软土地区换乘车站取消换撑数值仿真研究

天津地区水文地质情况特殊，为典型的软土地区，土质较差，地下水量丰富、水位较浅，天津地区第四系工程地质，地质条件比较复杂。从北至南多由洪积相、洪积～冲积相、冲积～海积相、海积相组成。洪积相、洪积～冲积相地层多由砂卵砾石、砂性土及粘性土组成，冲积～海积相、海积相地层多由砂性土、粉土、粘性土及淤泥、淤泥质土组成。天津市区粉土对成槽地下连续墙影响较大，在这一层位灌注成的地下连续墙漏筋较多且面积较大，当成槽区域存在厚粉土层、粉砂层等较硬地层时，成槽效率低，可采用旋挖钻机钻导向孔办法提高成槽效率。

在滨海新区发现一层粉细砂土（俗名也叫铁板沙），非常硬，密实性好，透水性低，成槽效率不高，天津地层变化较大，在市区也有可能存在铁板沙层。

天津地区的微承压水和承压水对地下连续墙的设计与施工影响较大，由于粘性土（粉质粘土层）的不连续分布，承压水和潜水水力联系较大，地下连续墙成槽后容易造成地下水位过高，泥浆液面标高不够或槽孔内出现承压水，降低了静水压力，成槽过程中容易发生缩颈塌孔。

目前基坑开挖设计大都参照经验值，按照较大的安全系数并没有根据工程的实际情况进行设计，盲目的增加换撑，设置换撑虽然可以减少基坑的变形，增加基坑的稳定性，但是增加一道换撑会给基坑增加较多的施工工序和经济成本，施工难度大大增加，尤其是雨季施工，不利于基坑施工的防范措施，影响了基坑的稳定。

什么情况下必须采用换撑，什么情况不需要换撑，目前还有没有进行系统的研究，迫切需要进行该课题的研究。

1 工程概况

天津某地铁车站是地下2层岛式车站，新增换乘节点长44.5m、宽28.7m，换乘节点面积约130m2，车站总长228.5m。车站起点分界里程DK6+431.323；有效站台中心里程DK6+572.827；终点分界里程DK6+659.827；标准段宽度20.7m；有效站台宽度12.0m；标准段基坑深度16.45m；盾构段基坑深度18.1m。盾构井段宽25.3(大里程处)、25.74m(小里程处)；车站顶板覆土约为2.6m，地面标高绝对为2.8～3.2m，冠梁顶绝对标高为2.2～2.6m。

2 工程地质情况

该工程地处华北平原属海积、冲积低平原。场地地势较平坦本场地各孔孔口大沽高程介于4.55～3.00 m。车站工程涉及地层主要为人工填土层，全新统上组陆相冲积层、全新统中组海相沉积层，全新统下组沼泽相沉积层，全新统下组陆相冲积层，上更新统第五组陆相冲积层，上更新统第四组滨海潮汐带沉积层，上更新统第三组陆相冲积层。

3 计算模型

3.1 模型的建立

为确保基坑在开挖过程中能够安全、稳定的进行，以天津地铁某换乘站预留节点为例，对换乘节点换乘段深基坑开挖过程建立1∶1的车站深基坑模型，混凝土支撑及钢支撑均采用梁单元，临时格构柱采用柱单元，连接处混凝土支撑为固结，钢支撑采用铰接。

3.2 土层参数的选取

对地下水位以上的各类土压力计算、滑动稳定性验算时，对粘质粉土、淤泥质粉质粘土，土的抗剪强度指标采用直剪固结快剪强度指标Ccq、φcq，对砂质粉土、粉砂等，土的抗剪强度指标应采用有效应力强度指标C＇、φ＇，为提高结构的安全稳定性，人为地降低了土体的强度参数，折减系数为0.85。对勘察报告给出的土层进行分类处理，淤泥质粉质粘土、粘质粉土，可采用土压力、水压力合算方法，对粉土、粉砂等采用土压力、水压力分算方法进行，确保结论符合要求。

3.3 计算结果

根据《天津市轨道交通地下工程质量安全风险控制指导书》的相关规定，基坑安全等级为二级，围护结构最大水平位移≤0.3%H（H为车站深度，本工程最深为18.5m）且≤50mm。

通过对整体三维建模分析计算，进行每一开挖工况的变形稳定性计算，从水平变形值、水平弯矩、竖向弯矩等方面进行对比，分析不同工况，尤其是控制工况，从而对换撑是否取消予以数据支撑。

车站换乘节点未取消换撑前最大基坑变形量为16.38mm，取消换撑后最大基坑变形量为27.42mm，车取消换撑后最大基坑变形量为比取消前增大了约11 mm，但是仍然小于二级车站围护结构最大水平位移值，最大变形出现在换撑位置，与理论位置基本保持一致，见图1和图2。

图1 取消换撑前的位移值

图2 取消换撑后的位移值

车站换乘节点未取消换撑前最大围护结构水平负弯矩为1 656 kN·m，取消换撑后最大围护结构水平负弯矩为2 414 kN·m，取消换撑后最大围护结构水平弯矩为比取消换撑前增大了约758 kN·m；未取消换撑前最大围护结构水平正弯矩为979.6 kN·m，取消换撑后最大围护结构水平正弯矩为1 510 kN·m，取消换撑后最大围护结构水平正弯矩为比取消换撑前增大了约530 kN·m，但是仍然小于围护结构设计允许值，最大变形出现在换撑位置，与最大水平位移位置基本保持一致，见图3和图4。

图3 取消换撑前的围护结构水平弯矩

图4 取消换撑后的围护结构水平弯矩

车站换乘节点未取消换撑前最大围护结构竖向负弯矩为1 266 kN·m，取消换撑后最大围护结构竖向负弯矩为2 684 kN·m，取消换撑后最大围护结构竖向弯矩为比车站换乘节点取消换撑前增大了约1 418 kN·m；车站换乘节点未取消换撑前最大围护结构竖向正弯矩为1 927 kN·m，取消换撑后最大围护结构竖向正弯矩为2 984 kN·m，取消换撑后最大围护结构竖向正弯矩为比车站换乘节点取消换撑前增大了约1 057 kN·m，但是仍然小于围护结构设计允许值，最大变形位置出现在换撑位置，与最大水平位移位置基本保持一致，见图5和图6。

通过三维计算发现，虽然基坑围护结构的水平变形值、水平弯矩、竖向弯矩均增大，但未加支撑仍然满足变形和内力要求，理论上本车站可以取消换撑。但是本模型在建模过程中把钢支撑与地下连续墙的连接当作固结处理，增大了钢支撑的变形刚度，与实际情况略有偏差，在建模过程中把土体的强度人为的降低，所以，所以在施工过程中要加强深基坑结构变形的监测，同时要进行地层的对比，看实际地层与勘查报告的地层有多大差别，依据监测结果和实际地层的变化情况，如果变形在控制值范围内，可以考虑取消换撑。

图5 取消换撑前的围护结构竖向弯矩

图6 取消换撑后的围护结构竖向弯矩

4 结论

目前基坑开挖设计大都参照经验值，一味地增加安全系数，没有根据实际情况进行设计，盲目的增加换撑，设置换撑虽然可以减少基坑的变形，增加基坑的稳定性，但是增加一道换撑会给基坑增加较多的施工工序和经济成本，施工难度大大增加，尤其是雨季施工。车站围护结构的水平位移增加了60%，围护结构水平、竖向弯矩约增加一倍，理论上可以取消换撑，如果实际检测数据满足设计预警值，那么就可以考虑取消换撑。

在基坑施工过程中，应组织相关技术人员对设计图纸进行深化研究并结合施工工艺及总体部署要求，优化施工方案的同时，与设计单位进行沟通，以优化施工设计图纸，用理论及实践使优化设计变得更加有说服力，在确保基坑安全及稳定的情况下，达到节约成本，降低施工难度及保证施工安全、质量、进度的目的。

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