翻車機房基坑選型及支護結構變形受力分析

武 霄，徐小明，曹勝敏

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

翻車機房作為煤炭自動化卸運轉運的關鍵設施，其功能及特點決定基坑支護結構的選型，其功能決定了翻車機房主體結構的空間高度，工程的規模決定了主體結構的平面尺寸[1]。

1）翻車機房的功能決定了其必須具備翻車層、漏斗層以及輸煤廊道層，重載火車車廂標準尺寸決定了翻車機的規模從而確定了翻車層的長度及高度；車廂載重及煤炭參數確定漏斗層的高度，輸煤皮帶機確定廊道層的高度，以上三者相互關系決定了翻車機房具有基本統一的空間高度（約20 m）。

2）翻車機房工程的生產規模又直接決定了主體結構的平面尺寸，目前已建或在建的翻車機房工程，包括秦皇島3～5期[2]、曹妃甸1～4期、天津及黃驊等多個煤碼頭工程，一般規模均在三線～四線（作業鐵路線數量）三翻～四翻（同時翻列車車廂數量）之間，其中一條鐵路線所需作業寬度約為15 m，所需作業長度為18 m，連帶考慮線翻間的結構尺寸，翻車機房工程基本上可直接根據生產能力確定主體結構的平面尺寸（如三線三翻的結構尺寸為 6 1.7 m×49.2 m，四線四翻的結構尺寸為77.9 m×61.2 m）。

1 基坑選型

翻車機房主體結構所需的施工空間、施工效率，圍護結構的建設成本以及安全作業共同影響基坑圍護結構方案，下面對基坑圍護結構進行方案對比。

1）由于受翻車機房尺寸與地下施工空間的共同影響，可以滿足翻車機房地下施工空間的圓形基坑直徑為68 m，矩形基坑尺寸為71.7 m×59.2 m，矩形基坑比圓形基坑面積大614.8 m2，在空間利用率方面圓形基坑占優。

2）圓形支護結構內撐為環向支撐，不占用地下施工作業空間，不論是在基坑開挖過程中還是主體鋼筋混凝土澆筑過程，均能大大提高作業效率。

3）矩形基坑圍護結構需要進行網格式的橫向支撐，一方面由于橫向支撐跨度較大，失穩的危險性較高；另一方面還降低了施工工效，并且加大了建設成本。矩形基坑的橫向支撐在主體施工過程中，需要自下而上分層拆除，這將給基坑穩定埋下隱患。

4）由于圓形支護結構具有拱效應，在控制基坑變形方面有更大的優勢。方金霞[3]等運用有限元軟件ABAQUS對矩形基坑（20 m×80 m）、方形基坑（20 m×80 m）、圓形基坑（20 m×80 m）進行了模擬計算，得出了圓形基坑支護結構水平位移最小，其次是方形，矩形基坑位移最大，得出了圓形支護結構土壓力大部分可通過支護結構自身形成平衡。姜晨光[4]等通過對FLAC-3D三維有限差分法模擬計算結果與大量的實測數據進行對比分析，得出了圓形和類圓形基坑的承載能力與坑壁穩定性比矩形基坑更大優越，并建議對于正方形或類正方形平面結構的建筑物選擇圓形基坑。李昀[5]等通過模型分析計算與實測數據，得出了圓形圍護結構位移和內力均較小，在結構受力和經濟方面具有較大的優勢。

2 支護結構變形受力分析

2.1 類比工程概述

某翻車機房[6]圓形基坑內徑68 m，同期實施的廊道基坑形狀為矩形，長90 m，寬40 m，兩者開挖面積基本相同。并且廊道基坑工程的水文地質條件、支護結構、地下連續墻打設高程及開挖深度與翻車機房圓形基坑基本一致。不同之處為兩者的空間支撐結構，廊道基坑支撐結構采用混凝土橫向支撐。

圖1 圓形基坑支護結構平面示意

圖2 圓形基坑監測斷面示意

圖3 矩形基坑支護結構監測平面示意

2.2 支護結構沉降對比分析

由圖4可知，第一層開挖完成（工況1）時圓形與矩形基坑地連墻平均沉降量基本一致，第二層開挖完成（工況 2）時，矩形基坑地連墻沉降量略大于圓形基坑，隨著開挖深度的加大，兩者差值加大，在開挖過程中矩形與圓形地連墻的豎向位移趨勢一致。

圖4 圓形與矩形基坑地連墻平均沉降量對比

2.3 支護結構側向位移對比分析

圖5為基坑開挖完成時的圓形與矩形基坑地下連續墻豎向位移對比。

圖5 地連墻豎向位移對比

由圖5可知，在基坑開挖完成時，圓形基坑地連墻側向位移小于矩形基坑，圓形基坑地連墻最大側向位移發生在開挖深度的1/2處，而矩形基坑地連墻最大位移則發生在墻頂。

2.4 支撐內力對比分析

圖6為開挖完成時圓形基坑支護結構圈梁各斷面最大支撐應力值與矩形橫向支撐最大應力對比。

由圖6可知，在基坑開挖完成時，矩形基坑橫向支撐應力遠大于圓形基坑地連墻內撐圈梁應力值，與地連墻位移趨勢一致。

圖6 支護結構支撐內力對比

3 對比分析

通過對矩形基坑與圓形基坑在地連墻豎向位移、側向位移以及支撐內力方形的對比可知：

1）矩形基坑與圓形基坑地連墻豎向位移趨勢相同，但矩形基坑地連墻沉降量大于圓形基坑，兩者相差10 mm。

2）圓形基坑地連墻最大位移位于開挖深度的1/2處，而矩形基坑地連墻最大位移為與墻頂，矩形基坑地連墻位移值大于圓形基坑，兩者相差12.1 mm。

3）矩形基坑橫向支撐應力遠大于圓形基坑圈梁支撐應力，兩者最大相差123.8 MPa。

數據表明，在基坑圍護面積與開挖深度基本相同的情況下，圓形支護結構的變形和受力明顯優于矩形基坑，這是由于圓形支護結構具有拱效應，作用于支護結構的外力通過環向軸力平衡，充分發揮了支護結構混凝土材料抗壓性能好的優勢。

另由于矩形基坑的長邊效應，制定監測方案時，支護結構的監測斷面需要在基坑的拐角處、長邊的中心處布設測點，如長邊較長還需要在沿長邊方向增加測試斷面；橫向支撐對應斷面的支護結構由于變形不同，需要在每一道橫向支撐布設監測斷面。而圓形基坑由于具有空間對稱的特點，沿圓周方形支護結構變形及受力比較均勻，故在制定監測方案時，可減少監測斷面的布設，節約成本。

4 結 語

通過對比分析，圓形基坑比矩形基坑在空間利用率、工程建設成本、施工效率、安全作業以及控制支護結構內力和變形方面具有更大的優勢。圓形和矩形基坑支護結構在沉降、位移以及支撐內力實測監測數據的差異性進一步驗證了圓形支護結構的拱效應可以有效的降低支護結構的受力與變形情況。