基坑開挖過程圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與應(yīng)用

張 拴 牢

(中鐵十二局建安公司，山西 太原 030024)

基坑開挖過程圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與應(yīng)用

張 拴 牢

(中鐵十二局建安公司，山西 太原 030024)

由于蘇州火車站基坑開挖面積與深度較大,為確保施工安全，通過ANSYS有限元軟件計(jì)算對圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖過程各階段基坑穩(wěn)定性進(jìn)行了評價，并通過計(jì)算分析結(jié)果，得知鋼結(jié)構(gòu)支撐能有效地減小墻體應(yīng)力應(yīng)變，作用明顯，從而制定了基坑開挖的具體施工方法與支撐施工要求。

基坑，開挖，有限元，穩(wěn)定性，分析，應(yīng)用

1 工程概況

蘇州火車站站房工程由南側(cè)普速站房、北側(cè)城際站房和跨線高架候車廳三部分組成，地下3層，地上2層，總建筑面積85 717 m2，其中地上建筑為54 445 m2，地下空間部分為31 272 m2，地下2層，3層為地鐵車站。車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)及出入口、風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為地下連續(xù)墻，墻體厚度0.8 m，深度33 m～57 m。2號線車站、4號線-1層車站、風(fēng)亭及3號，4號出入口采用明挖順作法施工，共需開挖外運(yùn)土方63 541 m3，其中主體結(jié)構(gòu)處挖土22 843 m3，出入口基坑開挖土40 698 m3。4號線地下2層，3層采用逆作法施工，需開挖外運(yùn)土方86 456 m3。天火風(fēng)井、火三風(fēng)井各需開挖外運(yùn)土方12 227.34 m3。

2 建模與計(jì)算

2.1 建立模型

按照結(jié)構(gòu)施工圖建立的結(jié)構(gòu)ANSYS分析有限元計(jì)算模型如圖1所示。地下連續(xù)墻、柱、冠梁模型中均采用Soild45實(shí)體單元，支撐采用Beam4單元模擬，取C30混凝土材料的彈性模量3×1010N/m，泊松比為0.2。

整體結(jié)構(gòu)主要由五部分組成，分析計(jì)算時將結(jié)構(gòu)分區(qū)，分別對各個區(qū)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)分區(qū)見圖2，其中二期施工區(qū)西區(qū)及東區(qū)對稱。

2.2 有限元計(jì)算

2.2.1 一工區(qū)(4號線車站)

分別對第一層開挖、第二層開挖兩種工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表1，相應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變圖見圖3，圖4。

表1 一工區(qū)應(yīng)力應(yīng)變值

開挖情況應(yīng)力應(yīng)變值主拉應(yīng)力/N·mm-2主壓應(yīng)力/N·mm-2主拉應(yīng)變主壓應(yīng)變挖第一層土-1.38.2-0.33×10-50.26×10-3挖第二層土-2.116.3-0.40×10-40.54×10-3

2.2.2 二工區(qū)(2號線車站)西區(qū)

分別對第二層開挖、第二層開挖加支撐兩種工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表2，相應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變圖見圖5，圖6。

表2 二工區(qū)西區(qū)應(yīng)力應(yīng)變值

2.2.3 二工區(qū)(2號線車站)東區(qū)

分別對第二層開挖、第二層開挖加支撐兩種工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3，相應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變圖見圖7，圖8。

表3 二工區(qū)東區(qū)應(yīng)力應(yīng)變值

開挖情況應(yīng)力應(yīng)變值主拉應(yīng)力N/mm2主壓應(yīng)力N/mm2主拉應(yīng)變主壓應(yīng)變挖第二層土-1.8018.9-0.79×10-50.61×10-3挖第二層土加鋼支撐-1.5010.0-0.14×10-40.32×10-3

2.2.4 二期施工區(qū)西區(qū)

二期施工區(qū)西區(qū)分別對第一層開挖、第一層開挖加支撐、第二層開挖、第二層開挖加支撐四種工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表4，相應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變圖見圖9～圖12。

表4 二期施工區(qū)西區(qū)應(yīng)力應(yīng)變值

3 分析與結(jié)論

通過對上述計(jì)算結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

1)一工區(qū)(4號線車站)：由于車站內(nèi)有樓板側(cè)向支撐的作用，開挖第一、二層時墻體壓應(yīng)力較小，最大壓應(yīng)力也不大。

2)二工區(qū)(2號線車站)：開挖第二層未加支撐前墻體應(yīng)力較加支撐后大，但其壓應(yīng)力值并未超過材料的允許值。

3)二期施工區(qū)西區(qū)(3號、4號出入口)：第一層開挖未加支撐時，兩段長墻體壓應(yīng)力較大，為整個施工過程中的相對薄弱環(huán)節(jié)，但其壓應(yīng)力值并未超過材料的允許值。加支撐后應(yīng)力大幅減小，效果非常明顯。

4 基坑開挖方法與支撐施工要求

通過計(jì)算分析結(jié)果，知鋼結(jié)構(gòu)支撐能有效地減小墻體應(yīng)力應(yīng)變，作用明顯，制定了具體施工方法與支撐施工要求。

4.1 基坑開挖方法

1)基坑開挖以機(jī)械施工為主，人力施工為輔，明挖基坑開挖采用長臂挖掘機(jī)、龍門吊機(jī)和0.4 m3挖掘機(jī)挖裝、自卸汽車運(yùn)輸；逆筑法基坑洞內(nèi)以0.4 m3挖掘機(jī)挖裝，人力車及電動葫蘆水平運(yùn)輸，豎井提升架垂直運(yùn)輸至地面臨時棄渣場。

2)地質(zhì)為雜填土、粉質(zhì)粘土粉砂土，采用人工配合小型挖掘機(jī)開挖，“豎向分層，平面分段”的挖土方法。

3)暗挖土方由各板兩側(cè)挖土面開始挖進(jìn)，分段掏槽開挖架設(shè)支撐。

4)挖土分段控制在6 m左右，在12 h內(nèi)挖除，并隨即架設(shè)兩根支撐，每根支撐的架設(shè)在4 h內(nèi)完成。

5)在開挖過程中鋼支撐采取“邊開挖邊支撐、先支撐后開挖”的方式，及時安裝支撐、施加預(yù)應(yīng)力。

4.2 支撐施工要求

1)及時加撐：按照挖土施工方案，每個限定長度分層開挖，不同工況挖土和支撐架設(shè)總時間采用不同的時空效應(yīng)參數(shù)。

2)及時施加預(yù)應(yīng)力：控制地墻變位，最有效措施是及時施加預(yù)應(yīng)力，來平衡地墻外土壓力，保護(hù)周邊環(huán)境及基坑安全。

3)及時復(fù)加預(yù)應(yīng)力：鋼支撐活絡(luò)頭給預(yù)應(yīng)力的復(fù)加及調(diào)整提供了便利條件，根據(jù)挖土及結(jié)構(gòu)施工工況，結(jié)合支撐軸力及地墻位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時對鋼支撐預(yù)應(yīng)力進(jìn)行復(fù)加。

4)支撐焊接要求：支撐的焊接必須牢固，接頭箱與地墻連接四周圍焊，滿足支撐抗剪及抗拉應(yīng)力要求，確保安全。

5)監(jiān)測信息化要求：在深基坑挖土及支撐施工時，根據(jù)要求進(jìn)行坑外環(huán)境監(jiān)測和結(jié)構(gòu)本體監(jiān)測，提供支撐軸力、地墻位移、土體回彈、地表沉降、建筑物沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)挖土工況和支撐預(yù)應(yīng)力復(fù)加調(diào)整。

5 結(jié)語

從本工程和以往同類工程實(shí)踐中，基坑開挖應(yīng)遵循分段、分層、分小段、分次，按一定程序開挖的原則，開挖每段長度應(yīng)同結(jié)構(gòu)分段長度相適應(yīng)，分層高度為至該層支撐的底面，開挖過程中鋼支撐采取“邊開挖邊支撐、先支撐后開挖”的方式，及時安裝支撐、施加預(yù)應(yīng)力，可有效減小開挖引起的墻體變形。

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[2] 李小青，何圣熙.地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性分析[J].地球科學(xué)——中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(2)：109-110.

[3] 褚林虎，王振清.有限元數(shù)值分析在地下連續(xù)墻中的應(yīng)用[J].應(yīng)用科技，2009(6)：73-74.

[4] 劉松芳，高 峰，徐建章，等.建筑深基坑支護(hù)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選[J].建筑施工，2009(5)：57-58.

[5] 唐少平.深基坑開挖施工技術(shù)應(yīng)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

張拴牢(1981- )，男，工程碩士，工程師

TU463

A