1、价值工程要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要作者简介院王申（1981-），男，江苏徐州人，高级工程师，本科，现任中煤第五建设有限公司第三工程处副处长，主要从事矿井建设技术与管理工作。0 引言随着我国经济和施工水平的进步，大城市对地下空间的开发越来越多，例如地下储水库和地下停车场，因此基坑工程深度越来越深，范围越来越大。目前，尽管支护施工技术已获得了很多成功的经验，但针对不同工程性质及具体工程实践应用的支护问题仍是岩土工程领域关注的重点。新加坡某进水泵站为大直径圆形基坑，开挖深度 35m，净径 55.4m。以此为基础建立 COMSOL 模型，分析采用冻结法围护的基坑开挖时冻土帷幕的应力
2、情况，研究竖井冻结壁设计参数的选取；并通过 MIDAS 建模基坑内支撑受力情况，验证其结构稳定性。1 有限元建模分析1.1 COMSOL 建模分析按照开挖段高 4m、分 8 区开挖，先行施工 1、3、5、7区，初衬和支撑同时进行，待 1、3、5、7 取的初衬和支撑完成以后再进行 2、4、6、8 区的开挖和支护工作。计算模型包括已支护段、开挖段和未开挖段三部分，见图 1。已支护段高度取为 20m，井壁厚度取 4.6m，开挖段段高取为 4m 和 5.5m（开挖段高度取 35m），未开挖段高度取 20m。本计算主要考察冻结壁的厚度是否满足要求，已支护段的环形梁、支撑等未专门建模，而等效为已支护段。未
3、计算模型左右两侧取为对称边界条件；模型顶部和开挖面为自由边界；模型外侧水土压力按重液公式计算，模型底部按辊支撑计算（竖向位移为零）。由于冻结壁变形过大时可能造成冻结管断裂，故冻土按弹性材料计算，不考虑冻土进入塑性区。有限元模型网格划分图见图 2。井壁、冻土和未冻土的计算参数见表 1。段高 4m 时开挖段冻结壁第一主应力、第三主应力云图见图 3-图 4。段高 5.5m 时开挖段冻结壁第一主应力、第三主应力和位移云图见图 5-图 6。取冻土的平均温度为-12益，单轴抗压强度 5.6MPa，抗拉强度 2MPa，则冻结壁的安全系数计算见表 2。由表 2 可以看出，开挖深度 35m 处，段高设置为 4m
4、，分 8 个区先后顺序开挖时，冻结壁的抗拉和抗压安全系数新加坡大直径竖井冻结帷幕及支护结构设计Design of Freezing Curtain and Support Structure for Large Diameter Vertical Shafts in Singapore王申 WANG Shen曰张林 ZHANG Lin曰张步俊 ZHANG Bu-jun（中煤第五建设有限公司第三工程处，徐州221140）（China Coal 5th Construction Co.，Ltd.3rd Engineering Division，Xuzhou 221140，China）摘要院直径50
5、m深度30m的竖井采用冻结法施工尚无先例，以新加坡某大直径竖井工程为例，建立COMSOL、MIDAS数值模拟模型，探讨采用冻结法施工时冻结段高和内支撑结构的设计，得到满足工程要求的支护参数，为类似工程提供参考。Abstract:There is no precedent for freezing construction of shafts with diameter of 50m and depth of 30m.This paper takes a largediameter shaft project in Singapore as an example,builds COMSOLMIA
6、DS numerical simulation model,then discusses the design offreezing section height and inner support structure in freezing construction to meet the engineering requirements of supporting parameters.Result of simulation can provide reference for similar projects.关键词院支护；竖井；数值模拟；结构设计Key words:supporting
7、；shaft；numerical simulation；structure design中图分类号院TU753文献标识码院A文章编号院1006-4311（2023）23-068-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.23.023图1计算模型图2有限元模型网格划分未冻土未冻土支护 冻土冻土未冻土弹性模量（MPa）泊松比密度（kg/m3）支护冻土未冻土2.0e2300300.20.230.3250022002200表1冻土和未冻土参数图3 4m段高冻结壁第一主应力渊拉应力冤云图表面：第一主应力，高斯点计算（MPa）ZXYValue Engineering均大于 2
8、.5，冻结壁处于安全状态。当开挖深度 35m，段高设置为 5.5m 时，冻结壁的抗拉和抗压安全系数仍大于 2。则当开挖深度小于 35m 时，地压会小于本计算给定值，开挖段高设定为 5.5m 以内冻结壁是安全的。1.2 MIDAS 建模计算采用 MIDAS/Civil 通用有限元软件，MIDAS/Civil是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。采用 MIDAS/Civil 软件建立外环梁包含外环梁、内环梁、环间支撑、格构柱、外部墙体的三维整体模型（见图7），各个构件的尺寸、间距、材料等级见表 3。计算荷载采用水土压力三角形分布，
9、见图 8。水荷载：pw 底=10伊40.5=405kPa土荷载：ps 底=10伊40.5=405kPa（按照软土荷载）地面超载：p=20kPa荷载组合组合见表 4。1.3 MIDAS 建模结果分析建模完成后，运行建模程序，输出外环型梁、内环形梁、环间支撑以及格构柱的受力及变形情况，数值计算结果如图 9-图 12 所示。根据计算结果可知，外环型梁所受的横向弯矩主要集中在梁中部及偏下的位置，相同深度梁弯矩在圆周上数值图7三维结构计算模型项目尺寸（mm）间距材料等级外环梁500伊1000竖向5.5m/3*5m/5*4mC45内环梁2000伊1000竖向5.5m/3*5m/5*4mC45环梁间支撑80
10、0伊1000水平间距6mC45格构柱700伊700 4L200 x24水平间距9mQ235表3模型参数表表2冻结壁安全系数冻土强度抗压（MPa）抗拉（MPa）5.62段高4m最大值安全系数1.653.40.593.4段高5.5m最大值安全系数1.932.90.962.1图4 4m段高冻结壁第三主应力渊压应力冤云图表面：第三主应力，高斯点计算（MPa）ZX表面：第一主应力，高斯点计算（MPa）ZXY图5 5.5m段高冻结壁第一主应力渊拉应力冤云图表面：第三主应力，高斯点计算（MPa）图6 5.5m段高冻结壁第三主应力渊压应力冤云图YZXY图8计算荷载图项目水荷载土荷载超载系数1.31.31.5表
11、4荷载组合系数表价值工程大小基本保持一致，在竖直方向上横向弯矩表现为：深部和浅层环形梁受力较小，中部环形梁受力均匀且数值较大。而竖向弯矩则随着地层深度的增加而逐渐减小，底部位置基本无竖向弯矩。计算结果显示最大变形为 6mm。根据数值计算结果，对外环型梁进行配筋，钢筋混凝土：宽500mm，高 1000mm，设置的间距合理。上下配筋：5E20，配筋率 0.31%；左右配筋：6E20，配筋率 0.3%。经过验算，配筋符合要求，配筋设计合理。从图中可以看出，内环形梁所受的横向弯矩在空间分布规律上和外环型梁一致，但是数值较外环型梁大，而竖向弯矩在内环形梁上表现为均匀分布，且弯矩值大。内环形梁最大变形为
12、5mm，根据已有数据，对其进行配筋，钢筋混凝土：宽 2000mm，高 1000mm，设置的间距合理。上下配筋：14E25，配筋率 0.34%左右配筋：15E25，配筋率 0.37%2 结论以上述得到的数值模拟数据为依托，确定各构件需要的配筋参数，完成支护设计。根据上述计算，各构件的建议参数见表 7。参考文献院1胡广元.解析竖井开挖支护施工主要技术J.中国建筑装饰装修，2022（08）：155-157.2邓黎.水电站高压竖井的开挖支护施工技术探究J.湖北理工学院学报，2018，34（05）：39-42.3沈桂平，曹文宏，杨俊龙，等.管幕法综述J.岩土工程界,2006（02）：27-29.4赖展超
13、.广州地铁三号线北延段某区间竖井结构设计J.甘肃科技，2010，26（18）：138-140.图9外环梁剪力图渊kN 冤图10外环梁变形图表5内力计算结果内力MyMzFy，z数值458111415图11内环梁竖向弯矩图图12内环梁剪力图表6内力计算结果内力MyMzFy，z数值407210852287表7构件尺寸建议参数表项目尺寸间距材料等级配筋外环梁500伊1000竖向5.5m/3*5m/5*4mC45上下：5E20，配筋率0.31%左右：6E20，配筋率0.3%内环梁2000伊1000竖向5.5m/3*5m/5*4mC45上下：14E25，配筋率0.34%左右：15E25，配筋率0.37%环梁间支撑800伊1000水平间距6mC45上下：12E25，配筋率0.74%左右：6E25，配筋率0.37%格构柱700伊7004L200 x24水平间距8.7mQ2354伊L200 x200 x24（700*700）
