幕架式暗挖施工的數(shù)值模擬及分析

左自波

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

引言

特大城市正加快地下空間的網(wǎng)絡(luò)化布局[1]，地下空間網(wǎng)絡(luò)化施工過程中不可避免要下穿越城市道路、鐵路、機(jī)場、景觀綠地等既有公共設(shè)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(shè)施的影響，通常采用管幕法進(jìn)行施工，主要原因在于該方法具有極大的靈活性[2]和較強(qiáng)的適應(yīng)性[3]，同時，可顯著減少地面沉降和對地面設(shè)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(yīng)用于地下空間的開發(fā)[6-11]，但是其仍存在一定的局限性，具體表現(xiàn)為該方法受連接件承載力及對施工環(huán)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(shè)施下地下空間開發(fā)日益增長的需要。因此，有必要結(jié)合傳統(tǒng)管幕法的優(yōu)勢，研發(fā)一種能夠適應(yīng)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(shù)值模擬[2，12-14]、模型試驗(yàn)[3]、理論分析[15-16]等方法進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化、分析和預(yù)測，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測[17]和主動加固等手段進(jìn)行施工變形的監(jiān)測控制。隨著管幕法的研究與發(fā)展，所衍生的新型管幕法施工的數(shù)值模擬有必要更新與完善。

本文結(jié)合管幕和順作臨時支護(hù)法優(yōu)勢，提出了一種幕架式暗挖施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)，并研究與其相適應(yīng)的數(shù)值模擬方法，以及嘗試將該方法應(yīng)用于中心城區(qū)既有建筑設(shè)施的地下空間開發(fā)。

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(xiàn)[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(hù)施工。垂直于掘進(jìn)方向在擬建地下空間兩端分別構(gòu)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(cè)采用靜壓法施工一對相互平行的鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，必要時可在鋼管樁內(nèi)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(cè)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(jìn)方向一致，管幕平行于掘進(jìn)方向的兩端分別固接于鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，管幕垂直于掘進(jìn)方向的兩端分別懸設(shè)于工作井和豎接收井中，必要時可在鋼管內(nèi)灌注混凝土芯。

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

(4)步驟4：開挖并施工臨時支撐。在凍結(jié)壁的保護(hù)下，掘進(jìn)方向從工作井向接收井、寬度方向從一側(cè)向另一側(cè)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(xù)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(jié)構(gòu)底板以下的土體中，且靜壓鋼管樁的埋深大于鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的埋深，必要時可在鋼管內(nèi)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(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)上。

(7)步驟7：重復(fù)步驟4～步驟6形成地下1層幕架體系。重復(fù)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(guān)鍵部位施工位移自動補(bǔ)償裝置，可根據(jù)樁的隆起和沉降自動進(jìn)行補(bǔ)償控制幕架位移。

(8)步驟8：保護(hù)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(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)底板，N為≥2的整數(shù)；

(9)步驟9：幕架保護(hù)下施工永久結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，割除擬建地下空間內(nèi)的靜壓鋼管樁并拆除剩余的臨時支撐。

針對軟土地區(qū)的大變形、地下水患的問題，本方法步驟3采用凍結(jié)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(shù)值模擬方法

幕架式暗挖施工數(shù)值模擬方法步驟如圖2所示。

圖2 新管幕法施工數(shù)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(nèi)[4]。

Step2：數(shù)值模擬搜索計算。建立包括土層、管幕、凍結(jié)壁和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型(不包括臨時支撐)，進(jìn)行不同尺寸(等間距調(diào)整掘進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，待土體發(fā)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(jù)數(shù)值計算結(jié)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(diào)整土體開挖尺寸，重新進(jìn)行計算，直至滿足不超限為止。

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

Step5：根據(jù)規(guī)范計算確定幕架參數(shù)。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《混凝結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》《建結(jié)樁基技術(shù)規(guī)范》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》《預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁》等規(guī)范計算靜壓鋼管樁入土深度、臨時支撐尺寸。

Step6：三維數(shù)值模擬評估。建立包括土層、管幕、凍結(jié)壁、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、臨時支撐和靜壓鋼管樁的三維數(shù)值模型。通過三維數(shù)值計算進(jìn)行施工參數(shù)的可行性評估與驗(yàn)證。

Step7：施工與監(jiān)測建議。根據(jù)計算結(jié)果，給出施工變形控制及監(jiān)測傳感器布置的建議。

需要說明的是，所提出的數(shù)值模擬方法與常規(guī)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(tài)模擬的過程。下面將以地下停車庫工程為案例進(jìn)行說明。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

上海市長寧區(qū)某公園地下停車庫工程，在已有公園下方開發(fā)一個結(jié)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(wù)設(shè)施，擬采用所發(fā)明的新管幕法進(jìn)行施工。地下永久結(jié)構(gòu)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(cè)墻厚度為700 mm。

2.2 有限元模型及參數(shù)

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(jié)壁、鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)。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(shù)為178 644，節(jié)點(diǎn)數(shù)為162 800。其中鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)直徑為900 mm、壁厚為14 mm，內(nèi)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(xù)墻結(jié)構(gòu)(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(jié)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(guān)計算參數(shù)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(shù)

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(yàn)算所設(shè)計施工參數(shù)的可行性和安全性，選取最危險工況進(jìn)行計算分析，如表4所示。

表2 土層參數(shù)

表3 計算工況(Step2)

圖4 開挖工況

需要說明的是，數(shù)值計算中僅針對危險工況進(jìn)行分析，實(shí)際施工前應(yīng)對各局部施工工序下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析并采取加固措施，如水平方向設(shè)置剪刀撐等。同時，計算中未考慮支撐施工時間效應(yīng)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(shí)際值偏小，因此建議加強(qiáng)地表監(jiān)測。此外，計算中未考慮地下水的影響，有關(guān)計算方法尚需進(jìn)一步研究。

表4 計算工況(Step6)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 施工參數(shù)的確定

圖5為Step2中數(shù)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(yīng)的最大掘進(jìn)距離×最大開挖寬度分別為：6 m×6 m和7 m×7 m?？紤]安全系數(shù)，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(shù)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(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長；λp為樁端土塞效應(yīng)系數(shù)；hb為樁端進(jìn)入持力層深度；d為鋼管外徑；Ap為樁端面積；qsik、qpk取值詳細(xì)見《建結(jié)樁基技術(shù)規(guī)范》。當(dāng)hb/d<5時，λp=0.16hb/d；當(dāng)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(jīng)驗(yàn)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(gòu)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(qiáng)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(guī)格為H400×400×13×21×24的H型鋼，經(jīng)驗(yàn)算滿足穩(wěn)定性要求。

臨時梁按主平面內(nèi)受彎的實(shí)腹構(gòu)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(fā)展系數(shù)，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(qiáng)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(guī)格為H414×405×18×28×24的H型鋼，經(jīng)驗(yàn)算滿足抗剪強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性要求。

臨時水平支撐軸心受壓及受拉構(gòu)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(guī)格為H350×350×12×19×20型鋼，經(jīng)驗(yàn)算滿足穩(wěn)定性要求。

此外，剪刀撐選取規(guī)格為H350×350×12×19×20的型鋼。

3.3 施工參數(shù)的可行性評估

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

圖6 三維數(shù)值模擬計算結(jié)果

綜上可見，土體和幕架體系結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力均滿足相應(yīng)要求，即所確定的施工參數(shù)可行。

3.4 施工與監(jiān)測建議

根據(jù)前述數(shù)值計算結(jié)果，臨時柱、靜壓鋼管樁、管幕、臨時梁、臨時水平支撐部分區(qū)域變形或應(yīng)力相對較大，建議加強(qiáng)監(jiān)測，其對應(yīng)的區(qū)域如圖7所示。其中，臨時水平支撐除建議加強(qiáng)監(jiān)測的區(qū)域外，建議平面區(qū)域每隔25 m×25 m范圍內(nèi)布置監(jiān)測點(diǎn)。此外可根據(jù)土體、鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移等計算結(jié)果布置地表變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移及頂部豎向位移監(jiān)測點(diǎn)。

圖7 幕架體系加強(qiáng)監(jiān)測區(qū)域

4 結(jié)論與建議

(1) 提出了一種既有設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)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(qū)既有地下空間的水平網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的數(shù)值模擬方法，并將該方法應(yīng)用于中心城區(qū)既有建筑設(shè)施的地下停車庫綜合地下空間開發(fā)。

(3) 對背景工程的施工參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計，施工參數(shù)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(shù)值模擬的方法對所設(shè)計施工參數(shù)的可行性和安全性進(jìn)行了分析評估；計算結(jié)果分析表明，土體和幕架體系結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力均滿足相應(yīng)要求，即所設(shè)計的施工參數(shù)可行；基于計算結(jié)果給出了施工和監(jiān)測建議。