地下工程顺逆作法施工临时支护及模型分析

陈向红

(中煤建工集团有限公司，北京 100071)

0 引言

伴随我国经济的快速发展，城镇化建设水平不断提升，城市人口数量不断递增，地下空间的开发利用在城市建设和经济社会发展中的地位越来越重要，其建设速度、投资规模以及建设积极性空前高涨，从早期小规模、单一功能的地下工程建设或地下空间资源利用，到20世纪50、60年代的大深度开发，再到大规模、大深度的地下空间开发利用，显然已成为当前世界性的前沿科研话题和研究项目。正如谢和平院士等专家学者在技术工作报告中所提到的[1-2]，对地下空间的综合利用在国际上得到了越来越多的重视，已有很多国际组织都在研究地下空间利用，1991年城市地下空间国际学术会议通过的《东京宣言》认为“21世纪是人类开发利用地下空间的世纪”，预测未来有1/3的人会在地下空间开发利用居住。在国内，地下空间的开发利用则作为21世纪经济建设的重点被写入《2020年中国工程科学和技术发展研究》报告[3]。

逆作法施工作为一种地下工程施工技术，早在20世纪30年代日本就有了采用逆作法施工的案例，90年代初，国内首次将盖挖逆作法技术大规模应用于北京、上海、南京等城市的地铁车站工程建设中，并在地下商场、地下停车场等大型地下空间开发利用中得到广泛应用[4]。随着城市地下空间支护技术的革新，临时支护技术及其理论不断吸引相关学者在该领域的研究工作。关雪梅[5]以上海仲盛商业中心基坑工程为背景，对逆作法工程支护结构选型、挖土方式等进行了研究。沈咏等[6]以上海万科铜山街项目特大型商业地产建筑深基坑工程逆作法施工为例，介绍了土方开挖方法、临时支护体系与主体结构相结合的施工工艺。王立光[7]以穿越软土地层超大断面、超浅埋双层公路隧道为例，对开挖过程中的临时支护、初期支护及二次衬砌进行了数值模拟。周磊生[8]等系统开展CD及CRD开挖工法下不同支护方式的数值计算，明确了CRD开挖工法下不同临时支护拆除顺序对隧道围岩稳定性影响规律。刘应亮[9]以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道下穿拱北口岸为依托，采用“曲线管幕+水平冻结+五台阶十四部”工法施工，并借助信息化监测手段实现了超大断面临时支护到永久性结构的转换。刘朋飞[10]以石家庄地铁一号线长城桥车站暗挖段为工程背景，以临时钢管柱横支撑为因子，通过现场测试对柱洞法施工的无水砂性地层中单层三跨地铁车站结构受力变形特征进行了研究。

同时，地下工程建设周边环境趋于复杂化，影响因素趋于多样性，对结构变形的要求也越来越严格，部分工程项目甚至提出0 mm沉降的要求，在现状指标不降低、耐久性不受影响及安全储备不减弱的情况下，结构微变形控制技术难度和风险增大[11-12]。因此深入开展地下空间施工结构变形机制及其支护技术理论研究，是降低地下空间施工致险因子影响水平、保障地下工程施工安全和提升综合治理水平等方面具有重要意义。本文依托某地下工程案例，针对工程结构特点及其特殊施工条件，提出临时钢支撑支护方案，并采用ABAQUS有限元软件对是否考虑临时支护的逆作法施工过程进行了数值模拟，与考虑临时支护后的实际工程监测数据进行比较分析，相关成果可为类似工程提供经验借鉴。

1 工程概况

某市地下工程项目由负一层至负二层商业、负三层地下车库和下沉式广场等组成，为该市最大地下综合交通枢纽。其结构类型为钢筋混凝土框剪结构，负一层和负二层层高为6 m，负三层为5 m。平面结构为直径约200 m的中心圆，由纵横向道路分割为四个扇形区，取其中东南扇形区域为试验段进行研究。为掌握地下结构随施工过程的变形发展情况，便于支护结构设计和变形控制，对负一层梁板结构进行了监控点布设(图1)。地下工程施工工艺为：道路以下部分采用逆作法施工，下沉式广场部分采用顺作法施工。

由工程地质勘查报告可知，工程范围内上部主要以填土为主，稳定性差；下部以中、强粗粒风化岩为主。根据图纸所展示的结构模型尺寸：框架柱间距为8～30 m，圆柱直径0.6～1.8 m，为了便于模型分析，方柱按截面等效原则用圆柱代替；框架梁截面1.0 m×2.3 m，顶底板厚度为0.6 m，围护墙厚度0.8 m。

图1 东南扇形区负一层位移监测布设Figure 1 Displacement monitoring layout in southeastfan-shaped segment basement first floor

2 临时钢支撑支护设计

由于场地地质和结构条件复杂，施工难度大、风险等级高，提出一种经济可行的临时钢支撑支护方案。首先，根据工程特点和结构强度、刚度及稳定性验算，选用2根壁厚12 mm的DN219钢管可满足承载力设计要求。布置临时钢管构件时，按照给出的主梁支撑点间跨度达到约17 m时布设的原则进行。同时结合实际状况，在距扇形圆心15 m(圆心与相邻第一排柱跨中)和柱跨中位置加设临时钢支撑并进行模型数值分析。

为了便于安装，每根柱子根据制备、运输及拼装条件分为多段，每段间通过加焊拼接板用螺栓连接组装而成，垫板采用边长300 mm、高20 mm的方形钢板，螺栓规格为M24-50；临时钢支撑柱下基础通过轴压、抗冲切验算后设计尺寸为1.5 m × 1.9 m、高0.50 m，混凝土强度等级为C40，基础底板配筋为双向φ18@160 mm，基础顶面四角设吊环，吊环设置满足相关规范要求；临时钢支撑柱与相邻框架柱采取必要的水平向拉结措施；柱顶通过加焊垫板与首层框架梁底顶紧，负一层框架梁混凝土强度等级为C40、永久柱C50。当主梁悬空跨度超过8.5 m时，在主梁下相应位置布置2～4根上述规格临时钢支撑[13]。

3 有限元模型建立

3.1 模型与参数设计

根据开挖试验段，采用ABAQUS软件建立有限元模型。模型主要分为两个部分：围岩地质和地下工程主体结构。模型计算范围：边界取开挖深度的3.5倍，计算深度取开挖深度的5倍。即地基模型取一个半径为80 m的圆柱体。地下工程主体结构由围护墙和楼板梁柱等框架组成。模型边界条件：环向边界节点沿X和Y方向均限制水平位移，底部边界约束竖向位移，模型上边界为自由边界。根据载荷步模拟地下空间开挖和地下结构施工过程，地层剖面和结构模型如图2所示。

图2 地质和结构模型Figure 2 Geological and structure models

根据试验场地地质勘查报告，结合工程设计书与经验，将物理力学参数相近的地层进行简化：填土层、强风化岩和中风化岩三层，其主要物理力学参数取值详见表1。岩土本构关系采用Mohr-Coulomb模型，并假设为均匀分布、各项同性材料。地下工程主体结构中的梁板柱采用经典弹塑性本构模型。模型中混凝土弹性模量取值按1.2倍的放大系数考虑混凝土配筋效应[14]，计算参数如表2所示。

3.2 载荷步设计

根据实际工程确定的施工方案进行数值模拟。运用ABAQUS软件的生死单元功能模拟基坑开挖和主体结构施工。为了更好地展示临时钢支撑随地下工程施工过程的支护效果，同一模型按两种工况进行计算：工况1—无临时钢支撑结构数值模拟；工况2—设临时钢支撑结构数值模拟。整个施工过程及载荷步为：①施加初始地应力→②围护墙施工→③负一层顶板施工→④负一层基坑开挖及永久柱(工况2还需考虑增加临时钢支撑施工载荷步)施工→⑤覆土及施加负一层施工荷载→⑥负二层顶板施工→⑦负二层基坑开挖及永久柱(包括临时钢支撑)施工→⑧负三层顶板施工→⑨负三层基坑开挖及永久柱(包括临时钢支撑)施工→⑩负三层底板施工。钢支撑模型截面布置形式如图3所示。

表1 岩土层主要物理力学参数指标

表2 结构物理力学参数指标

图3 钢支撑布置Figure 3 Steel support layout

4 数值计算及结果分析

4.1 水平位移比较分析

由于下沉式广场的存在，在道路以下部分逆作法施工阶段，由顺作法施工围岩卸载产生的侧向土压力，全部由无侧向围岩支撑段的围护墙和梁板柱等地下主体结构承受，易引起较大结构侧向水平位移和失稳破坏。

由原设计无临时钢支撑支护模型求得最大结构水平位移如图4所示。从图中可以看出，模型X向和Y向最大水平位移均发生在无梁板支撑的顺作法下沉式广场围护墙顶，分别为8.907 mm(A点)和13.02 mm(B点)。

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

图5为A、B两观察点随载荷步的水平位移变化曲线，由图中曲线分析可知：A点最大X向和Y向水平位移分别为11.5 mm和4.2 mm，B点为2.8 mm和19.6 mm，围护墙弧形结构抗变形能力明显高于两侧直墙，究其原因主要为拱的卸荷效应，即作用于围护墙弧形结构的侧向土压力通过两侧直墙进行了荷载传递，因此位置A点的最大水平位移相对B点要小，但考虑围护墙施工受后续载荷步影响较小，可通过加强监测、预留核心土、尽早施作坑底底板等方法降低不利影响。限于篇幅将不作为本文重点展开讨论。

图5 扇形结构水平位移变化规律曲线Figure 5 Fan-shaped structure horizontal displacementvariation pattern curves

4.2 竖向位移比较分析

图6为由两种工况计算模型求得最大竖向位移云图。由图6(a)可知，最大位移发生在内侧永久柱与扇形中心之间的顶板位置，约97 mm。从结构设计角度考虑，由于最内侧永久柱距扇形中心的距离达到30 m，此范围内只有外围护墙和内侧永久柱提供顶板有效竖向支撑，施工安全风险等级较高。由图6(b)可知，两种工况计算的最大位移的分布区域大致相同。考虑加设临时钢支撑后，最大位移从97 mm减小至约4.4 mm，降低约95%。可见，临时钢支撑可提供梁板结构有效支撑，有助于降低工程风险，保障施工安全。

图6 扇形结构竖向最大位移云图(m)Figure 6 Fan-shaped structure vertical maximumdisplacement nephogram (m)

图7 数值模拟与现场监测点竖向位移关系曲线Figure 7 Relationship curve showing numerical simulationand site monitoring point vertical displacements

图7为负一层地下结构顶板最大竖向位移监测点C14观测数据与按工况2求得的对应位置模型节点竖向位移的关系曲线。考虑位移观测值为绝对值，而模型中提取的数据为相对值(扣除初始应力场引起的变形)，模拟结果与监测数据在初始读数上存在一定位移差。由图7中曲线分析可知，结构竖向位移根据变化特征主要可划分为三个阶段：

1)1～4载荷步，根据有限元计算结果和监测反馈信息，在初始阶段(负一层地下空间开挖支护前)顶板位移变化均较小。表明前期施工相对安全可靠。

2)4～6载荷步，为地下空间开挖、顶板覆土回填和施工载荷共同作用阶段。顶板竖向位移有限元计算结果和监测结果在该段均呈现出快速递增趋势，增幅在30 mm以内。究其原因主要为：一方面顶板作用覆土自重和施工荷载后，引起顶板位移同步增大；另一方面，地下空间开挖扰动引起地下结构围岩应力释放，地层原有平衡状态被打破间接导致结构变形。从侧面验证了该阶段加设临时钢支撑的重要性。

3)8～9和11～12载荷步，顶板竖向位移计算值存在两个下降段，之后又趋于平缓。究其原因主要为岩土Mohr-Coulomb本构模型的计算通病所致[15-17]：Mohr-Coulomb模型压缩和回弹模量取值是相同的，而实际回弹模量为压缩模量的3～5倍，因此开挖引起底部土体回弹较大，从而带动地下主体结构整体上抬，导致与实际监测数据不符，可通过试验、工程监测数据及工程经验对Mohr-Coulomb模型的参数取值进行适当修正，来降低数值模型本身引起的计算误差。

综上所述，随载荷步地下结构位移变化大致呈现三个发展阶段：可忽略位移变化阶段、位移快速递增阶段和位移平缓发展阶段。在地下工程顺逆作法施工中应重点关注开挖阶段位移变化情况，并根据不同开挖形式和工艺进行支护方案优化设计。

5 结论

本文对临时钢支撑支护技术进行了介绍，采用ABAQUS有限元软件对基于风化岩地层大型复杂地下工程顺逆作法施工地下结构的位移变化规律进行了数值模拟和比较分析，得出如下结论：

1)提出的临时钢支撑支护技术，能够显著减小由于地下空间开挖施工引起的结构竖向位移。

2)地下工程顺逆作法施工过程，最大水平位移发生在无水平支撑围护墙顶，最大竖向位移发生在板跨跨中。

3)结构位移整体变化趋势为：施工前期变化不明显，后随载荷步逐渐增大，最后又趋于平缓。

4)随载荷步顶板竖向位移计算结果与实测值比较两者吻合良好。