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基坑开挖过程围护结构稳定性分析与应用

2014-08-08

山西建筑 2014年36期
关键词:挖土西区工区

张 拴 牢

(中铁十二局建安公司,山西 太原 030024)

基坑开挖过程围护结构稳定性分析与应用

张 拴 牢

(中铁十二局建安公司,山西 太原 030024)

由于苏州火车站基坑开挖面积与深度较大,为确保施工安全,通过ANSYS有限元软件计算对围护结构在开挖过程各阶段基坑稳定性进行了评价,并通过计算分析结果,得知钢结构支撑能有效地减小墙体应力应变,作用明显,从而制定了基坑开挖的具体施工方法与支撑施工要求。

基坑,开挖,有限元,稳定性,分析,应用

1 工程概况

苏州火车站站房工程由南侧普速站房、北侧城际站房和跨线高架候车厅三部分组成,地下3层,地上2层,总建筑面积85 717 m2,其中地上建筑为54 445 m2,地下空间部分为31 272 m2,地下2层,3层为地铁车站。车站主体围护结构及出入口、风井围护结构设计为地下连续墙,墙体厚度0.8 m,深度33 m~57 m。2号线车站、4号线-1层车站、风亭及3号,4号出入口采用明挖顺作法施工,共需开挖外运土方63 541 m3,其中主体结构处挖土22 843 m3,出入口基坑开挖土40 698 m3。4号线地下2层,3层采用逆作法施工,需开挖外运土方86 456 m3。天火风井、火三风井各需开挖外运土方12 227.34 m3。

2 建模与计算

2.1 建立模型

按照结构施工图建立的结构ANSYS分析有限元计算模型如图1所示。地下连续墙、柱、冠梁模型中均采用Soild45实体单元,支撑采用Beam4单元模拟,取C30混凝土材料的弹性模量3×1010N/m,泊松比为0.2。

整体结构主要由五部分组成,分析计算时将结构分区,分别对各个区进行计算,结构分区见图2,其中二期施工区西区及东区对称。

2.2 有限元计算

2.2.1 一工区(4号线车站)

分别对第一层开挖、第二层开挖两种工况进行计算。计算结果见表1,相应应力应变图见图3,图4。

表1 一工区应力应变值

开挖情况应力应变值主拉应力/N·mm-2主压应力/N·mm-2主拉应变主压应变挖第一层土-1.38.2-0.33×10-50.26×10-3挖第二层土-2.116.3-0.40×10-40.54×10-3

2.2.2 二工区(2号线车站)西区

分别对第二层开挖、第二层开挖加支撑两种工况进行计算。计算结果见表2,相应应力应变图见图5,图6。

表2 二工区西区应力应变值

2.2.3 二工区(2号线车站)东区

分别对第二层开挖、第二层开挖加支撑两种工况进行计算。计算结果见表3,相应应力应变图见图7,图8。

表3 二工区东区应力应变值

开挖情况应力应变值主拉应力N/mm2主压应力N/mm2主拉应变主压应变挖第二层土-1.8018.9-0.79×10-50.61×10-3挖第二层土加钢支撑-1.5010.0-0.14×10-40.32×10-3

2.2.4 二期施工区西区

二期施工区西区分别对第一层开挖、第一层开挖加支撑、第二层开挖、第二层开挖加支撑四种工况进行计算。计算结果见表4,相应应力应变图见图9~图12。

表4 二期施工区西区应力应变值

3 分析与结论

通过对上述计算结果分析,得出如下结论:

1)一工区(4号线车站):由于车站内有楼板侧向支撑的作用,开挖第一、二层时墙体压应力较小,最大压应力也不大。

2)二工区(2号线车站):开挖第二层未加支撑前墙体应力较加支撑后大,但其压应力值并未超过材料的允许值。

3)二期施工区西区(3号、4号出入口):第一层开挖未加支撑时,两段长墙体压应力较大,为整个施工过程中的相对薄弱环节,但其压应力值并未超过材料的允许值。加支撑后应力大幅减小,效果非常明显。

4 基坑开挖方法与支撑施工要求

通过计算分析结果,知钢结构支撑能有效地减小墙体应力应变,作用明显,制定了具体施工方法与支撑施工要求。

4.1 基坑开挖方法

1)基坑开挖以机械施工为主,人力施工为辅,明挖基坑开挖采用长臂挖掘机、龙门吊机和0.4 m3挖掘机挖装、自卸汽车运输;逆筑法基坑洞内以0.4 m3挖掘机挖装,人力车及电动葫芦水平运输,竖井提升架垂直运输至地面临时弃渣场。

2)地质为杂填土、粉质粘土粉砂土,采用人工配合小型挖掘机开挖,“竖向分层,平面分段”的挖土方法。

3)暗挖土方由各板两侧挖土面开始挖进,分段掏槽开挖架设支撑。

4)挖土分段控制在6 m左右,在12 h内挖除,并随即架设两根支撑,每根支撑的架设在4 h内完成。

5)在开挖过程中钢支撑采取“边开挖边支撑、先支撑后开挖”的方式,及时安装支撑、施加预应力。

4.2 支撑施工要求

1)及时加撑:按照挖土施工方案,每个限定长度分层开挖,不同工况挖土和支撑架设总时间采用不同的时空效应参数。

2)及时施加预应力:控制地墙变位,最有效措施是及时施加预应力,来平衡地墙外土压力,保护周边环境及基坑安全。

3)及时复加预应力:钢支撑活络头给预应力的复加及调整提供了便利条件,根据挖土及结构施工工况,结合支撑轴力及地墙位移监测数据,及时对钢支撑预应力进行复加。

4)支撑焊接要求:支撑的焊接必须牢固,接头箱与地墙连接四周围焊,满足支撑抗剪及抗拉应力要求,确保安全。

5)监测信息化要求:在深基坑挖土及支撑施工时,根据要求进行坑外环境监测和结构本体监测,提供支撑轴力、地墙位移、土体回弹、地表沉降、建筑物沉降等监测数据,指导挖土工况和支撑预应力复加调整。

5 结语

从本工程和以往同类工程实践中,基坑开挖应遵循分段、分层、分小段、分次,按一定程序开挖的原则,开挖每段长度应同结构分段长度相适应,分层高度为至该层支撑的底面,开挖过程中钢支撑采取“边开挖边支撑、先支撑后开挖”的方式,及时安装支撑、施加预应力,可有效减小开挖引起的墙体变形。

[1] 柯亚恩.临近地铁深基坑开挖安全施工实例分析[J].国外建材科技,2000(3):15-16.

[2] 李小青,何圣熙.地下连续墙槽壁稳定性分析[J].地球科学——中国地质大学学报,1999(2):109-110.

[3] 褚林虎,王振清.有限元数值分析在地下连续墙中的应用[J].应用科技,2009(6):73-74.

[4] 刘松芳,高 峰,徐建章,等.建筑深基坑支护方案的技术经济比选[J].建筑施工,2009(5):57-58.

[5] 唐少平.深基坑开挖施工技术应用[J].山西建筑,2014,40(13):71-72.

The stability analysis and application on retaining structure in foundation pit excavation process

ZHANG Shuan-lao

(The Construction and Installation Company, China Railway 12th Bureau, Taiyuan 030024, China)

Due to the foundation pit big excavation area and greater depth of Suzhou railway station, in order to ensure the construction safety, through the ANSYS finite element software calculation made evaluation to each stage foundation pit stability of retaining structure in excavation process, and through the calculation and analysis results, gained the steel structure supporting could effectively reduce the wall stress and strain, the effect obvious, so as to formulate the specific construction method and supporting construction requirements of foundation pit excavation.

foundation pit, excavation, finite element, stability, analysis, application

1009-6825(2014)36-0052-02

2014-10-16

张拴牢(1981- ),男,工程硕士,工程师

TU463

A

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