软土地区深基坑工程换撑代替方案研究

胡 林，陈广思，郭绍曾，刘 润

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）



软土地区深基坑工程换撑代替方案研究

胡 林，陈广思，郭绍曾，刘 润

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

摘要：结合天津南运河地铁站深基坑工程，运用专业的岩土工程计算软件Plaxis([2])模拟了基坑的开挖过程，对换撑与满堂脚手架工况进行了对比分析，精确模拟了地下水位的稳态下降过程及软土应力随应变的硬化规律([3])，通过模拟分析和研究得出本工程采用满堂脚手架代替换撑方案是可行的。

关键词：深基坑工程；Plaxis；满堂脚手架；换撑；基坑变形

引 言

地铁深基坑具有多种特点[5, 6]，比如临时性、复杂性、高风险、随机性及地域性等。地铁施工基坑开挖的过程中，由于围护结构主要承受水平方向的土压力同时会产生向基坑方向的水平位移，从而使得基坑的外部地表发生变形，而且随着开挖深度的增加地表变形也会随之增大。如果基坑的周边作用有不均匀超载也会在一定程度上引起土体的侧向位移，而且位移量的增加也是随着超载了的增大而不断增大的[7~9]。与此同时开挖的不断进行也会使得桩体跟墙体侧向位移增加，如何研究基坑开挖过程中桩体跟墙体的侧向变形并且保证地连墙的侧向变形满足基坑开挖技术规范中对基坑开挖设计控制指标中的要求是我们国内研究地铁站基坑工程的重要而迫切的课题[10~12]。

为此，本文结合天津南运河地铁站深基坑工程实例探究满堂脚手架代替换撑方案的可行性和准确性。作者运用岩土专业分析模拟软件Plaxis，对换撑工况、满堂红替代换撑工况进行了数值模拟计算，对比分析了两种工况下地连墙的水平位移、最大弯矩、最大剪力，水平支撑的轴力、满堂脚手架横杆的最大挠度等各项指标，计算结果证明了地铁站深基坑工程中满堂脚手架代替换撑方案的可行性。

1 工程概况

1.1 工程概况

南运河站位于天津市红桥区中环线（红旗路）与芥园道交口处，地理位置优越，交通繁忙。该站为地下二层标准车站，基坑开挖深度18.15 m，在里程CK18+232.972～CK18+267.972段为盖挖法施工，其余地段为明挖法施工，基坑开挖宽度15.30～30.20 m。基坑围护主体结构拟采用地下连续墙，盖挖法地段拟采用桩基础，图1为基坑围护结构平面示意。

图1 基坑围护结构平面示意

1.2 计算断面的选取

根据设计变更方要求，选取基坑围护结构中的标准剖面4-4剖面作为计算断面，如图2所示。

图2 计算断面剖面

1.3 工程地质条件和土层力学指标

根据《天津地铁6号线工程岩土工程勘察报告（详细勘察阶段）》以及选取的计算断面的位置，并为安全起见，选择了土质相对较差的钻孔进行计算，最终选用了钻孔6NY10作为计算断面的土体剖面，具体参数见表1。其中h表示厚度，表示不饱和重度，表示饱和重度，表示标准三轴排水实验割线模量，Eor e edf 标准固结实验模量，表示卸载/重加载刚度，表示内摩擦角，表示粘聚力，表示渗透系数。

表1 土层力学指标

2 本构模型和建模方法

2.1 本构模型的选取

本文所采用的土体本构模型为高级双曲线模型，即硬化土模型（Hardening-Soil Model）。以下就所选取硬化土模型中的主要参数和作简要介绍。

图3 三轴排水试验主加载下的应力应变关系

2.2 建模方法

在Plaxis计算中地连墙、底板以及满堂脚手架使用板单元模拟。板单元可以模拟地层中的细长形结构对象，具有较大的弯曲刚度和轴向刚度，根据弯曲刚度EI和轴向刚度EA可以计算出板单元的等效厚度deq。具体参数见表2。

表2 板单元参数

由于Plaxis中点对点锚锭杆单元可以施加预应力，因此第一至第四道支撑以及换撑均采用预应力点对点锚锭杆单元进行模拟，具体参数见表3。

表3 锚锭杆单元参数

2.3 开挖步骤和工序

针对南运河地铁站基坑工程纵向分布均匀横向对称的特点，可将三维基坑开挖问题简化为计算开挖某一断面的平面应变问题，根据设计方案变更方的要求，选取基坑标准断面4-4剖面作为计算断面，分别建立了基坑开挖模型，换撑工况方案模型和满堂脚手架替换撑工况方案模型，详述如下：

在基坑盖挖段，原设计施工顺序为土方开挖至第一段基坑底标高后开始施作底板，底板完成后拆除第4道支撑，施作负二层侧墙至第3道支撑下0.5 m，完成后施作换撑，再拆除第3道支撑施作中板，完成后再拆除换撑。开挖时主体结构大、小两个基坑分别从端头向中间逐层、逐段、倒退开挖，开挖过程进行坑内降水，水位保持在最低开挖面以下1 m。土方开挖至第一段基坑底标高后开始施作底板，底板完成后拆除第4道支撑，施作负二层侧墙至第3道支撑下0.5 m；完成后拆除第3道支撑，施作中板。

在施作负二层侧墙时采用了满堂脚手架，脚手架纵横杆间距为800 mm，水平杆步距为800 mm，且布置有剪刀撑。为了缩短施工工期，减少施工费用，拟在拆除第3道支撑、施作中板前，不架设换撑，依靠满堂脚手架代替原换撑受力。

表4 两种工况工序

工况模型见图4、图5。

图4 换撑方案模型

图5 满堂红方案模型

3 数值模拟结果

本文的目的是研究地铁站基坑工程满堂脚手架代替换撑方案的可行性和安全性，在结合使用Plaxis软件的模拟基础上，得到两种工况的数值模拟结果。由于设计要求模拟结果均应该满足基坑开挖技术规范中对基坑开挖设计控制指标中的要求，要求围护结构最大侧移要在开挖深度的一定比例内。比如我国的上海、北京、天津等大城市基坑工程技术规范明确规定基坑工程的设计除应满足稳定性和承载力要求外，尚应满足基坑周围环境对变形的控制要求。应根据基坑周围环境的复杂程度及环境保护要求进行变形控制设计并采取相应的保护措施。基坑变形的设计控制指标规定围护结构最大侧移不超过基坑开挖深度的0.3 %。在本文特此选择地连墙的水平位移、剪力和弯矩，水平支撑最大轴力等各种指标来分析对比模拟结果，以便能验证满堂脚手架代替换撑方案的可行性和安全性。

3.1 换撑工况

图6给出了地连墙各个阶段的水平位移分布，横轴表示模拟各个阶段地连墙的水平位移，纵轴表示地连墙的坐标，数值范围0~40 m。起始阶段比如施加地连墙、施加钢混支撑等地连墙的水平位移非常小，呈现哪开挖哪出现位移，离开挖越远处位移越小直至地连墙底端始终嵌固住的特点。当开挖到一定深度后地连墙会相应的做出位移反应，这是因为缺少了土压力的缘故，符合土力学中土压力原理和实际施工的监测情况。当施加支撑了之后在支撑附近相应的地连墙位移会出现反弹的效果，起到了良好的支护基坑变形的作用，而且支护作用一直延续到其他的阶段直至基坑开挖完成。地连墙底端端部附近的位移值越靠近底端约接近零，在施加底板的阶段也符合这个规律，满足实际开挖的情况。在最后一个阶段位移变形图类似“竖型波峰”，其显著特点是地连墙的水平位移先增加后急速减小，最大位移出现在基坑底部处，地连墙的最大UX为5.72 cm，由于基坑变形的设计控制指标规定围护结构最大侧移不超过基坑开挖深度的0.3 %，开挖深度是18.15 m，允许的最大的侧移是5.55 cm，计算结果是5.72 cm，处于可接受的允许误差范围之内，证明了数值模拟计算的结果可靠和准确。

由图7、8、9可知，换撑完成后地连墙的最大水平位移为5.72 cm，最大剪应力为1 050 kN，最大弯矩为2 709 kN·m，最大水平位移和弯矩的位置较为一致，位于基坑底部。

特别需要说明的是，有限元模拟结果的准确性依赖计算参数的准确性，由于尚没有基坑开挖的监测数据，此次计算得到的基坑最大变形量没有用工程实际数据校准，计算结果可能与实际情况有所出入，但计算得到的各个工况变形趋势有较高的参考价值。

图6 地连墙各个阶段的水平位移分布

图7 换撑工况完成后地连墙侧移

图8 换撑完成后地连墙的剪应力分布

图9 换撑完成后地连墙的弯矩分布

3.2 满堂红工况

图10给出了地连墙各个阶段的水平位移分布，起始阶段因为跟换撑工况是一样的步骤，因此变形位移肯定是跟换撑工况是一致的，在位移图上正好反应了这一点。在将满堂红替代换撑后地连墙侧位移开始稍微变大些，没有影响后面相同的步骤，说明满堂红起到了作用，换撑完成后地连墙的最大水平位移为5.72 cm，满堂红替代换撑完成后地连墙的最大水平位移为5.88 cm，增大了2.8 %。最后一个阶段位移变形图类似“竖型波峰”，其显著特点是地连墙的水平位移先增加后急速减小，最大位移出现在基坑底部处，地连墙的最大UX为5.88 cm，由于基坑变形的设计控制指标规定围护结构最大侧移不超过基坑开挖深度的0.3 %，开挖深度是18.5 m，允许的最大的侧移是5.55 cm，计算结果是5.88 cm，处于可接受的允许误差范围之内，证明了数值模拟计算的结果是可靠和准确的。

由图11、12、13可知，基坑开挖完成后地连墙的最大水平位移为5.88 cm，最大剪应力为1 233 kN，最大弯矩为2 609 kN•m，最大水平位移和弯矩的位置较为一致，位于基坑底部。

由Plaxis输出结果可知满堂脚手架横杆的最大挠度为2.43 mm，小于规范要求的受弯杆件容许绕度10 mm；最大轴力为17.37 kN，转换为最大压应力为120 MPa，小于杆件的抗压强度设计值205 MPa，均满足设计要求。立杆最大水平位移为2.9 mm，小于规范要求的立杆顶部水平位移小于10 mm，完全符合要求。

图10 地连墙各个阶段的水平位移分布

图11 满堂红完成后地连墙侧位移

图12 基坑开挖完成后地连墙的剪应力分布

图13 基坑开挖完成后地连墙的弯矩分布

3.3 两种工况对比

为了说明满堂脚手架代替换撑设计的可行性，将换撑工况与满堂脚手架代替换撑工况的结果进行对比，具体结果如表5。

表5 换撑工况与满堂脚手架代替工况结果对比

由表5可知满堂脚手架能够较好的起到支撑支护的作用，使用满堂脚手架代替换撑，地连墙的最大弯矩与剪力没有明显增幅，地连墙最大水平位移略有增加，脚手架横杆的水平轴力的合力与换撑受到的最大轴力基本相当，因此使用满堂脚手架代替换撑的方案可行。

4 结 论

本项研究应用Plaxis软件对有换撑原方案和满堂脚手架代替换撑方案进行了对比分析，得到以下几条结论：

1）有换撑工况下地连墙的最大水平位移为5.72 cm，最大剪应力为1 050 kN，最大弯矩为2 709 kN•m。满堂脚手架代替换撑工况下地连墙的最大水平位移为5.88 cm，最大剪应力为1 233 kN，最大弯矩为2 609 kN•m。满堂脚手架代替换撑工况较换撑工况增大2.8 %，仅是略有增加，不会影响基坑支护的安全。

2）满堂脚手架能够较好的起到支撑支护的作用，使用满堂脚手架代替换撑，地连墙的最大弯矩与剪力没有明显增幅，地连墙最大水平位移相对换撑工况增幅为2.8 %，脚手架横杆的水平轴力的合力与换撑受到的最大轴力基本相当，因此使用满堂脚手架代替换撑的方案可行。

3）两种工况的模拟结果均满足在基坑开挖技术规范中对基坑开挖设计控制指标中的要求即是要求围护结构最大侧移要在开挖深度的一定比例内，本文研究成果证明了使用满堂脚手架代替换撑的方案是可行的，也可以为工程设计和施工提供参考，但必须保证脚手架的杆件本身的强度与横杆和立杆布置的密度，并加强观测。

参考文献 ：

[1] 费康，张建伟. ABAQUS在岩土工程中的应用[M]. 北京:中国水利水电出版社，2009.

[2] 北京金土木软件技术有限公司. PLAXIS岩土工程软件使用指南[S]. 北京:人民交通出版社, 2010.

[3] 钱家欢，殷宗泽. 土工原理与计算[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2003.

[4] 张雪岩，闫澍旺. 岩土塑形力学基础[M]. 天津:天津大学出版社, 2004.

[5] 工程地质手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2007.

[6] 周莹. 浅谈地铁基坑工程施工特点及风险控制对策[J].城市建设理论研究，2013.

[7] 陈志明. 深基坑工程开挖与支护的三维有限元模拟[D].天津：天津大学，2011.

[8] 罗孝敏. 天津滨海新区基坑开挖的数值模拟与变形研究[D]. 天津：天津大学，2011.

[9] 刘小丽，马悦，郭冠群，等. PLAXIS 2D模拟计算基坑开挖工程的适用性分析[J]. 中国海洋大学学报，2012，42(4): 19-25.

[10] 王文，赵平. 基于Midas的基坑换撑有限元分析[J]. 陕西理工学院学报，2010，26(2): 13-19.

[11] 拓守盛, 王育波，段云英. 地铁车站明挖基坑内支撑技术[J]. 西部探矿工程，2005，107(4): 7-13.

[12] 王文，赵平. 地铁基坑换撑受力分析[J]. 山西建筑，2010.

Scheme Research of Support Changing Substitute of Deep Pit Excavation Engineering in High-water deep Soft Soil Zone

Hu Lin, Chen Guangsi, Guo Shaozheng, Liu Run
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract：In this paper, combining Tianjin south canal subway station deep foundation pit engineering, explore excavation program feasibility and safety of full support scaffolding instead of changing in soft soil area of high underground water leve. Using professional geotechnical engineering calculation software Plaxis to simulate the foundation pit excavation process, compare and analsyz the working conditions of exchange support instead of full scaffolding. Accuratly simulate the process of the steady decline in underground water level and the hardening law of soft soil stress with strain ,through the simulation analysis and research the full hall scaffolding instead of support exchange is feasible and right plan.

Key words:deep pit excavation engineering; Plaxis; full scaffolding; support replacement; foundation deformation

作者简介：胡林（1989-），男，硕士，研究方向为岩土工程基坑降水和开挖。

收稿日期：2015-10-19

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160118

中图分类号：TU472

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）01-0074-06