装配式半铺盖法施工临时立柱稳定性措施研究*

刘 军，袁 潇，张春节，魏 力

(1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044；2.北京市市政四建设工程有限责任公司，北京 100176)

0 引言

在当今地下建筑结构修建盛行的年代，装配式半铺盖法无疑能极大地缓解地下工程施工对地面道路交通造成的影响。此前，有不少学者进行半铺盖法研究：宋玲坤等[1]以北京地铁10号线海淀黄庄站为背景，分析利用铺盖法进行施工时会遇到的工程问题及解决办法。杜正时[2]针对铺盖法在水利水电工程应用中的渗水问题，研究黏土在防渗设施上的应用及注意事项。任建喜[3]重点研究了在采用半铺盖法进行地铁车站基坑建设时，中间立柱沉降变形规律及其原理。王安勐等[4]以北京广渠路隧道工程为研究背景，对半铺盖法体系方案进行比较和总结。孟庆军等[5]以南宁市地铁1号线某地铁站基坑工程为背景，研究了大跨度基坑施工问题，并对此类复杂基坑中半铺盖法的应用进行探究。叶小雷等[6]通过工程实例，总结了管道铺盖法施工的要点。李华磊等[7]通过数值模拟研究了在半铺盖法施工中基坑围护结构变形和内力变化规律，并通过实际工程案例进行验证。

然而，已有研究多针对各种工况下半铺盖法施工工艺和可能出现的问题，少有针对其建造过程中的临时立柱稳定性的研究。本文以实际装配式半铺盖法工程为背景，通过数值模拟研究，提出保证半铺盖体系临时立柱稳定的措施。

1 工程概况

1.1 项目概况

沈阳某地铁车站为地下2层3跨车站，采用岛式站台。该车站标准段宽22.5m，底板埋深17.3～18.7m，主体结构总长179.4m。主体结构采用装配式半铺盖法施工，基坑围护采用钻孔灌注桩+内支撑结构。主体结构从上往下共设置3道支撑，分别为1道混凝土支撑、2道钢支撑。该工程分层开挖，每次开挖至支撑中心设计标高以下约0.5m处后，进行支撑安装。其中车站地层参数如表1所示。

1.2 装配式半铺盖法结构构造

装配式半铺盖法结构构造主要分为3个部分：围护结构、上部结构和下部结构。上部结构包括铺盖板、铺盖板支撑梁、铺盖板支撑梁连接构件、抗倾覆连接构件、连接螺栓等，下部结构主要包括临时立柱、肋板、环板、剪刀撑、临时立柱纵横向连接构件、连接螺栓等。主要部件如图1所示。

图1 装配式半铺盖法结构构造

由图1可知，传力模式为铺盖板上的荷载通过铺盖板支撑梁传递给冠梁和中间纵梁支撑，进而再由冠梁和中间纵梁支撑分别传递给基坑围护桩和中间临时立柱。故可知基坑围护结构、临时立柱在半铺盖法结构稳定性中起关键性作用。

2 临时立柱稳定性措施研究

2.1 FLAC3D模型建立

由于基坑较长，采用平面应变模型，纵向上仅截取5根临时立柱长度。所建模型为实际基坑模型的简化模型(见图2)，模型尺寸为长36m，宽22.8m，基坑深度18m，车站围护结构采用直径为800mm、桩心距为1 200mm的C30钢筋混凝土钻孔灌注桩，长度约21.6m。中间立柱采用钢管桩形式，采用φ800×12钢管，间距为6m，内浇筑C25混凝土。从上到下设置1道混凝土支撑、2道钢支撑。混凝土梁截面尺寸为1 200mm×1 000mm，2道钢支撑直径均为609mm。在该模型中，取2倍基坑尺寸为基坑周边土体，5个面均进行局部位移限制。在整个基坑模型设计中，可分为实体构件、结构构件两部分。其中实体构件包括灌注桩、冠梁、临时立柱、铺盖板、第1道混凝土支撑、桩间喷射混凝土等，结构构件包括2道钢支撑。结构计算参数如表2所示。

图2 半铺盖法FLAC3D模型

表2 结构计算参数

铺盖板上受均布荷载20kPa，基坑分为4次开挖。第1次向下开挖1.91m(即第1道横撑下0.5m处)，第2次继续向下开挖7.49m(即第2道横撑下0.5m处)，第3次继续向下开挖5m(即开挖至第3道横撑下0.5m处)，第4次继续开挖至底板。临时立柱及监测点位置如图3所示。

图3 临时立柱与监测点位置

2.2 稳定性分析

装配式铺盖体系中的临时立柱属于下部结构，在基坑开挖中失去了周边土体约束，从而其稳定性会关系到整个结构体系安全。因此，在模拟中，探寻基坑开挖中临时立柱变化规律并分析临时立柱稳定性影响因素，确定保证临时立柱稳定的措施。

2.2.1竖向位移

2.2.1.1无剪刀撑工况

通过数值模拟可得，在该工况下，临时立柱1号监测点累计沉降约为-35mm。同时由竖向位移云图可知，中间临时立柱会产生较大竖向位移，两侧立柱由于受到更多约束，产生相对较小的竖向位移；对比基坑两侧约束较强的立柱和相对约束较弱的中间立柱，即1，3号立柱，发现距离中间立柱越近，与中间立柱所产生的竖向位移差别越小(见图4，图中“1-监测点2”表示1号立柱中2号监测点)。为确保数据曲线精确性，在工况与工况之间采取小数，表示在相应数值模拟运算步数上对应的数值。工程刚开始时两柱竖向位移差别不大，但随着开挖阶段进行，由于每层土层强度不同，承载能力不同，差别越来越大。

图4 1，3号临时立柱竖向位移对比

由图4可知，临时立柱累计变形均有相似变形规律，可分为4个阶段：微小沉降阶段、上下波动阶段、大沉降阶段、稳定阶段。微小沉降阶段为施工刚开始阶段，铺盖板上所承受的荷载直接传递给中间临时立柱，但最终由中间临时立柱自身承载力和临时立柱与周边土体摩擦力承担，故该阶段临时立柱竖向位移不大；当随着基坑逐步向下开挖，基坑内土体减少，基坑内外压差增大，可能导致临时立柱向上隆起，但同样，由于临时立柱周边土体的减少，导致土体能帮助临时立柱分担的荷载越来越小，铺盖板结构自重及荷载对临时立柱的影响逐渐变大，故这是一个随基坑不断开挖的动态变化过程，最终出现沉降值上下波动的情况；而当开挖至一定深度时，土体与临时立柱摩擦力越来越小，铺盖板上负载作用在临时立柱上的值逐渐达到最大值，此时对临时立柱造成的影响已远远大于由于基坑隆起对临时立柱造成的影响，故临时立柱开始发生较大沉降，该阶段即为大沉降阶段；最终，到基坑开挖接近尾声时，中间临时立柱受到的影响趋于稳定。

2.2.1.2有剪刀撑工况

临时立柱间随着基坑开挖安装了剪刀撑后，通过监测数据可得临时立柱最大累计沉降值约为-3.53mm，并最终将其与无剪刀撑工况下的1，3号临时立柱进行对比，如图5所示。

图5 立柱竖向位移对比

由图5可知，1，3号立柱在及时安装剪刀撑后，竖向位移均得到明显限制。同时，安装剪刀撑后，1，3号立柱具有相同竖向位移。这也说明通过剪刀撑的联系，协同作用，共同抵抗变形。

未安装剪刀撑时，临时立柱与临时立柱之间独立存在，会发生群桩效应，如图6所示，此时临时立柱上所承担的荷载会对立柱周边土体产生附加应力，且在中间临时立柱附近土体会产生附加应力的最大值，导致中间临时立柱附近土体发生较大的压缩沉降。而安装剪刀撑后，剪刀撑将临时立柱联系起来，使其共同作用，抵抗变形，此时所有临时立柱成为一个整体，可使立柱下土体均分上部荷载所造成的附加应力，如图7所示。此时中间位置土体不会产生过大附加应力，即土体压缩沉降亦不会变大。

图6 无剪刀撑时临时立柱群桩效应

图7 增加剪刀撑后临时立柱协同作用

2.2.2水平位移

2.2.2.1无剪刀撑工况

如图8所示，在无剪刀撑工况下，产生最大累计水平位移为18.5mm，其中水平位移正值表示向基坑外侧的位移，下文同理；同时，在相同深度测点上，1，3号临时立柱皆具有相同的水平位移。且随着开挖阶段不断进行，水平位移也在不断增加。

图8 无剪刀撑工况下临时立柱水平位移

2.2.2.2有剪刀撑工况

安装剪刀撑工况下，临时立柱累计水平位移为9.6mm。说明在限制临时立柱水平位移上，剪刀撑亦起到作用。1，3号临时立柱在有、无安装剪刀撑工况下水平位移对比如图9所示。

图9 立柱水平位移对比

由图9可知，无论有无剪刀撑限制，发生最大水平位移的位置均在临时立柱监测点3深度处，即相当于临时立柱中间位置；而剪刀撑安装在监测点2，3之间，故此时在监测点3处开始起作用，限制立柱水平位移。同时，安装剪刀撑后，不同立柱之间依然具有相同的水平位移及变化趋势。

2.2.3稳定性影响因素分析

1)临时立柱刚度 基坑开挖中临时立柱完全暴露且无约束，应力变化复杂，若刚度不够将会导致立柱变形过大，甚至破坏，而在数值模拟中，仅选取了1种临时立柱刚度值，若增大立柱刚度，则稳定性会更好。

2)剪刀撑强度 由前文分析可知，剪刀撑在临时立柱稳定性中起着极为重要的作用，能有效限制立柱水平位移和竖向位移。而其起作用的原因是剪刀撑有足够的强度将临时立柱联系起来，共同抵抗变形。

3)基坑开挖方法 该基坑工程分为4次开挖，每次开挖深度不同，跨越土层也不一致，导致临时立柱可能出现应力突变情况，进而使临时立柱发生失稳。

2.2.4稳定性控制措施

1)增强临时立柱自身材料强度，在设计阶段解决该问题。

2)基坑开挖过程中应控制临时立柱整体稳定性，增设剪刀撑及纵、横向连接构件。在安装剪刀撑时，需做到：①及时安装，安装完1层剪刀撑且立柱变形不再增加后，再进行下一层土的开挖；②需确保剪刀撑与临时立柱连接处的牢固程度，保证剪刀撑发挥功能。

3)基坑应分层开挖，每次开挖及架撑深度的确定应考虑到土层变化，不宜在土层强度变化大的地方进行大深度开挖。

4)基坑中间位置临时立柱空间效应较弱，整个施工过程中应重点监测，保障工程安全。

3 结语

本文以沈阳某地铁车站基坑工程为背景，通过数值模拟研究装配式半铺盖法施工临时立柱变形规律及稳定性措施，得出如下结论。

1)通过对半铺盖法结构框架进行分析，得出铺盖板上荷载在半铺盖体系中的力传递顺序，找到在该体系中起承担作用的核心构件，即临时立柱。

2)在对临时立柱进行沉降分析中，可得临时立柱在基坑开挖阶段的沉降分为4个阶段：微小沉降阶段、上下波动阶段、大沉降阶段、稳定阶段。造成这4个阶段的主要因素包括随基坑开挖造成坑底隆起及土体减少对临时立柱上荷载的分担程度等。

3)通过数值模拟研究有无剪刀撑工况下临时立柱变形，可得知剪刀撑的安装是确保临时立柱稳定的关键技术。未安装剪刀撑时，临时立柱水平累计位移为远离基坑方向18.5mm，而此时临时立柱竖向位移则为下沉35mm；安装剪刀撑后，临时立柱水平累计位移为9.6mm，竖向位移为下沉3.53mm。因此，剪刀撑完善了半铺盖体系，使其能协同作用，很好地达到限制变形的作用。

4)无论是否安装剪刀撑，两侧和中间临时立柱具有相同的位移值和位移方向，两侧临时立柱竖向位移小于中间临时立柱竖向位移。

在应用装配式半铺盖法建造地铁车站过程中，应充分考虑临时立柱间剪刀撑所起的作用，以保证临时立柱的稳定；同时也应分别处理两侧和中间临时立柱，对这2类临时立柱使用不同的加固措施。