深基坑組合支撐系統(tǒng)換撐技術(shù)研究

申笑寒， 張順偉， 孟 江， 朱利明,3， 王海彥,3

(1.中鐵十五局集團(tuán)城市建設(shè)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000；2.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司，江蘇 南京 210032；3.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

在大量的城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中，涌現(xiàn)了很多環(huán)境復(fù)雜的基坑工程項(xiàng)目。東南沿海地區(qū)，特別是沿長(zhǎng)江河漫灘地區(qū)地層土體具有軟土蠕變特性，基坑開挖會(huì)導(dǎo)致地表土的非均勻沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起工程事故等。

Terzaghi和Peck等學(xué)者[1]于1948年根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出挖方數(shù)量預(yù)估方法，并輔以支撐荷載計(jì)算方法為基坑工程提供跨越性的科學(xué)理論支持。徐洪鐘等[2]統(tǒng)計(jì)分析了南京長(zhǎng)江河漫灘地區(qū)48個(gè)地鐵深基坑案例，得出地鐵車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值和周邊地表沉降最大值。Kung[3]通過(guò)33個(gè)基坑工程總結(jié)出中等硬化黏土場(chǎng)地下圍護(hù)墻位移變形量和周邊地表沉降曲線的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)估方法，并提出地表沉降最大值應(yīng)與圍護(hù)墻最大變形量近似相等。

對(duì)于換撐理論的研究，主要是通過(guò)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行理論公式的推導(dǎo)。劉燕等[4]研究了基坑變形與樁長(zhǎng)、基坑深度、支護(hù)樁間距的關(guān)系，從支護(hù)體系協(xié)同變形角度出發(fā)，推導(dǎo)了排樁變形的表達(dá)式。沈興東等[5-7]結(jié)合具體的工程實(shí)際，具體闡述了基坑換撐技術(shù)和施工步驟。房浩等[8]結(jié)合軟土地區(qū)的實(shí)際工程案例，通過(guò)有限元模型，對(duì)車站變形及內(nèi)力進(jìn)行了計(jì)算，增加換撐基坑變形量減小了48%。

有限單元法作為一種成熟的數(shù)值計(jì)算方法，可以用于大體量基坑開挖分析。本文以南京某地鐵基坑工程為依托，開展深基坑組合換撐系統(tǒng)換撐技術(shù)研究。

1 工程概況

1.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

南京某地鐵基坑工程，基坑長(zhǎng)約186.5 m、寬約20.3 m、開挖深度24.35 m，采用明挖法施工。基坑采用?1.2 m@1.5 m的H型樁，樁長(zhǎng)34.9 m，樁間以?0.6 m單重管旋噴樁止水，基坑共分6次開挖，開挖深度分別為3.65 m、3.5 m、4.7 m、4.9 m、4.0 m、3.6 m，最后一次開挖至坑底后澆筑底板。支護(hù)結(jié)構(gòu)材料及尺寸見(jiàn)表1，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及尺寸

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建車站場(chǎng)地處于階地～坳溝地貌單元，場(chǎng)區(qū)土層分布主要為素填土、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖。土層物理性質(zhì)詳細(xì)描述見(jiàn)表2，車站底板坐落于中等風(fēng)化泥巖，場(chǎng)區(qū)穩(wěn)定水位埋深1.10～2.80 m。

2 拆撐換撐方案確定

在底板混凝土澆筑施工完成后，由于底板和最后一道支撐的凈間距只有1.9 m，影響機(jī)械作業(yè)空間，此外第5道支撐距離車站結(jié)構(gòu)中板只有0.55 m無(wú)法完成支模，需要拆除最后2道鋼支撐，現(xiàn)準(zhǔn)備采用以下兩種換撐方案。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

表2 土層物理性質(zhì)描述

(1)以撐換撐：以底板換第6道支撐，以臨時(shí)支撐替換第5道鋼支撐。具體施工方案：底板澆筑完成并達(dá)到強(qiáng)度后，拆除第6道鋼支撐；澆筑兩側(cè)邊墻混凝土，待邊墻混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在深度18.75 m位置增加一道?609 mm臨時(shí)撐，拆除第5道鋼支撐；澆筑中板混凝土并達(dá)到強(qiáng)度后拆除臨時(shí)支撐。

(2)以索換撐：以底板換第6道支撐，以錨索替換第5道支撐。具體施工方案：底板澆筑完成并達(dá)到強(qiáng)度后，在第5道支撐和第6道支撐位置處，向地層內(nèi)部打設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索，拆除第6道鋼支撐；澆筑兩側(cè)邊墻混凝土，待邊墻混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再拆除第5道鋼支撐。錨索直徑為4束?15.2 mm，長(zhǎng)度為15 m，與水平方向夾角為15°，注漿加固段長(zhǎng)5 m，見(jiàn)圖2所示。

3 計(jì)算模型

本文借助Midas GTS軟件分析基坑換撐過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化，以尋求合適的處理方案，為同類工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

圖2 以索換撐圖示

3.1 模型建立

針對(duì)該工程換撐設(shè)計(jì)，建立三維實(shí)體計(jì)算模型，長(zhǎng)度為330 m，寬度165 m，土層厚度取為70 m，基坑采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐支護(hù)體系，土體采用四節(jié)點(diǎn)/八節(jié)點(diǎn)實(shí)體混合單元網(wǎng)格，圍護(hù)樁采用板單元模擬，內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧?，模型底面設(shè)置豎向約束，側(cè)面設(shè)置水平約束，三維有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算模型

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)地勘報(bào)告相關(guān)資料，采用修正摩爾-庫(kù)侖模型，該模型考慮了土體的雙硬化準(zhǔn)則，對(duì)于大體量的基坑開挖較為適用。

由于基坑頂部荷載較小，基坑頂部按無(wú)超載考慮?？油夥€(wěn)定水位按2.5 m深考慮，對(duì)節(jié)點(diǎn)施加水頭荷載。每工況開挖之前，先進(jìn)行坑內(nèi)水位降深，采用井點(diǎn)降水方式將地下水降至開挖面以下1 m。

支護(hù)結(jié)構(gòu)采用的是圍護(hù)樁+內(nèi)支撐體系，圍護(hù)樁嵌固深度為10.55 m，采用板單元模擬，按彈性材料考慮，水平內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧M，尺寸依據(jù)實(shí)際取值，具體的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 土體計(jì)算參數(shù)

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

本次模擬結(jié)合實(shí)際施工工序研究在不同換撐方案下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力特征。

4.1 拆撐前后樁體變形

為避免應(yīng)力集中，盡量采用對(duì)稱、分區(qū)換撐，不同換撐方案下的樁體變形曲線如圖4所示。由圖4計(jì)算結(jié)果可知：

圖4 不同換撐方案樁體變形

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)腹部側(cè)向變形整體呈現(xiàn)“拋物線”型變化特征，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移位置約為0.85H(H為基坑開挖深度)，接近坑底附近。以撐換撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果較為接近，驗(yàn)證了模型的正確性，表明以撐換撐施工較為合理。

(2)隨著施工工況的進(jìn)行，兩種換撐方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移均呈增大趨勢(shì)，但以索換撐方案效果較差，變形增大約66%。其變形機(jī)理解釋如下：由以索換撐方案土體變形云圖如圖5可知，基坑開挖導(dǎo)致基坑側(cè)向土體塑性變形區(qū)增大，而第5、6道錨索位于塑性區(qū)范圍內(nèi)，其作用效果甚微。由于第5、6道錨索位于粉質(zhì)粘土層和強(qiáng)風(fēng)化泥巖，其工程性質(zhì)較巖石差，且地下水的存在降低了錨索與土層的端部錨固力和摩擦阻力，錨索所能提供的拉力有限。

圖5 以索換撐方案土體變形云圖

對(duì)于此種換撐方案要想獲得比較理想的效果，需要加長(zhǎng)錨索以穿越塑性區(qū)(見(jiàn)圖6)，勢(shì)必增加工程造價(jià)與成本。

圖6 以索換撐方案作用機(jī)理圖示

4.2 拆撐前后樁體內(nèi)力

換撐施工過(guò)程中，土體是一個(gè)被卸載的過(guò)程，為尋求新的平衡狀態(tài)，樁體的變形和受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。兩種換撐方案拆撐前后樁體彎矩和剪力的變形曲線如圖7和圖8所示。由圖7和圖8計(jì)算結(jié)果可知：

(1)采用以撐換撐方案，樁體彎矩和剪力會(huì)相應(yīng)增大，但變形曲線較為平順并未出現(xiàn)突變。

圖7 不同換撐方案樁體彎矩

圖8 不同換撐方案樁體剪力

(2)采用以索換撐方案，支撐節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，彎矩和剪力出現(xiàn)突變現(xiàn)象。

究其原因?yàn)椋河捎诘?、6道錨索并未穿越塑性區(qū)，無(wú)法約束側(cè)向土壓力，側(cè)向荷載作用轉(zhuǎn)移至第4道支撐，因此，在第4道支撐位置處出現(xiàn)彎矩、剪力突增。

4.3 拆撐前后支撐內(nèi)力

圖9給出了以撐換撐和以索換撐兩種處理方案不同位置的支撐軸力。

由圖9可知，第4道支撐軸力較大，換撐處理前支撐軸力為1 510 kN，采用以撐換撐處理方案，第4道支撐軸力為2 098 kN，支撐軸力增加約38.9%；采用以索換撐處理方案，第4道支撐軸力為3 524 kN，支撐軸力急劇增大，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生轉(zhuǎn)變。

4.4 換撐后穩(wěn)定性驗(yàn)算

圖9 不同換撐方案支撐軸力

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以控制變形為主，其強(qiáng)度基本滿足要求，換撐后需要對(duì)基坑進(jìn)行整體穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。

對(duì)以撐換撐施工方案進(jìn)行驗(yàn)算，整體穩(wěn)定性可采用圓弧滑動(dòng)條分法分析，整體穩(wěn)定性應(yīng)符合下列要求：

(1)

式中：Ks為圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)，對(duì)于一級(jí)基坑，Ks不應(yīng)小于1.35；cj、φj分別為第j土條滑弧面處土的粘聚力和內(nèi)摩擦角；Gj、lj分別為第j土條的自重和滑弧長(zhǎng)度；θj為圓弧面法線與垂直面的夾角；uj為第j土條滑弧面上的土壓力。

取土條寬度為0.4 m，采用理正深基坑軟件進(jìn)行驗(yàn)算，整體穩(wěn)定性系數(shù)Ks=5.23>1.35，整體穩(wěn)定性滿足要求。

對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)底部和最后一道支撐點(diǎn)取矩，分別進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算可按下式進(jìn)行：

(2)

式中：Kov為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，對(duì)于一級(jí)基坑，Kov不應(yīng)小于1.25；∑Mp為被動(dòng)區(qū)抗傾覆作用力矩總和；∑Ma為主動(dòng)區(qū)傾覆作用力矩總和。

考慮不利工況，對(duì)支護(hù)樁底取矩，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Kov=3.8>1.25；對(duì)最后一道支撐點(diǎn)取矩，Kov=6.0>1.25，抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

5 結(jié)論

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)腹部側(cè)向變形呈現(xiàn)“拋物線”型，最大側(cè)向位移位置約為0.85H，通過(guò)模型計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，以撐換撐變形較小。

(2)由于基坑開挖導(dǎo)致土體塑性區(qū)擴(kuò)大，且地層富含地下水，要想獲得理想的變形控制效果，以索換撐方案勢(shì)必會(huì)增加成本。采用以索換撐施工方案，支撐節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致第4道支撐處出現(xiàn)彎矩和剪力突增現(xiàn)象，第4道支撐軸力急劇增大。

(3)從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，采用以撐換撐方案更為合理，采用此種施工方案，基坑強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性可滿足要求。