劉 軍，袁 瀟，張春節(jié)，魏 力

(1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2.北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100176)

0 引言

在當(dāng)今地下建筑結(jié)構(gòu)修建盛行的年代，裝配式半鋪蓋法無疑能極大地緩解地下工程施工對地面道路交通造成的影響。此前，有不少學(xué)者進行半鋪蓋法研究：宋玲坤等[1]以北京地鐵10號線海淀黃莊站為背景，分析利用鋪蓋法進行施工時會遇到的工程問題及解決辦法。杜正時[2]針對鋪蓋法在水利水電工程應(yīng)用中的滲水問題，研究黏土在防滲設(shè)施上的應(yīng)用及注意事項。任建喜[3]重點研究了在采用半鋪蓋法進行地鐵車站基坑建設(shè)時，中間立柱沉降變形規(guī)律及其原理。王安勐等[4]以北京廣渠路隧道工程為研究背景，對半鋪蓋法體系方案進行比較和總結(jié)。孟慶軍等[5]以南寧市地鐵1號線某地鐵站基坑工程為背景，研究了大跨度基坑施工問題，并對此類復(fù)雜基坑中半鋪蓋法的應(yīng)用進行探究。葉小雷等[6]通過工程實例，總結(jié)了管道鋪蓋法施工的要點。李華磊等[7]通過數(shù)值模擬研究了在半鋪蓋法施工中基坑圍護結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變化規(guī)律，并通過實際工程案例進行驗證。

然而，已有研究多針對各種工況下半鋪蓋法施工工藝和可能出現(xiàn)的問題，少有針對其建造過程中的臨時立柱穩(wěn)定性的研究。本文以實際裝配式半鋪蓋法工程為背景，通過數(shù)值模擬研究，提出保證半鋪蓋體系臨時立柱穩(wěn)定的措施。

1 工程概況

1.1 項目概況

沈陽某地鐵車站為地下2層3跨車站，采用島式站臺。該車站標(biāo)準(zhǔn)段寬22.5m，底板埋深17.3～18.7m，主體結(jié)構(gòu)總長179.4m。主體結(jié)構(gòu)采用裝配式半鋪蓋法施工，基坑圍護采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)從上往下共設(shè)置3道支撐，分別為1道混凝土支撐、2道鋼支撐。該工程分層開挖，每次開挖至支撐中心設(shè)計標(biāo)高以下約0.5m處后，進行支撐安裝。其中車站地層參數(shù)如表1所示。

1.2 裝配式半鋪蓋法結(jié)構(gòu)構(gòu)造

裝配式半鋪蓋法結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要分為3個部分：圍護結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)包括鋪蓋板、鋪蓋板支撐梁、鋪蓋板支撐梁連接構(gòu)件、抗傾覆連接構(gòu)件、連接螺栓等，下部結(jié)構(gòu)主要包括臨時立柱、肋板、環(huán)板、剪刀撐、臨時立柱縱橫向連接構(gòu)件、連接螺栓等。主要部件如圖1所示。

圖1 裝配式半鋪蓋法結(jié)構(gòu)構(gòu)造

由圖1可知，傳力模式為鋪蓋板上的荷載通過鋪蓋板支撐梁傳遞給冠梁和中間縱梁支撐，進而再由冠梁和中間縱梁支撐分別傳遞給基坑圍護樁和中間臨時立柱。故可知基坑圍護結(jié)構(gòu)、臨時立柱在半鋪蓋法結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中起關(guān)鍵性作用。

2 臨時立柱穩(wěn)定性措施研究

2.1 FLAC3D模型建立

由于基坑較長，采用平面應(yīng)變模型，縱向上僅截取5根臨時立柱長度。所建模型為實際基坑模型的簡化模型(見圖2)，模型尺寸為長36m，寬22.8m，基坑深度18m，車站圍護結(jié)構(gòu)采用直徑為800mm、樁心距為1 200mm的C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，長度約21.6m。中間立柱采用鋼管樁形式，采用φ800×12鋼管，間距為6m，內(nèi)澆筑C25混凝土。從上到下設(shè)置1道混凝土支撐、2道鋼支撐?；炷亮航孛娉叽鐬? 200mm×1 000mm，2道鋼支撐直徑均為609mm。在該模型中，取2倍基坑尺寸為基坑周邊土體，5個面均進行局部位移限制。在整個基坑模型設(shè)計中，可分為實體構(gòu)件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件兩部分。其中實體構(gòu)件包括灌注樁、冠梁、臨時立柱、鋪蓋板、第1道混凝土支撐、樁間噴射混凝土等，結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括2道鋼支撐。結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表2所示。

圖2 半鋪蓋法FLAC3D模型

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

鋪蓋板上受均布荷載20kPa，基坑分為4次開挖。第1次向下開挖1.91m(即第1道橫撐下0.5m處)，第2次繼續(xù)向下開挖7.49m(即第2道橫撐下0.5m處)，第3次繼續(xù)向下開挖5m(即開挖至第3道橫撐下0.5m處)，第4次繼續(xù)開挖至底板。臨時立柱及監(jiān)測點位置如圖3所示。

圖3 臨時立柱與監(jiān)測點位置

2.2 穩(wěn)定性分析

裝配式鋪蓋體系中的臨時立柱屬于下部結(jié)構(gòu)，在基坑開挖中失去了周邊土體約束，從而其穩(wěn)定性會關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)體系安全。因此，在模擬中，探尋基坑開挖中臨時立柱變化規(guī)律并分析臨時立柱穩(wěn)定性影響因素，確定保證臨時立柱穩(wěn)定的措施。

2.2.1豎向位移

2.2.1.1無剪刀撐工況

通過數(shù)值模擬可得，在該工況下，臨時立柱1號監(jiān)測點累計沉降約為-35mm。同時由豎向位移云圖可知，中間臨時立柱會產(chǎn)生較大豎向位移，兩側(cè)立柱由于受到更多約束，產(chǎn)生相對較小的豎向位移；對比基坑兩側(cè)約束較強的立柱和相對約束較弱的中間立柱，即1，3號立柱，發(fā)現(xiàn)距離中間立柱越近，與中間立柱所產(chǎn)生的豎向位移差別越小(見圖4，圖中“1-監(jiān)測點2”表示1號立柱中2號監(jiān)測點)。為確保數(shù)據(jù)曲線精確性，在工況與工況之間采取小數(shù)，表示在相應(yīng)數(shù)值模擬運算步數(shù)上對應(yīng)的數(shù)值。工程剛開始時兩柱豎向位移差別不大，但隨著開挖階段進行，由于每層土層強度不同，承載能力不同，差別越來越大。

圖4 1，3號臨時立柱豎向位移對比

由圖4可知，臨時立柱累計變形均有相似變形規(guī)律，可分為4個階段：微小沉降階段、上下波動階段、大沉降階段、穩(wěn)定階段。微小沉降階段為施工剛開始階段，鋪蓋板上所承受的荷載直接傳遞給中間臨時立柱，但最終由中間臨時立柱自身承載力和臨時立柱與周邊土體摩擦力承擔(dān)，故該階段臨時立柱豎向位移不大；當(dāng)隨著基坑逐步向下開挖，基坑內(nèi)土體減少，基坑內(nèi)外壓差增大，可能導(dǎo)致臨時立柱向上隆起，但同樣，由于臨時立柱周邊土體的減少，導(dǎo)致土體能幫助臨時立柱分擔(dān)的荷載越來越小，鋪蓋板結(jié)構(gòu)自重及荷載對臨時立柱的影響逐漸變大，故這是一個隨基坑不斷開挖的動態(tài)變化過程，最終出現(xiàn)沉降值上下波動的情況；而當(dāng)開挖至一定深度時，土體與臨時立柱摩擦力越來越小，鋪蓋板上負(fù)載作用在臨時立柱上的值逐漸達到最大值，此時對臨時立柱造成的影響已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由于基坑隆起對臨時立柱造成的影響，故臨時立柱開始發(fā)生較大沉降，該階段即為大沉降階段；最終，到基坑開挖接近尾聲時，中間臨時立柱受到的影響趨于穩(wěn)定。

2.2.1.2有剪刀撐工況

臨時立柱間隨著基坑開挖安裝了剪刀撐后，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可得臨時立柱最大累計沉降值約為-3.53mm，并最終將其與無剪刀撐工況下的1，3號臨時立柱進行對比，如圖5所示。

圖5 立柱豎向位移對比

由圖5可知，1，3號立柱在及時安裝剪刀撐后，豎向位移均得到明顯限制。同時，安裝剪刀撐后，1，3號立柱具有相同豎向位移。這也說明通過剪刀撐的聯(lián)系，協(xié)同作用，共同抵抗變形。

未安裝剪刀撐時，臨時立柱與臨時立柱之間獨立存在，會發(fā)生群樁效應(yīng)，如圖6所示，此時臨時立柱上所承擔(dān)的荷載會對立柱周邊土體產(chǎn)生附加應(yīng)力，且在中間臨時立柱附近土體會產(chǎn)生附加應(yīng)力的最大值，導(dǎo)致中間臨時立柱附近土體發(fā)生較大的壓縮沉降。而安裝剪刀撐后，剪刀撐將臨時立柱聯(lián)系起來，使其共同作用，抵抗變形，此時所有臨時立柱成為一個整體，可使立柱下土體均分上部荷載所造成的附加應(yīng)力，如圖7所示。此時中間位置土體不會產(chǎn)生過大附加應(yīng)力，即土體壓縮沉降亦不會變大。

圖6 無剪刀撐時臨時立柱群樁效應(yīng)

圖7 增加剪刀撐后臨時立柱協(xié)同作用

2.2.2水平位移

2.2.2.1無剪刀撐工況

如圖8所示，在無剪刀撐工況下，產(chǎn)生最大累計水平位移為18.5mm，其中水平位移正值表示向基坑外側(cè)的位移，下文同理；同時，在相同深度測點上，1，3號臨時立柱皆具有相同的水平位移。且隨著開挖階段不斷進行，水平位移也在不斷增加。

圖8 無剪刀撐工況下臨時立柱水平位移

2.2.2.2有剪刀撐工況

安裝剪刀撐工況下，臨時立柱累計水平位移為9.6mm。說明在限制臨時立柱水平位移上，剪刀撐亦起到作用。1，3號臨時立柱在有、無安裝剪刀撐工況下水平位移對比如圖9所示。

圖9 立柱水平位移對比

由圖9可知，無論有無剪刀撐限制，發(fā)生最大水平位移的位置均在臨時立柱監(jiān)測點3深度處，即相當(dāng)于臨時立柱中間位置；而剪刀撐安裝在監(jiān)測點2，3之間，故此時在監(jiān)測點3處開始起作用，限制立柱水平位移。同時，安裝剪刀撐后，不同立柱之間依然具有相同的水平位移及變化趨勢。

2.2.3穩(wěn)定性影響因素分析

1)臨時立柱剛度 基坑開挖中臨時立柱完全暴露且無約束，應(yīng)力變化復(fù)雜，若剛度不夠?qū)?dǎo)致立柱變形過大，甚至破壞，而在數(shù)值模擬中，僅選取了1種臨時立柱剛度值，若增大立柱剛度，則穩(wěn)定性會更好。

2)剪刀撐強度 由前文分析可知，剪刀撐在臨時立柱穩(wěn)定性中起著極為重要的作用，能有效限制立柱水平位移和豎向位移。而其起作用的原因是剪刀撐有足夠的強度將臨時立柱聯(lián)系起來，共同抵抗變形。

3)基坑開挖方法 該基坑工程分為4次開挖，每次開挖深度不同，跨越土層也不一致，導(dǎo)致臨時立柱可能出現(xiàn)應(yīng)力突變情況，進而使臨時立柱發(fā)生失穩(wěn)。

2.2.4穩(wěn)定性控制措施

1)增強臨時立柱自身材料強度，在設(shè)計階段解決該問題。

2)基坑開挖過程中應(yīng)控制臨時立柱整體穩(wěn)定性，增設(shè)剪刀撐及縱、橫向連接構(gòu)件。在安裝剪刀撐時，需做到：①及時安裝，安裝完1層剪刀撐且立柱變形不再增加后，再進行下一層土的開挖；②需確保剪刀撐與臨時立柱連接處的牢固程度，保證剪刀撐發(fā)揮功能。

3)基坑應(yīng)分層開挖，每次開挖及架撐深度的確定應(yīng)考慮到土層變化，不宜在土層強度變化大的地方進行大深度開挖。

4)基坑中間位置臨時立柱空間效應(yīng)較弱，整個施工過程中應(yīng)重點監(jiān)測，保障工程安全。

3 結(jié)語

本文以沈陽某地鐵車站基坑工程為背景，通過數(shù)值模擬研究裝配式半鋪蓋法施工臨時立柱變形規(guī)律及穩(wěn)定性措施，得出如下結(jié)論。

1)通過對半鋪蓋法結(jié)構(gòu)框架進行分析，得出鋪蓋板上荷載在半鋪蓋體系中的力傳遞順序，找到在該體系中起承擔(dān)作用的核心構(gòu)件，即臨時立柱。

2)在對臨時立柱進行沉降分析中，可得臨時立柱在基坑開挖階段的沉降分為4個階段：微小沉降階段、上下波動階段、大沉降階段、穩(wěn)定階段。造成這4個階段的主要因素包括隨基坑開挖造成坑底隆起及土體減少對臨時立柱上荷載的分擔(dān)程度等。

3)通過數(shù)值模擬研究有無剪刀撐工況下臨時立柱變形，可得知剪刀撐的安裝是確保臨時立柱穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)。未安裝剪刀撐時，臨時立柱水平累計位移為遠(yuǎn)離基坑方向18.5mm，而此時臨時立柱豎向位移則為下沉35mm；安裝剪刀撐后，臨時立柱水平累計位移為9.6mm，豎向位移為下沉3.53mm。因此，剪刀撐完善了半鋪蓋體系，使其能協(xié)同作用，很好地達到限制變形的作用。

4)無論是否安裝剪刀撐，兩側(cè)和中間臨時立柱具有相同的位移值和位移方向，兩側(cè)臨時立柱豎向位移小于中間臨時立柱豎向位移。

在應(yīng)用裝配式半鋪蓋法建造地鐵車站過程中，應(yīng)充分考慮臨時立柱間剪刀撐所起的作用，以保證臨時立柱的穩(wěn)定；同時也應(yīng)分別處理兩側(cè)和中間臨時立柱，對這2類臨時立柱使用不同的加固措施。