軟土地區(qū)換乘車(chē)站取消換撐數(shù)值仿真研究

天津地區(qū)水文地質(zhì)情況特殊，為典型的軟土地區(qū)，土質(zhì)較差，地下水量豐富、水位較淺，天津地區(qū)第四系工程地質(zhì)，地質(zhì)條件比較復(fù)雜。從北至南多由洪積相、洪積～沖積相、沖積～海積相、海積相組成。洪積相、洪積～沖積相地層多由砂卵礫石、砂性土及粘性土組成，沖積～海積相、海積相地層多由砂性土、粉土、粘性土及淤泥、淤泥質(zhì)土組成。天津市區(qū)粉土對(duì)成槽地下連續(xù)墻影響較大，在這一層位灌注成的地下連續(xù)墻漏筋較多且面積較大，當(dāng)成槽區(qū)域存在厚粉土層、粉砂層等較硬地層時(shí)，成槽效率低，可采用旋挖鉆機(jī)鉆導(dǎo)向孔辦法提高成槽效率。

在濱海新區(qū)發(fā)現(xiàn)一層粉細(xì)砂土（俗名也叫鐵板沙），非常硬，密實(shí)性好，透水性低，成槽效率不高，天津地層變化較大，在市區(qū)也有可能存在鐵板沙層。

天津地區(qū)的微承壓水和承壓水對(duì)地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)與施工影響較大，由于粘性土（粉質(zhì)粘土層）的不連續(xù)分布，承壓水和潛水水力聯(lián)系較大，地下連續(xù)墻成槽后容易造成地下水位過(guò)高，泥漿液面標(biāo)高不夠或槽孔內(nèi)出現(xiàn)承壓水，降低了靜水壓力，成槽過(guò)程中容易發(fā)生縮頸塌孔。

目前基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)大都參照經(jīng)驗(yàn)值，按照較大的安全系數(shù)并沒(méi)有根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，盲目的增加換撐，設(shè)置換撐雖然可以減少基坑的變形，增加基坑的穩(wěn)定性，但是增加一道換撐會(huì)給基坑增加較多的施工工序和經(jīng)濟(jì)成本，施工難度大大增加，尤其是雨季施工，不利于基坑施工的防范措施，影響了基坑的穩(wěn)定。

什么情況下必須采用換撐，什么情況不需要換撐，目前還有沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的研究，迫切需要進(jìn)行該課題的研究。

1 工程概況

天津某地鐵車(chē)站是地下2層島式車(chē)站，新增換乘節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)44.5m、寬28.7m，換乘節(jié)點(diǎn)面積約130m2，車(chē)站總長(zhǎng)228.5m。車(chē)站起點(diǎn)分界里程DK6+431.323；有效站臺(tái)中心里程DK6+572.827；終點(diǎn)分界里程DK6+659.827；標(biāo)準(zhǔn)段寬度20.7m；有效站臺(tái)寬度12.0m；標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度16.45m；盾構(gòu)段基坑深度18.1m。盾構(gòu)井段寬25.3(大里程處)、25.74m(小里程處)；車(chē)站頂板覆土約為2.6m，地面標(biāo)高絕對(duì)為2.8～3.2m，冠梁頂絕對(duì)標(biāo)高為2.2～2.6m。

2 工程地質(zhì)情況

該工程地處華北平原屬海積、沖積低平原。場(chǎng)地地勢(shì)較平坦本場(chǎng)地各孔孔口大沽高程介于4.55～3.00 m。車(chē)站工程涉及地層主要為人工填土層，全新統(tǒng)上組陸相沖積層、全新統(tǒng)中組海相沉積層，全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層，全新統(tǒng)下組陸相沖積層，上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層，上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層，上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層。

3 計(jì)算模型

3.1 模型的建立

為確保基坑在開(kāi)挖過(guò)程中能夠安全、穩(wěn)定的進(jìn)行，以天津地鐵某換乘站預(yù)留節(jié)點(diǎn)為例，對(duì)換乘節(jié)點(diǎn)換乘段深基坑開(kāi)挖過(guò)程建立1∶1的車(chē)站深基坑模型，混凝土支撐及鋼支撐均采用梁?jiǎn)卧R時(shí)格構(gòu)柱采用柱單元，連接處混凝土支撐為固結(jié)，鋼支撐采用鉸接。

3.2 土層參數(shù)的選取

對(duì)地下水位以上的各類(lèi)土壓力計(jì)算、滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，對(duì)粘質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用直剪固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)Ccq、φcq，對(duì)砂質(zhì)粉土、粉砂等，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)C＇、φ＇，為提高結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，人為地降低了土體的強(qiáng)度參數(shù)，折減系數(shù)為0.85。對(duì)勘察報(bào)告給出的土層進(jìn)行分類(lèi)處理，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土，可采用土壓力、水壓力合算方法，對(duì)粉土、粉砂等采用土壓力、水壓力分算方法進(jìn)行，確保結(jié)論符合要求。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《天津市軌道交通地下工程質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)控制指導(dǎo)書(shū)》的相關(guān)規(guī)定，基坑安全等級(jí)為二級(jí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.3%H（H為車(chē)站深度，本工程最深為18.5m）且≤50mm。

通過(guò)對(duì)整體三維建模分析計(jì)算，進(jìn)行每一開(kāi)挖工況的變形穩(wěn)定性計(jì)算，從水平變形值、水平彎矩、豎向彎矩等方面進(jìn)行對(duì)比，分析不同工況，尤其是控制工況，從而對(duì)換撐是否取消予以數(shù)據(jù)支撐。

車(chē)站換乘節(jié)點(diǎn)未取消換撐前最大基坑變形量為16.38mm，取消換撐后最大基坑變形量為27.42mm，車(chē)取消換撐后最大基坑變形量為比取消前增大了約11 mm，但是仍然小于二級(jí)車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值，最大變形出現(xiàn)在換撐位置，與理論位置基本保持一致，見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 取消換撐前的位移值

圖2 取消換撐后的位移值

車(chē)站換乘節(jié)點(diǎn)未取消換撐前最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平負(fù)彎矩為1 656 kN·m，取消換撐后最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平負(fù)彎矩為2 414 kN·m，取消換撐后最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平彎矩為比取消換撐前增大了約758 kN·m；未取消換撐前最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平正彎矩為979.6 kN·m，取消換撐后最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平正彎矩為1 510 kN·m，取消換撐后最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平正彎矩為比取消換撐前增大了約530 kN·m，但是仍然小于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許值，最大變形出現(xiàn)在換撐位置，與最大水平位移位置基本保持一致，見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 取消換撐前的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平彎矩

圖4 取消換撐后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平彎矩

車(chē)站換乘節(jié)點(diǎn)未取消換撐前最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向負(fù)彎矩為1 266 kN·m，取消換撐后最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向負(fù)彎矩為2 684 kN·m，取消換撐后最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向彎矩為比車(chē)站換乘節(jié)點(diǎn)取消換撐前增大了約1 418 kN·m；車(chē)站換乘節(jié)點(diǎn)未取消換撐前最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向正彎矩為1 927 kN·m，取消換撐后最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向正彎矩為2 984 kN·m，取消換撐后最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向正彎矩為比車(chē)站換乘節(jié)點(diǎn)取消換撐前增大了約1 057 kN·m，但是仍然小于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許值，最大變形位置出現(xiàn)在換撐位置，與最大水平位移位置基本保持一致，見(jiàn)圖5和圖6。

通過(guò)三維計(jì)算發(fā)現(xiàn)，雖然基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形值、水平彎矩、豎向彎矩均增大，但未加支撐仍然滿足變形和內(nèi)力要求，理論上本車(chē)站可以取消換撐。但是本模型在建模過(guò)程中把鋼支撐與地下連續(xù)墻的連接當(dāng)作固結(jié)處理，增大了鋼支撐的變形剛度，與實(shí)際情況略有偏差，在建模過(guò)程中把土體的強(qiáng)度人為的降低，所以，所以在施工過(guò)程中要加強(qiáng)深基坑結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)，同時(shí)要進(jìn)行地層的對(duì)比，看實(shí)際地層與勘查報(bào)告的地層有多大差別，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果和實(shí)際地層的變化情況，如果變形在控制值范圍內(nèi)，可以考慮取消換撐。

圖5 取消換撐前的圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向彎矩

圖6 取消換撐后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向彎矩

4 結(jié)論

目前基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)大都參照經(jīng)驗(yàn)值，一味地增加安全系數(shù)，沒(méi)有根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，盲目的增加換撐，設(shè)置換撐雖然可以減少基坑的變形，增加基坑的穩(wěn)定性，但是增加一道換撐會(huì)給基坑增加較多的施工工序和經(jīng)濟(jì)成本，施工難度大大增加，尤其是雨季施工。車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移增加了60%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平、豎向彎矩約增加一倍，理論上可以取消換撐，如果實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)預(yù)警值，那么就可以考慮取消換撐。

在基坑施工過(guò)程中，應(yīng)組織相關(guān)技術(shù)人員對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行深化研究并結(jié)合施工工藝及總體部署要求，優(yōu)化施工方案的同時(shí)，與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通，以優(yōu)化施工設(shè)計(jì)圖紙，用理論及實(shí)踐使優(yōu)化設(shè)計(jì)變得更加有說(shuō)服力，在確保基坑安全及穩(wěn)定的情況下，達(dá)到節(jié)約成本，降低施工難度及保證施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度的目的。

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