王薇，羅超，李享松，黃昌洋，何波

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075;2.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410117)

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念就是指在工程施工過(guò)程中結(jié)合不斷變化的工程狀況和周圍環(huán)境不斷地審核現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，在需要的時(shí)候進(jìn)行適當(dāng)修正和完善，以達(dá)到確保工程質(zhì)量、節(jié)約工期和減少成本等目的的設(shè)計(jì)理念。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念廣泛運(yùn)用于邊坡、隧道以及基坑工程中，由于工程地質(zhì)水文條件的復(fù)雜性以及初步勘測(cè)調(diào)查的局限性導(dǎo)致設(shè)計(jì)存在很多不確定因素，因而設(shè)計(jì)工作不能根據(jù)最初勘測(cè)結(jié)果一次性完成，需要將設(shè)計(jì)延伸到施工全過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際工程狀況和監(jiān)測(cè)反饋信息來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)［1－5］。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工通過(guò)設(shè)計(jì)－施工螺旋式循環(huán)模式使設(shè)計(jì)方案更符合實(shí)際工程情況，是實(shí)踐與理論辯證關(guān)系的基本原理在工程實(shí)際中的具體體現(xiàn)［6－7］。橘子洲地鐵車站作為目前國(guó)內(nèi)第一座在江洲中施工的車站，基坑開(kāi)挖深度大，地層呈現(xiàn)上軟下硬，基坑開(kāi)挖方式采用機(jī)械開(kāi)挖和爆破開(kāi)挖相結(jié)合。由于處于江洲，其最顯著的特點(diǎn)是基坑外地下水位隨季節(jié)變化明顯。地質(zhì)水位條件的變化以及基坑開(kāi)挖的不斷進(jìn)行都會(huì)影響到基坑工程中各種不確定因素，進(jìn)而影響原有設(shè)計(jì)方案的合理性，因而有必要運(yùn)用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工以確?；拥姆€(wěn)定和車站修建的順利進(jìn)行。

1 工程概況

1.1 概述

長(zhǎng)沙市軌道交通2號(hào)線一期工程為東西走向，橘子洲站為本工程第5個(gè)站，地處湘江橘子洲島上，車站長(zhǎng)度方向?yàn)闁|西方向，與湘江大橋平行。車站為地下4層10 m島式車站，主體結(jié)構(gòu)型式采用四層兩跨整體式現(xiàn)澆鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)。車站基坑采用明挖法施工，基坑總長(zhǎng)138 m，深度為30.8 ～31.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.2 m，端頭擴(kuò)大段寬度為28.1 m，車站頂板覆土厚度為3.4 m。車站基坑西端有湘江一橋匝道橋的沉井基礎(chǔ)2座，距離基坑約7 m;基坑?xùn)|端距離橘子洲島邊固腳擋墻只有2.7 m;基坑北端距離湘江一橋沉井基礎(chǔ)46 m。橘子洲站平面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 橘子洲站平面示意圖Fig.1 Sketch map of JuZiZhou station

1.2 地質(zhì)水文條件

橘子洲車站基坑場(chǎng)地內(nèi)地層分布:雜填土(Q4ml)層位于地表，厚度一般小于5.0 m，局部可達(dá)8.0 ～13.5 m;中(細(xì))砂(Q2al)以石英質(zhì)為主，層厚0.6～9.5 m;圓礫(Q2al)粒徑2 ～4.5 cm，層厚0.5～23 m;強(qiáng)風(fēng)化板巖層巖質(zhì)極松軟，極易捏碎，遇水易軟化、崩解，層厚 1.1 ～24.70 m;中風(fēng)化板巖層巖質(zhì)軟—較硬，較難折斷，全場(chǎng)分布;微風(fēng)化板巖層巖質(zhì)較硬，較難折斷，層厚2.30～21.16 m。場(chǎng)地區(qū)域總體呈現(xiàn)出“上軟下硬”的地層分布。

站場(chǎng)屬湘江水系，水資源豐沛。湘江在施工地段河床寬1300～1400 m，河床斷面呈不對(duì)稱的“U”。水位受大氣降水影響明顯，漲落差達(dá)10 m，湘江河床處地下水與地表水(湘江)連通。

1.3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式為地連墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐。地連墻厚度1000 mm，深度36.8 m，采用C30混凝土水下澆筑，接頭采用工字鋼連接。地連墻頂部設(shè)置冠梁，第1道鋼筋混凝土支撐為琵琶撐，截面尺寸為600 mm×1000 mm，水平間距8 m;第2～5道鋼筋混凝土支撐截面尺寸為700 mm×1200 mm水平間距4 m;端頭設(shè)置斜支撐，支撐豎向間距6 m，腰梁截面尺寸600 mm×1200 mm。為減少湘江水對(duì)基坑開(kāi)挖影響，結(jié)合車站兩端盾構(gòu)進(jìn)出站加固，注漿加固范圍為南、北兩側(cè)地連墻外6 m，深21 m，東、西兩端地連墻外9 m，深31.5 m。其中標(biāo)準(zhǔn)段具體布置如圖2所示。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及注漿加固示意圖Fig.2 Skctch map of envelop enclosure and grouting

2 不同水位下圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形分析

2.1 模型參數(shù)選取及邊界條件

采用FLAC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，F(xiàn)LAC軟件模擬地質(zhì)材料，具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)［8］。用FLAC對(duì)該基坑體系建立二維地層－結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析?；铀椒较蜓剡吔缦蛑車鲾U(kuò)展約3倍基坑開(kāi)挖深度，模型長(zhǎng)度為204 m。由于坑底以下為巖層，底邊界則自坑底往下取20 m，約為50 m。橘子洲車站數(shù)值模擬幾何模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬幾何模型Fig.3 Geometric model of numerical simulation

巖土采用20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元模擬，地連墻采用8節(jié)點(diǎn)的Beam單元模擬，圍檁和支撐采用3節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧M。此外，還將施工地連墻時(shí)所作導(dǎo)墻按抗彎剛度相等的原則等效為位于坑口附近的梁。土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系近似采用摩爾－庫(kù)侖模型，土體－結(jié)構(gòu)的相互作用采用接觸面進(jìn)行模擬。模型左右兩側(cè)約束X方向，底邊Z=0處X方向和Z方向采用固定約束。計(jì)算模型中土層計(jì)算參數(shù)如表1所示。

江洲中水位季節(jié)性變化明顯，且受降水影響較大。為模擬地下水位變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形的影響，模擬工況根據(jù)地勘報(bào)告的描述，設(shè)置的安全施工最高水位為與地表齊平0 m，最低水位位于地面以下14 m位置，水位每變化2 m設(shè)置為一個(gè)工況。由于地下20 m以下為板巖，其含水量低，假設(shè)為隔水層，同時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用隔水性較好的地連墻，周圍6 m范圍內(nèi)進(jìn)行了加固，不考慮滲流影響。數(shù)值模擬過(guò)程結(jié)合實(shí)際施工過(guò)程，將土體進(jìn)行分步開(kāi)挖，每開(kāi)挖完每層土體后施加鋼筋混凝土內(nèi)支撐，直至開(kāi)挖到基坑底面線。

2.2 模擬結(jié)果分析

基坑的受力變形特征主要從地表沉降、地連墻墻體側(cè)向位移及各道橫撐軸力進(jìn)行分析，由于各工況下分析工序較多，數(shù)據(jù)繁多，本文主要討論不同水位工況下施工期間不同工序中受力變形特征的最大值變化情況。由表2知地表沉降及地連墻側(cè)向位移隨著水位的降低而不斷減小，最高水位至最低水位減小比例基本都達(dá)60%，而各道支撐由于支撐位置和水位的位置及加固措施的影響，其變化趨勢(shì)有起伏，但總體趨勢(shì)仍是不斷降低，第4和第5道支撐軸力隨著水位的降低分別降低50%和44%，在低水位下有較大的富余量。

表1 土層計(jì)算參數(shù)Table 1 The parameters of soil layers

表2 不同水位工況下施工期間受力變形特征最大值Table 2 The max value of force and deformation under different water levels

3 內(nèi)支撐動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為了對(duì)基坑場(chǎng)地區(qū)域地下水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在基坑周圍共布置6個(gè)地下水位測(cè)點(diǎn)H001～H006如圖4所示。

圖4 地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Skctch map of water level monitoring site

對(duì)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得地下水位時(shí)程圖(見(jiàn)圖5)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示在整個(gè)施工期間，地下水最高水位距地表8.75 m，最低水位距地表13.96 m，漲落差約5 m。由于第6、8月湖南大范圍下雨導(dǎo)致湘江水位上漲，使得出現(xiàn)2個(gè)洪峰期:6月9日—7月24日和8月2日—8月29日，其它時(shí)間段水位距地面一般處于12～14m范圍內(nèi)。

圖5 地下水位時(shí)程圖Fig.5 Time－h(huán)eight graph of groundwater

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，8月29日以后，此時(shí)正進(jìn)行第5和第6層板巖地層爆破開(kāi)挖，水位距地面均處于12～14 m，結(jié)合表2數(shù)值模擬結(jié)果，分析低水位下(取距地面12m處)基坑開(kāi)挖其變形受力的各項(xiàng)指標(biāo)如表3，其安全控制允許值范圍之內(nèi)，而且都有較大的富余量或較高的安全系數(shù)，故可對(duì)第4和第5道內(nèi)支撐進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 內(nèi)支撐優(yōu)化方案

地鐵車站基坑的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)一般采用鋼筋混凝土支撐、鋼支撐，而鋼支撐又分鋼管支撐和型鋼支撐。鋼支撐與混凝土支撐對(duì)比有以下優(yōu)點(diǎn):(1)鋼支撐可以重復(fù)利用，而鋼筋混凝土支撐只能一次性使用，從經(jīng)濟(jì)性上比較，鋼支撐可以避免資源的浪費(fèi)，有較大的節(jié)省空間;(2)鋼支撐安裝拆除方便，安裝后即可發(fā)揮作用，而混凝土支撐從鋼筋、模板、澆筑至養(yǎng)護(hù)的整個(gè)施工過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間，難以做到隨挖隨撐，這不利于控制墻體變形，對(duì)于大型基坑的下部支撐采用鋼筋混凝土支撐應(yīng)特別慎重［9］，因此，從加快施工進(jìn)度方面，鋼支撐的施作比鋼筋混凝土支撐的施作節(jié)省大量的時(shí)間。綜上所述，采用鋼支撐對(duì)節(jié)省成本、加快施工進(jìn)度都有顯著的作用，但其剛度較差，節(jié)點(diǎn)易變形破壞，因此，要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)以保證合理性。

橘子洲車站處于江洲上，該島為一綠化景觀島，對(duì)環(huán)境要求較高，同時(shí)，該車站對(duì)工期要求極高，因此以縮短工期及經(jīng)濟(jì)性的目的，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比，第4和第5道支撐優(yōu)選采用鋼支撐方案，根據(jù)數(shù)值模擬分析，結(jié)合工程類比，初步擬定橘子洲車站基坑支撐優(yōu)化方案如圖6。車站第4道鋼筋混凝土支撐變更為雙榀鋼支撐，鋼支撐規(guī)格為直徑Φ =609 mm，鋼管厚度t=16 mm，水平間距4 m，單根鋼支撐設(shè)計(jì)軸力為1900 kN，預(yù)加軸力600 kN固定于鋼圍檁上;車站第5道鋼筋混凝土支撐變更為單榀鋼支撐，鋼支撐規(guī)格為直徑Φ =609 mm，鋼管厚度t=16 mm，水平間距4 m，單根鋼支撐設(shè)計(jì)軸力為1900 kN，預(yù)加軸力600 kN固定于鋼圍檁上。

圖6 優(yōu)化方案橫斷面圖Fig.6 Cross－ sectional figure of optimum proposal

3.3 優(yōu)化方案數(shù)值模擬及分析

表4所示為優(yōu)化方案數(shù)值模擬分析得到的整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中各項(xiàng)特征值的最大值。由表4可知:基坑內(nèi)撐優(yōu)化方案下各項(xiàng)特征值均在安全允許范圍內(nèi)，其中第4道支撐軸力和第5道支撐軸力安全系數(shù)分別為1.023和1.391，滿足基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性要求。

表3 低水位期間受力變形值Table 3 The value of force and deformation during low water level

表4 優(yōu)化方案模擬結(jié)果Table 4 The simulated results of optimum proposal

3.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，第4道支撐首先施作的是16～28號(hào)支撐，采用鋼筋混凝土支撐，隨后根據(jù)新的設(shè)計(jì)方案現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整1～15號(hào)支撐采用鋼支撐。第5道支撐全部采用鋼支撐，共28根。及時(shí)對(duì)鋼支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，支撐軸力監(jiān)測(cè)值如表5所示。

表5 支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 5 The monitoring results of support axial force

由表5可知:鋼筋混凝土支撐軸力測(cè)點(diǎn)D303在7600 kN左右，D301，D302和D304軸力穩(wěn)定在5500～6500 kN，富余量較大，可達(dá) 1577～2577kN(鋼筋混凝土支撐軸力設(shè)計(jì)值為8077 kN)。鋼支撐測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果較小，未超過(guò)設(shè)計(jì)值，鋼支撐在維護(hù)基坑穩(wěn)定起到了良好的作用。在橘子洲基坑工程中，結(jié)合實(shí)際工程狀況，運(yùn)用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念及時(shí)將鋼筋混凝土支撐改為鋼支撐取得了良好的效果，達(dá)到了加快施工進(jìn)度和節(jié)約成本的目的。

4 結(jié)論

(1)江洲中水位的變化對(duì)基坑開(kāi)挖受力變形特征值有很大的影響，最低水位(H=14 m)比最高水位(H=0 m)下地表沉降值及地連墻的側(cè)向位移最大值分別降低了60%和58%，各道支撐軸力隨水位的降低，有一定的起伏，但總體趨勢(shì)不斷減小，其中第4、5道支撐軸力降低明顯，分別降低50%和44%。

(2)江洲中地下水位季節(jié)性變化明顯，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及湘江水位歷史統(tǒng)計(jì)資料，橘子洲車站地下水位大部分時(shí)間都是距地面12～14 m。在實(shí)際施工過(guò)程中，8月29日以后地下水一直保持較低水位，導(dǎo)致原方案設(shè)計(jì)值富余量大，有必要對(duì)內(nèi)支撐進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)將動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念運(yùn)用到江洲基坑施工中，結(jié)合監(jiān)控量測(cè)及時(shí)把握基坑安全狀態(tài)，并實(shí)時(shí)調(diào)整基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)將鋼筋混凝土支撐調(diào)整為鋼支撐，在保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，起到了加快基坑施工進(jìn)度和節(jié)約成本的作用。

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