無需大型施工設備，容易操作，可重復利用，方便快捷且縮短工期，對周邊環境影響較小，為老舊居民小區加裝電梯作業以及小型工作坑的相關設備與技術研發提供新的思路。Q