武 霄，徐小明，曹勝敏

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

翻車機(jī)房作為煤炭自動化卸運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)施，其功能及特點(diǎn)決定基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型，其功能決定了翻車機(jī)房主體結(jié)構(gòu)的空間高度，工程的規(guī)模決定了主體結(jié)構(gòu)的平面尺寸[1]。

1）翻車機(jī)房的功能決定了其必須具備翻車層、漏斗層以及輸煤廊道層，重載火車車廂標(biāo)準(zhǔn)尺寸決定了翻車機(jī)的規(guī)模從而確定了翻車層的長度及高度；車廂載重及煤炭參數(shù)確定漏斗層的高度，輸煤皮帶機(jī)確定廊道層的高度，以上三者相互關(guān)系決定了翻車機(jī)房具有基本統(tǒng)一的空間高度（約20 m）。

2）翻車機(jī)房工程的生產(chǎn)規(guī)模又直接決定了主體結(jié)構(gòu)的平面尺寸，目前已建或在建的翻車機(jī)房工程，包括秦皇島3～5期[2]、曹妃甸1～4期、天津及黃驊等多個煤碼頭工程，一般規(guī)模均在三線～四線（作業(yè)鐵路線數(shù)量）三翻～四翻（同時(shí)翻列車車廂數(shù)量）之間，其中一條鐵路線所需作業(yè)寬度約為15 m，所需作業(yè)長度為18 m，連帶考慮線翻間的結(jié)構(gòu)尺寸，翻車機(jī)房工程基本上可直接根據(jù)生產(chǎn)能力確定主體結(jié)構(gòu)的平面尺寸（如三線三翻的結(jié)構(gòu)尺寸為 6 1.7 m×49.2 m，四線四翻的結(jié)構(gòu)尺寸為77.9 m×61.2 m）。

1 基坑選型

翻車機(jī)房主體結(jié)構(gòu)所需的施工空間、施工效率，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本以及安全作業(yè)共同影響基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案，下面對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案對比。

1）由于受翻車機(jī)房尺寸與地下施工空間的共同影響，可以滿足翻車機(jī)房地下施工空間的圓形基坑直徑為68 m，矩形基坑尺寸為71.7 m×59.2 m，矩形基坑比圓形基坑面積大614.8 m2，在空間利用率方面圓形基坑占優(yōu)。

2）圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)撐為環(huán)向支撐，不占用地下施工作業(yè)空間，不論是在基坑開挖過程中還是主體鋼筋混凝土澆筑過程，均能大大提高作業(yè)效率。

3）矩形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行網(wǎng)格式的橫向支撐，一方面由于橫向支撐跨度較大，失穩(wěn)的危險(xiǎn)性較高；另一方面還降低了施工工效，并且加大了建設(shè)成本。矩形基坑的橫向支撐在主體施工過程中，需要自下而上分層拆除，這將給基坑穩(wěn)定埋下隱患。

4）由于圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)具有拱效應(yīng)，在控制基坑變形方面有更大的優(yōu)勢。方金霞[3]等運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對矩形基坑（20 m×80 m）、方形基坑（20 m×80 m）、圓形基坑（20 m×80 m）進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出了圓形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最小，其次是方形，矩形基坑位移最大，得出了圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力大部分可通過支護(hù)結(jié)構(gòu)自身形成平衡。姜晨光[4]等通過對FLAC-3D三維有限差分法模擬計(jì)算結(jié)果與大量的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出了圓形和類圓形基坑的承載能力與坑壁穩(wěn)定性比矩形基坑更大優(yōu)越，并建議對于正方形或類正方形平面結(jié)構(gòu)的建筑物選擇圓形基坑。李昀[5]等通過模型分析計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)，得出了圓形圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力均較小，在結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟(jì)方面具有較大的優(yōu)勢。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形受力分析

2.1 類比工程概述

某翻車機(jī)房[6]圓形基坑內(nèi)徑68 m，同期實(shí)施的廊道基坑形狀為矩形，長90 m，寬40 m，兩者開挖面積基本相同。并且廊道基坑工程的水文地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻打設(shè)高程及開挖深度與翻車機(jī)房圓形基坑基本一致。不同之處為兩者的空間支撐結(jié)構(gòu)，廊道基坑支撐結(jié)構(gòu)采用混凝土橫向支撐。

圖1 圓形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面示意

圖2 圓形基坑監(jiān)測斷面示意

圖3 矩形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測平面示意

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降對比分析

由圖4可知，第一層開挖完成（工況1）時(shí)圓形與矩形基坑地連墻平均沉降量基本一致，第二層開挖完成（工況 2）時(shí)，矩形基坑地連墻沉降量略大于圓形基坑，隨著開挖深度的加大，兩者差值加大，在開挖過程中矩形與圓形地連墻的豎向位移趨勢一致。

圖4 圓形與矩形基坑地連墻平均沉降量對比

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移對比分析

圖5為基坑開挖完成時(shí)的圓形與矩形基坑地下連續(xù)墻豎向位移對比。

圖5 地連墻豎向位移對比

由圖5可知，在基坑開挖完成時(shí)，圓形基坑地連墻側(cè)向位移小于矩形基坑，圓形基坑地連墻最大側(cè)向位移發(fā)生在開挖深度的1/2處，而矩形基坑地連墻最大位移則發(fā)生在墻頂。

2.4 支撐內(nèi)力對比分析

圖6為開挖完成時(shí)圓形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)圈梁各斷面最大支撐應(yīng)力值與矩形橫向支撐最大應(yīng)力對比。

由圖6可知，在基坑開挖完成時(shí)，矩形基坑橫向支撐應(yīng)力遠(yuǎn)大于圓形基坑地連墻內(nèi)撐圈梁應(yīng)力值，與地連墻位移趨勢一致。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐內(nèi)力對比

3 對比分析

通過對矩形基坑與圓形基坑在地連墻豎向位移、側(cè)向位移以及支撐內(nèi)力方形的對比可知：

1）矩形基坑與圓形基坑地連墻豎向位移趨勢相同，但矩形基坑地連墻沉降量大于圓形基坑，兩者相差10 mm。

2）圓形基坑地連墻最大位移位于開挖深度的1/2處，而矩形基坑地連墻最大位移為與墻頂，矩形基坑地連墻位移值大于圓形基坑，兩者相差12.1 mm。

3）矩形基坑橫向支撐應(yīng)力遠(yuǎn)大于圓形基坑圈梁支撐應(yīng)力，兩者最大相差123.8 MPa。

數(shù)據(jù)表明，在基坑圍護(hù)面積與開挖深度基本相同的情況下，圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力明顯優(yōu)于矩形基坑，這是由于圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)具有拱效應(yīng)，作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的外力通過環(huán)向軸力平衡，充分發(fā)揮了支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土材料抗壓性能好的優(yōu)勢。

另由于矩形基坑的長邊效應(yīng)，制定監(jiān)測方案時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測斷面需要在基坑的拐角處、長邊的中心處布設(shè)測點(diǎn)，如長邊較長還需要在沿長邊方向增加測試斷面；橫向支撐對應(yīng)斷面的支護(hù)結(jié)構(gòu)由于變形不同，需要在每一道橫向支撐布設(shè)監(jiān)測斷面。而圓形基坑由于具有空間對稱的特點(diǎn)，沿圓周方形支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力比較均勻，故在制定監(jiān)測方案時(shí)，可減少監(jiān)測斷面的布設(shè)，節(jié)約成本。

4 結(jié) 語

通過對比分析，圓形基坑比矩形基坑在空間利用率、工程建設(shè)成本、施工效率、安全作業(yè)以及控制支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形方面具有更大的優(yōu)勢。圓形和矩形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在沉降、位移以及支撐內(nèi)力實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異性進(jìn)一步驗(yàn)證了圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱效應(yīng)可以有效的降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形情況。