基于 ABAQUS 對(duì)狹小空間可拆卸集成支護(hù)設(shè)計(jì)研究

高素芳，盛志戰(zhàn)，王 勇，劉青松，丁 川

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014－2020年）》和《北京城市總體規(guī)劃（2016 年－2035 年）》出臺(tái)，中國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)已逐步擺脫以大建新區(qū)新城為主的增量開(kāi)發(fā)階段，嚴(yán)格控制城市大規(guī)模拆除，優(yōu)先補(bǔ)齊市政基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)設(shè)施、公共安全設(shè)施短板，轉(zhuǎn)向以存量更新為主的新階段，老舊小區(qū)加裝電梯逐漸成為群眾訴求強(qiáng)烈的民生熱點(diǎn)。在老舊小區(qū)加裝電梯是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，整個(gè)施工過(guò)程中難度最大的是地下工程［1，2］。傳統(tǒng)基坑支護(hù)采用支護(hù)樁和錨索的聯(lián)合支護(hù)方式，需要地下提供較大的施工空間。而對(duì)于地下空間狹小或者臨時(shí)支護(hù)，則無(wú)法進(jìn)行常規(guī)的基坑支護(hù)施工。為適應(yīng)地下狹小空間的支護(hù)設(shè)計(jì)，邢振華等［3］采用U型擋土槽與旋噴樁聯(lián)合支護(hù)，提升了基坑支護(hù)的深度，且提升了支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，增大了其側(cè)壓力的抗性，且設(shè)置在土方回填的基礎(chǔ)上，對(duì)路面工程進(jìn)行施工后，可以充分滿(mǎn)足市政道路的通行需要。黃學(xué)剛［4］利用伸縮器連接研發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼接技術(shù)，使支護(hù)型式與坑內(nèi)土體進(jìn)一步接觸，避免了支護(hù)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(hù)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(wú)支撐重力式墻體，可較好地承受墻后水與土壓力。該支護(hù)方式成功實(shí)現(xiàn)于狹小空間中深大基坑的支護(hù)應(yīng)用，且在確保安全的前提下保證了支護(hù)的經(jīng)濟(jì)可行性。俞偉［6］根據(jù)基坑特點(diǎn)與周邊環(huán)境現(xiàn)狀，選取微型樁與一道工字鋼相結(jié)合的支撐支護(hù)，因其施工速度較快、施工簡(jiǎn)易，對(duì)于周?chē)h(huán)境的影響較小，保障了工程質(zhì)量以及周?chē)踩?/p>

同一工程采用不同設(shè)計(jì)方案在經(jīng)濟(jì)性和安全性方面有較大差異，因此本文研發(fā)了一套狹小空間可拆卸集成支護(hù)型式，能夠應(yīng)對(duì)不同尺寸的基坑支護(hù)需求，初步設(shè)計(jì)不同規(guī)格材質(zhì)，通過(guò) ABAQUS 數(shù)值分析選用最優(yōu)規(guī)格和施工工藝，避免傳統(tǒng)施工工藝復(fù)雜的現(xiàn)狀，且提高支護(hù)效率、達(dá)到綠色施工的支護(hù)目的。

1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 支護(hù)原理

本文介紹的模塊化支護(hù)設(shè)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(jī)成孔，將臨時(shí)型鋼樁沉至設(shè)計(jì)深度，分層開(kāi)挖后，對(duì)應(yīng)樁間采用骨架鋼板順直下壓，直至首塊骨架鋼板置于預(yù)定深度，此時(shí)將第二塊骨架鋼板置于首塊鋼板上方，繼續(xù)下壓，直至后續(xù)鋼板均達(dá)到預(yù)定深度，形成樁板支護(hù)體系。本支護(hù)體系結(jié)合微型可快裝棧橋，可滿(mǎn)足居民安全出行及施工的需求（已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利）。

圖1 支護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1.2 支護(hù)工藝

1.2.1 設(shè)備加工

型鋼樁為 16×16 H 型鋼，型鋼樁長(zhǎng)度根據(jù)基坑深度可進(jìn)行調(diào)整（見(jiàn)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(mǎn)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(nèi)部設(shè)置提拉把手，如圖3 所示。

圖2 型鋼樁結(jié)構(gòu)圖

圖3 骨架鋼板結(jié)構(gòu)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(duì)位置以及型鋼樁點(diǎn)位后利用微型鉆機(jī)成孔，將型鋼樁插入已成樁孔，拐角處應(yīng)打設(shè) 2 根型鋼樁，一順一丁布置，中樁采用常規(guī) H 型鋼，保證型鋼樁的垂直度與樁間距，開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)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(qū)域挖土深度應(yīng)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(yù)定深度，此時(shí)將第二塊骨架鋼板置于首塊鋼板上方，繼續(xù)下壓，直至后續(xù)鋼板均達(dá)到預(yù)定深度，形成樁板支護(hù)體系。

3）待模塊式基坑支護(hù)設(shè)備完成拼裝后，方可進(jìn)行后續(xù)土方開(kāi)挖，在地下主體結(jié)構(gòu)實(shí)施過(guò)程中由樁板支護(hù)體系對(duì)周?chē)馏w進(jìn)行支擋，保證內(nèi)部工人作業(yè)空間及安全。

4）主體結(jié)構(gòu)完工回填結(jié)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(yīng)采用中砂填充，特殊情況下可采用水泥漿液注漿處理。

5）結(jié)合常規(guī)棧橋，增加可折疊式臨邊護(hù)欄，自動(dòng)升降輕量化棧橋，滿(mǎn)足居民安全出行的需求。

2 設(shè)計(jì)方案比選及數(shù)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(méi)有附加荷載，土體模型幾何尺寸為：30 m×30 m×10 m，基坑開(kāi)挖土體的幾何尺寸為：4 m×4 m×3 m，土層共劃分88 780 個(gè)單元?；幽Ｐ拖拗频撞縔、水平X和Z方向的位移，自由沉降，作為模擬基坑的應(yīng)力邊界條件。因?qū)嶋H工程中影響支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素很多，結(jié)合老舊小區(qū)加裝電梯工程的實(shí)際條件，通過(guò)對(duì)不同厚度特制骨架鋼板進(jìn)行模擬計(jì)算，選出最優(yōu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。支護(hù)結(jié)構(gòu)模型采用三種不同鋼板尺寸支護(hù)型式進(jìn)行模擬驗(yàn)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(hù)、開(kāi)挖模擬共分成 4 個(gè)步驟：①基坑四角及邊中壓入型鋼柱；②基坑開(kāi)挖至地下 1 m，在 1 m 處設(shè)置第一道鋼板支撐；③基坑開(kāi)挖至2 m，在 2 m 處設(shè)置第二道鋼板支撐；④基坑開(kāi)挖至 3 m，在 3 m 處設(shè)置第三道鋼板支撐。在整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程中，模擬單元選擇為 C3D8R 實(shí)體單元，采用單元生死法進(jìn)行開(kāi)挖與支護(hù)的模擬。

按照施工工藝和施工工序模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)三維空間位移場(chǎng)變化的全過(guò)程，從而得到土體的水平位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形以及地表沉降等，并根據(jù)其影響結(jié)果對(duì)三種支護(hù)尺寸進(jìn)行了初步的分析對(duì)比。

2.2 數(shù)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(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范及安全的前提下，支護(hù)結(jié)構(gòu)中骨架鋼板斷面越厚，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及地表沉降越小，基坑越趨于穩(wěn)定。但當(dāng)其斷面超過(guò)某一厚度時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑體系作用下不會(huì)對(duì)基坑整體穩(wěn)定性有明顯貢獻(xiàn)。

從計(jì)算結(jié)果可知（見(jiàn)表1），骨架鋼板厚度為 60 mm時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大為 31.1 mm，不滿(mǎn)足規(guī)范要求；骨架鋼板厚度為 80 mm 時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大為 22.2 mm；骨架鋼板厚度為 100 mm 時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大為 15 mm。當(dāng)骨架鋼板斷面超過(guò) 80 mm 時(shí)，基坑整體穩(wěn)定性提升程度大幅減弱。

表1 不同厚度骨架鋼板支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬變形統(tǒng)計(jì)表mm

在符合規(guī)范要求的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移前提下，最終確定，在基坑為 4 m×4 m×3 m 時(shí)，采用 16×16 H 型鋼、80 mm 厚骨架鋼板為最優(yōu)設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)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(wěn)定性得到較大提升空間的同時(shí)也從經(jīng)濟(jì)角度極大控制了成本。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的可拆卸集成支護(hù)設(shè)備可彌補(bǔ)傳統(tǒng)狹小空間基坑支護(hù)型式的不足，對(duì)于該套支護(hù)型式的設(shè)計(jì)原理、施工工藝等方面進(jìn)行研究，得到的主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)。

1）該裝置主要包括特制骨架鋼板、型鋼樁兩部分，尺寸可預(yù)制，結(jié)構(gòu)構(gòu)建可拆卸、拼裝。

2）通過(guò) ABAQUS 建模數(shù)值分析，可以確定支護(hù)結(jié)構(gòu)板材高度、厚度、長(zhǎng)度在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該裝置在狹小空間應(yīng)用中的可操作性；可知骨架鋼板厚度為 60、80、100 mm 時(shí)，80 mm 厚骨架鋼板支護(hù)體系穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性最佳，實(shí)際工程應(yīng)用中可擇優(yōu)選取 80 mm 厚骨架鋼板進(jìn)行支護(hù)。

3）基坑開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)可隨挖隨拆卸，裝拆過(guò)程中無(wú)需大型施工設(shè)備，容易操作，可重復(fù)利用，方便快捷且縮短工期，對(duì)周邊環(huán)境影響較小，為老舊居民小區(qū)加裝電梯作業(yè)以及小型工作坑的相關(guān)設(shè)備與技術(shù)研發(fā)提供新的思路。Q