陳向紅

(中煤建工集團(tuán)有限公司，北京 100071)

0 引言

伴隨我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)水平不斷提升，城市人口數(shù)量不斷遞增，地下空間的開發(fā)利用在城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的地位越來越重要，其建設(shè)速度、投資規(guī)模以及建設(shè)積極性空前高漲，從早期小規(guī)模、單一功能的地下工程建設(shè)或地下空間資源利用，到20世紀(jì)50、60年代的大深度開發(fā)，再到大規(guī)模、大深度的地下空間開發(fā)利用，顯然已成為當(dāng)前世界性的前沿科研話題和研究項(xiàng)目。正如謝和平院士等專家學(xué)者在技術(shù)工作報(bào)告中所提到的[1-2]，對(duì)地下空間的綜合利用在國際上得到了越來越多的重視，已有很多國際組織都在研究地下空間利用，1991年城市地下空間國際學(xué)術(shù)會(huì)議通過的《東京宣言》認(rèn)為“21世紀(jì)是人類開發(fā)利用地下空間的世紀(jì)”，預(yù)測未來有1/3的人會(huì)在地下空間開發(fā)利用居住。在國內(nèi)，地下空間的開發(fā)利用則作為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重點(diǎn)被寫入《2020年中國工程科學(xué)和技術(shù)發(fā)展研究》報(bào)告[3]。

逆作法施工作為一種地下工程施工技術(shù)，早在20世紀(jì)30年代日本就有了采用逆作法施工的案例，90年代初，國內(nèi)首次將蓋挖逆作法技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于北京、上海、南京等城市的地鐵車站工程建設(shè)中，并在地下商場、地下停車場等大型地下空間開發(fā)利用中得到廣泛應(yīng)用[4]。隨著城市地下空間支護(hù)技術(shù)的革新，臨時(shí)支護(hù)技術(shù)及其理論不斷吸引相關(guān)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究工作。關(guān)雪梅[5]以上海仲盛商業(yè)中心基坑工程為背景，對(duì)逆作法工程支護(hù)結(jié)構(gòu)選型、挖土方式等進(jìn)行了研究。沈詠等[6]以上海萬科銅山街項(xiàng)目特大型商業(yè)地產(chǎn)建筑深基坑工程逆作法施工為例，介紹了土方開挖方法、臨時(shí)支護(hù)體系與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的施工工藝。王立光[7]以穿越軟土地層超大斷面、超淺埋雙層公路隧道為例，對(duì)開挖過程中的臨時(shí)支護(hù)、初期支護(hù)及二次襯砌進(jìn)行了數(shù)值模擬。周磊生[8]等系統(tǒng)開展CD及CRD開挖工法下不同支護(hù)方式的數(shù)值計(jì)算，明確了CRD開挖工法下不同臨時(shí)支護(hù)拆除順序?qū)λ淼绹鷰r穩(wěn)定性影響規(guī)律。劉應(yīng)亮[9]以港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道下穿拱北口岸為依托，采用“曲線管幕+水平凍結(jié)+五臺(tái)階十四部”工法施工，并借助信息化監(jiān)測手段實(shí)現(xiàn)了超大斷面臨時(shí)支護(hù)到永久性結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。劉朋飛[10]以石家莊地鐵一號(hào)線長城橋車站暗挖段為工程背景，以臨時(shí)鋼管柱橫支撐為因子，通過現(xiàn)場測試對(duì)柱洞法施工的無水砂性地層中單層三跨地鐵車站結(jié)構(gòu)受力變形特征進(jìn)行了研究。

同時(shí)，地下工程建設(shè)周邊環(huán)境趨于復(fù)雜化，影響因素趨于多樣性，對(duì)結(jié)構(gòu)變形的要求也越來越嚴(yán)格，部分工程項(xiàng)目甚至提出0 mm沉降的要求，在現(xiàn)狀指標(biāo)不降低、耐久性不受影響及安全儲(chǔ)備不減弱的情況下，結(jié)構(gòu)微變形控制技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)增大[11-12]。因此深入開展地下空間施工結(jié)構(gòu)變形機(jī)制及其支護(hù)技術(shù)理論研究，是降低地下空間施工致險(xiǎn)因子影響水平、保障地下工程施工安全和提升綜合治理水平等方面具有重要意義。本文依托某地下工程案例，針對(duì)工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其特殊施工條件，提出臨時(shí)鋼支撐支護(hù)方案，并采用ABAQUS有限元軟件對(duì)是否考慮臨時(shí)支護(hù)的逆作法施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，與考慮臨時(shí)支護(hù)后的實(shí)際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，相關(guān)成果可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

某市地下工程項(xiàng)目由負(fù)一層至負(fù)二層商業(yè)、負(fù)三層地下車庫和下沉式廣場等組成，為該市最大地下綜合交通樞紐。其結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，負(fù)一層和負(fù)二層層高為6 m，負(fù)三層為5 m。平面結(jié)構(gòu)為直徑約200 m的中心圓，由縱橫向道路分割為四個(gè)扇形區(qū)，取其中東南扇形區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)段進(jìn)行研究。為掌握地下結(jié)構(gòu)隨施工過程的變形發(fā)展情況，便于支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和變形控制，對(duì)負(fù)一層梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)(圖1)。地下工程施工工藝為：道路以下部分采用逆作法施工，下沉式廣場部分采用順作法施工。

由工程地質(zhì)勘查報(bào)告可知，工程范圍內(nèi)上部主要以填土為主，穩(wěn)定性差；下部以中、強(qiáng)粗粒風(fēng)化巖為主。根據(jù)圖紙所展示的結(jié)構(gòu)模型尺寸：框架柱間距為8～30 m，圓柱直徑0.6～1.8 m，為了便于模型分析，方柱按截面等效原則用圓柱代替；框架梁截面1.0 m×2.3 m，頂?shù)装搴穸葹?.6 m，圍護(hù)墻厚度0.8 m。

圖1 東南扇形區(qū)負(fù)一層位移監(jiān)測布設(shè)Figure 1 Displacement monitoring layout in southeastfan-shaped segment basement first floor

2 臨時(shí)鋼支撐支護(hù)設(shè)計(jì)

由于場地地質(zhì)和結(jié)構(gòu)條件復(fù)雜，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，提出一種經(jīng)濟(jì)可行的臨時(shí)鋼支撐支護(hù)方案。首先，根據(jù)工程特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性驗(yàn)算，選用2根壁厚12 mm的DN219鋼管可滿足承載力設(shè)計(jì)要求。布置臨時(shí)鋼管構(gòu)件時(shí)，按照給出的主梁支撐點(diǎn)間跨度達(dá)到約17 m時(shí)布設(shè)的原則進(jìn)行。同時(shí)結(jié)合實(shí)際狀況，在距扇形圓心15 m(圓心與相鄰第一排柱跨中)和柱跨中位置加設(shè)臨時(shí)鋼支撐并進(jìn)行模型數(shù)值分析。

為了便于安裝，每根柱子根據(jù)制備、運(yùn)輸及拼裝條件分為多段，每段間通過加焊拼接板用螺栓連接組裝而成，墊板采用邊長300 mm、高20 mm的方形鋼板，螺栓規(guī)格為M24-50；臨時(shí)鋼支撐柱下基礎(chǔ)通過軸壓、抗沖切驗(yàn)算后設(shè)計(jì)尺寸為1.5 m × 1.9 m、高0.50 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，基礎(chǔ)底板配筋為雙向φ18@160 mm，基礎(chǔ)頂面四角設(shè)吊環(huán)，吊環(huán)設(shè)置滿足相關(guān)規(guī)范要求；臨時(shí)鋼支撐柱與相鄰框架柱采取必要的水平向拉結(jié)措施；柱頂通過加焊墊板與首層框架梁底頂緊，負(fù)一層框架梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40、永久柱C50。當(dāng)主梁懸空跨度超過8.5 m時(shí)，在主梁下相應(yīng)位置布置2～4根上述規(guī)格臨時(shí)鋼支撐[13]。

3 有限元模型建立

3.1 模型與參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)開挖試驗(yàn)段，采用ABAQUS軟件建立有限元模型。模型主要分為兩個(gè)部分：圍巖地質(zhì)和地下工程主體結(jié)構(gòu)。模型計(jì)算范圍：邊界取開挖深度的3.5倍，計(jì)算深度取開挖深度的5倍。即地基模型取一個(gè)半徑為80 m的圓柱體。地下工程主體結(jié)構(gòu)由圍護(hù)墻和樓板梁柱等框架組成。模型邊界條件：環(huán)向邊界節(jié)點(diǎn)沿X和Y方向均限制水平位移，底部邊界約束豎向位移，模型上邊界為自由邊界。根據(jù)載荷步模擬地下空間開挖和地下結(jié)構(gòu)施工過程，地層剖面和結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 地質(zhì)和結(jié)構(gòu)模型Figure 2 Geological and structure models

根據(jù)試驗(yàn)場地地質(zhì)勘查報(bào)告，結(jié)合工程設(shè)計(jì)書與經(jīng)驗(yàn)，將物理力學(xué)參數(shù)相近的地層進(jìn)行簡化：填土層、強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖三層，其主要物理力學(xué)參數(shù)取值詳見表1。巖土本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，并假設(shè)為均勻分布、各項(xiàng)同性材料。地下工程主體結(jié)構(gòu)中的梁板柱采用經(jīng)典彈塑性本構(gòu)模型。模型中混凝土彈性模量取值按1.2倍的放大系數(shù)考慮混凝土配筋效應(yīng)[14]，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

3.2 載荷步設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工程確定的施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬。運(yùn)用ABAQUS軟件的生死單元功能模擬基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工。為了更好地展示臨時(shí)鋼支撐隨地下工程施工過程的支護(hù)效果，同一模型按兩種工況進(jìn)行計(jì)算：工況1—無臨時(shí)鋼支撐結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬；工況2—設(shè)臨時(shí)鋼支撐結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬。整個(gè)施工過程及載荷步為：①施加初始地應(yīng)力→②圍護(hù)墻施工→③負(fù)一層頂板施工→④負(fù)一層基坑開挖及永久柱(工況2還需考慮增加臨時(shí)鋼支撐施工載荷步)施工→⑤覆土及施加負(fù)一層施工荷載→⑥負(fù)二層頂板施工→⑦負(fù)二層基坑開挖及永久柱(包括臨時(shí)鋼支撐)施工→⑧負(fù)三層頂板施工→⑨負(fù)三層基坑開挖及永久柱(包括臨時(shí)鋼支撐)施工→⑩負(fù)三層底板施工。鋼支撐模型截面布置形式如圖3所示。

表1 巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

圖3 鋼支撐布置Figure 3 Steel support layout

4 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

4.1 水平位移比較分析

由于下沉式廣場的存在，在道路以下部分逆作法施工階段，由順作法施工圍巖卸載產(chǎn)生的側(cè)向土壓力，全部由無側(cè)向圍巖支撐段的圍護(hù)墻和梁板柱等地下主體結(jié)構(gòu)承受，易引起較大結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移和失穩(wěn)破壞。

由原設(shè)計(jì)無臨時(shí)鋼支撐支護(hù)模型求得最大結(jié)構(gòu)水平位移如圖4所示。從圖中可以看出，模型X向和Y向最大水平位移均發(fā)生在無梁板支撐的順作法下沉式廣場圍護(hù)墻頂，分別為8.907 mm(A點(diǎn))和13.02 mm(B點(diǎn))。

圖4 模型水平方向最大位移云圖(m)Figure 4 Model horizontal maximum displacementnephogram (m)

圖5為A、B兩觀察點(diǎn)隨載荷步的水平位移變化曲線，由圖中曲線分析可知：A點(diǎn)最大X向和Y向水平位移分別為11.5 mm和4.2 mm，B點(diǎn)為2.8 mm和19.6 mm，圍護(hù)墻弧形結(jié)構(gòu)抗變形能力明顯高于兩側(cè)直墻，究其原因主要為拱的卸荷效應(yīng)，即作用于圍護(hù)墻弧形結(jié)構(gòu)的側(cè)向土壓力通過兩側(cè)直墻進(jìn)行了荷載傳遞，因此位置A點(diǎn)的最大水平位移相對(duì)B點(diǎn)要小，但考慮圍護(hù)墻施工受后續(xù)載荷步影響較小，可通過加強(qiáng)監(jiān)測、預(yù)留核心土、盡早施作坑底底板等方法降低不利影響。限于篇幅將不作為本文重點(diǎn)展開討論。

圖5 扇形結(jié)構(gòu)水平位移變化規(guī)律曲線Figure 5 Fan-shaped structure horizontal displacementvariation pattern curves

4.2 豎向位移比較分析

圖6為由兩種工況計(jì)算模型求得最大豎向位移云圖。由圖6(a)可知，最大位移發(fā)生在內(nèi)側(cè)永久柱與扇形中心之間的頂板位置，約97 mm。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度考慮，由于最內(nèi)側(cè)永久柱距扇形中心的距離達(dá)到30 m，此范圍內(nèi)只有外圍護(hù)墻和內(nèi)側(cè)永久柱提供頂板有效豎向支撐，施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高。由圖6(b)可知，兩種工況計(jì)算的最大位移的分布區(qū)域大致相同?？紤]加設(shè)臨時(shí)鋼支撐后，最大位移從97 mm減小至約4.4 mm，降低約95%?？梢?，臨時(shí)鋼支撐可提供梁板結(jié)構(gòu)有效支撐，有助于降低工程風(fēng)險(xiǎn)，保障施工安全。

圖6 扇形結(jié)構(gòu)豎向最大位移云圖(m)Figure 6 Fan-shaped structure vertical maximumdisplacement nephogram (m)

圖7 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)豎向位移關(guān)系曲線Figure 7 Relationship curve showing numerical simulationand site monitoring point vertical displacements

圖7為負(fù)一層地下結(jié)構(gòu)頂板最大豎向位移監(jiān)測點(diǎn)C14觀測數(shù)據(jù)與按工況2求得的對(duì)應(yīng)位置模型節(jié)點(diǎn)豎向位移的關(guān)系曲線?？紤]位移觀測值為絕對(duì)值，而模型中提取的數(shù)據(jù)為相對(duì)值(扣除初始應(yīng)力場引起的變形)，模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)在初始讀數(shù)上存在一定位移差。由圖7中曲線分析可知，結(jié)構(gòu)豎向位移根據(jù)變化特征主要可劃分為三個(gè)階段：

1)1～4載荷步，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測反饋信息，在初始階段(負(fù)一層地下空間開挖支護(hù)前)頂板位移變化均較小。表明前期施工相對(duì)安全可靠。

2)4～6載荷步，為地下空間開挖、頂板覆土回填和施工載荷共同作用階段。頂板豎向位移有限元計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果在該段均呈現(xiàn)出快速遞增趨勢，增幅在30 mm以內(nèi)。究其原因主要為：一方面頂板作用覆土自重和施工荷載后，引起頂板位移同步增大；另一方面，地下空間開挖擾動(dòng)引起地下結(jié)構(gòu)圍巖應(yīng)力釋放，地層原有平衡狀態(tài)被打破間接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形。從側(cè)面驗(yàn)證了該階段加設(shè)臨時(shí)鋼支撐的重要性。

3)8～9和11～12載荷步，頂板豎向位移計(jì)算值存在兩個(gè)下降段，之后又趨于平緩。究其原因主要為巖土Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的計(jì)算通病所致[15-17]：Mohr-Coulomb模型壓縮和回彈模量取值是相同的，而實(shí)際回彈模量為壓縮模量的3～5倍，因此開挖引起底部土體回彈較大，從而帶動(dòng)地下主體結(jié)構(gòu)整體上抬，導(dǎo)致與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)不符，可通過試驗(yàn)、工程監(jiān)測數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)Mohr-Coulomb模型的參數(shù)取值進(jìn)行適當(dāng)修正，來降低數(shù)值模型本身引起的計(jì)算誤差。

綜上所述，隨載荷步地下結(jié)構(gòu)位移變化大致呈現(xiàn)三個(gè)發(fā)展階段：可忽略位移變化階段、位移快速遞增階段和位移平緩發(fā)展階段。在地下工程順逆作法施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注開挖階段位移變化情況，并根據(jù)不同開挖形式和工藝進(jìn)行支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

本文對(duì)臨時(shí)鋼支撐支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了介紹，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)基于風(fēng)化巖地層大型復(fù)雜地下工程順逆作法施工地下結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬和比較分析，得出如下結(jié)論：

1)提出的臨時(shí)鋼支撐支護(hù)技術(shù)，能夠顯著減小由于地下空間開挖施工引起的結(jié)構(gòu)豎向位移。

2)地下工程順逆作法施工過程，最大水平位移發(fā)生在無水平支撐圍護(hù)墻頂，最大豎向位移發(fā)生在板跨跨中。

3)結(jié)構(gòu)位移整體變化趨勢為：施工前期變化不明顯，后隨載荷步逐漸增大，最后又趨于平緩。

4)隨載荷步頂板豎向位移計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值比較兩者吻合良好。