裝配式半鋪蓋法施工臨時(shí)立柱穩(wěn)定性措施研究*

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(duì)地面道路交通造成的影響。此前，有不少學(xué)者進(jìn)行半鋪蓋法研究：宋玲坤等[1]以北京地鐵10號(hào)線海淀黃莊站為背景，分析利用鋪蓋法進(jìn)行施工時(shí)會(huì)遇到的工程問題及解決辦法。杜正時(shí)[2]針對(duì)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(xiàng)。任建喜[3]重點(diǎn)研究了在采用半鋪蓋法進(jìn)行地鐵車站基坑建設(shè)時(shí)，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(duì)半鋪蓋法體系方案進(jìn)行比較和總結(jié)。孟慶軍等[5]以南寧市地鐵1號(hào)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(duì)此類復(fù)雜基坑中半鋪蓋法的應(yīng)用進(jìn)行探究。葉小雷等[6]通過工程實(shí)例，總結(jié)了管道鋪蓋法施工的要點(diǎn)。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(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變化規(guī)律，并通過實(shí)際工程案例進(jìn)行驗(yàn)證。

然而，已有研究多針對(duì)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(duì)其建造過程中的臨時(shí)立柱穩(wěn)定性的研究。本文以實(shí)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(shí)立柱穩(wěn)定的措施。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)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(tái)。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(hù)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(jì)標(biāo)高以下約0.5m處后，進(jìn)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(gè)部分：圍護(hù)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(shí)立柱、肋板、環(huán)板、剪刀撐、臨時(shí)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(jìn)而再由冠梁和中間縱梁支撐分別傳遞給基坑圍護(hù)樁和中間臨時(shí)立柱。故可知基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、臨時(shí)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(shí)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(shí)立柱長度。所建模型為實(shí)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(hù)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(gè)面均進(jìn)行局部位移限制。在整個(gè)基坑模型設(shè)計(jì)中，可分為實(shí)體構(gòu)件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件兩部分。其中實(shí)體構(gòu)件包括灌注樁、冠梁、臨時(shí)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(jì)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(jì)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(shí)立柱及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 臨時(shí)立柱與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

2.2 穩(wěn)定性分析

裝配式鋪蓋體系中的臨時(shí)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(huì)關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)體系安全。因此，在模擬中，探尋基坑開挖中臨時(shí)立柱變化規(guī)律并分析臨時(shí)立柱穩(wěn)定性影響因素，確定保證臨時(shí)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(shí)立柱1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降約為-35mm。同時(shí)由豎向位移云圖可知，中間臨時(shí)立柱會(huì)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(duì)較小的豎向位移；對(duì)比基坑兩側(cè)約束較強(qiáng)的立柱和相對(duì)約束較弱的中間立柱，即1，3號(hào)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(cè)點(diǎn)2”表示1號(hào)立柱中2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))。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(yùn)算步數(shù)上對(duì)應(yīng)的數(shù)值。工程剛開始時(shí)兩柱豎向位移差別不大，但隨著開挖階段進(jìn)行，由于每層土層強(qiáng)度不同，承載能力不同，差別越來越大。

圖4 1，3號(hào)臨時(shí)立柱豎向位移對(duì)比

由圖4可知，臨時(shí)立柱累計(jì)變形均有相似變形規(guī)律，可分為4個(gè)階段：微小沉降階段、上下波動(dòng)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(shí)立柱，但最終由中間臨時(shí)立柱自身承載力和臨時(shí)立柱與周邊土體摩擦力承擔(dān)，故該階段臨時(shí)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(shí)立柱向上隆起，但同樣，由于臨時(shí)立柱周邊土體的減少，導(dǎo)致土體能幫助臨時(shí)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(duì)臨時(shí)立柱的影響逐漸變大，故這是一個(gè)隨基坑不斷開挖的動(dòng)態(tài)變化過程，最終出現(xiàn)沉降值上下波動(dòng)的情況；而當(dāng)開挖至一定深度時(shí)，土體與臨時(shí)立柱摩擦力越來越小，鋪蓋板上負(fù)載作用在臨時(shí)立柱上的值逐漸達(dá)到最大值，此時(shí)對(duì)臨時(shí)立柱造成的影響已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由于基坑隆起對(duì)臨時(shí)立柱造成的影響，故臨時(shí)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(shí)，中間臨時(shí)立柱受到的影響趨于穩(wěn)定。

2.2.1.2有剪刀撐工況

臨時(shí)立柱間隨著基坑開挖安裝了剪刀撐后，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得臨時(shí)立柱最大累計(jì)沉降值約為-3.53mm，并最終將其與無剪刀撐工況下的1，3號(hào)臨時(shí)立柱進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 立柱豎向位移對(duì)比

由圖5可知，1，3號(hào)立柱在及時(shí)安裝剪刀撐后，豎向位移均得到明顯限制。同時(shí)，安裝剪刀撐后，1，3號(hào)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(shí)，臨時(shí)立柱與臨時(shí)立柱之間獨(dú)立存在，會(huì)發(fā)生群樁效應(yīng)，如圖6所示，此時(shí)臨時(shí)立柱上所承擔(dān)的荷載會(huì)對(duì)立柱周邊土體產(chǎn)生附加應(yīng)力，且在中間臨時(shí)立柱附近土體會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力的最大值，導(dǎo)致中間臨時(shí)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(shí)立柱聯(lián)系起來，使其共同作用，抵抗變形，此時(shí)所有臨時(shí)立柱成為一個(gè)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(shí)中間位置土體不會(huì)產(chǎn)生過大附加應(yīng)力，即土體壓縮沉降亦不會(huì)變大。

圖6 無剪刀撐時(shí)臨時(shí)立柱群樁效應(yīng)

圖7 增加剪刀撐后臨時(shí)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(jì)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(shí)，在相同深度測(cè)點(diǎn)上，1，3號(hào)臨時(shí)立柱皆具有相同的水平位移。且隨著開挖階段不斷進(jìn)行，水平位移也在不斷增加。

圖8 無剪刀撐工況下臨時(shí)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(shí)立柱累計(jì)水平位移為9.6mm。說明在限制臨時(shí)立柱水平位移上，剪刀撐亦起到作用。1，3號(hào)臨時(shí)立柱在有、無安裝剪刀撐工況下水平位移對(duì)比如圖9所示。

圖9 立柱水平位移對(duì)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(shí)立柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)3深度處，即相當(dāng)于臨時(shí)立柱中間位置；而剪刀撐安裝在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2，3之間，故此時(shí)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處開始起作用，限制立柱水平位移。同時(shí)，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(shì)。

2.2.3穩(wěn)定性影響因素分析

1)臨時(shí)立柱剛度 基坑開挖中臨時(shí)立柱完全暴露且無約束，應(yīng)力變化復(fù)雜，若剛度不夠?qū)?huì)導(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(shí)立柱剛度值，若增大立柱剛度，則穩(wěn)定性會(huì)更好。

2)剪刀撐強(qiáng)度 由前文分析可知，剪刀撐在臨時(shí)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(qiáng)度將臨時(shí)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(shí)立柱可能出現(xiàn)應(yīng)力突變情況，進(jìn)而使臨時(shí)立柱發(fā)生失穩(wěn)。

2.2.4穩(wěn)定性控制措施

1)增強(qiáng)臨時(shí)立柱自身材料強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)階段解決該問題。

2)基坑開挖過程中應(yīng)控制臨時(shí)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(shí)，需做到：①及時(shí)安裝，安裝完1層剪刀撐且立柱變形不再增加后，再進(jìn)行下一層土的開挖；②需確保剪刀撐與臨時(shí)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(qiáng)度變化大的地方進(jìn)行大深度開挖。

4)基坑中間位置臨時(shí)立柱空間效應(yīng)較弱，整個(gè)施工過程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，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(shí)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(duì)半鋪蓋法結(jié)構(gòu)框架進(jìn)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(shí)立柱。

2)在對(duì)臨時(shí)立柱進(jìn)行沉降分析中，可得臨時(shí)立柱在基坑開挖階段的沉降分為4個(gè)階段：微小沉降階段、上下波動(dòng)階段、大沉降階段、穩(wěn)定階段。造成這4個(gè)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(duì)臨時(shí)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(shí)立柱變形，可得知剪刀撐的安裝是確保臨時(shí)立柱穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)。未安裝剪刀撐時(shí)，臨時(shí)立柱水平累計(jì)位移為遠(yuǎn)離基坑方向18.5mm，而此時(shí)臨時(shí)立柱豎向位移則為下沉35mm；安裝剪刀撐后，臨時(shí)立柱水平累計(jì)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(dá)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(shí)立柱具有相同的位移值和位移方向，兩側(cè)臨時(shí)立柱豎向位移小于中間臨時(shí)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(shí)立柱間剪刀撐所起的作用，以保證臨時(shí)立柱的穩(wěn)定；同時(shí)也應(yīng)分別處理兩側(cè)和中間臨時(shí)立柱，對(duì)這2類臨時(shí)立柱使用不同的加固措施。