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    超深大基坑“半逆作”环板支撑体系的应用及力学分析.pdf

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    超深大 基坑 半逆作 支撑 体系 应用 力学 分析
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    1 超深大基坑“半逆作”环板支撑体系的应用及力学分析 陈鹤 孙立柱 (北京市市政工程设计研究总院,北京, 100082) 摘 要 本文针对某地铁超深大基坑工程引入了混凝土环形支撑体 系的设计理念,并结合地铁工程中较为普遍采用的“盖挖逆作”工 法, 首创 了一种适合大型地铁基坑工程的新型支撑体系 --“半逆作” 环板形支撑体系。周围 15 米逆作,中间顺作并对该种支撑体系进行 了初步技术、经济分析,论述了该支撑体系的设计和施工中的关键 技术。同时,本文对该种环板支撑体系进行了基于 FLAC3D的数值分析, 建立了三维地层模型并模拟开挖工 况,重点研究了环板支撑体系的 自身内力变化特点、基坑开挖引起的周边环境变形变位等。通过数 值分析,对“半逆作”环板支撑体系设计的合理性和可行性进行了 验证,并对工程施工提供了有益的指导。 关键词 超深大 基坑 “ 半逆作 ” 环板支撑体系 三维地层模型 FLAC3D 1.混凝土环形支撑体系的应用现状 1.1 环形支撑体系的应用概况 在当前应用的基坑支护体系中,对于深大基坑软土地基或城市改造密集建设区的基坑支护, 采用环形内支撑体系(主要是钢筋混凝土环形支撑)的已经越来越多,并向超大直径环形支撑发 展。目前,环形支撑体系已 由单层发展为双层或多层;环梁直径由几十米发展到超过百米;平面 上可适应任何平面形状;水平支撑由单圆发展到多圆相连;环梁有圆形、椭圆、边桁架断面由宽 腹式向窄腹式发展等。同时,基坑支护监测信息化施工也日臻完善。 1.2 环形支撑体系可应用到任何基坑平面形状 环形支撑体系应用范围如下 对于近似正 方形 、圆形平面的基坑对基坑尺寸较小的,可直接采用内切圆环形支撑,对于 圆形超出基坑的部分可做拱形水平桁架突出基坑,或将围护桩沿环梁轴线布置;对于环梁以外的 不规则平面,可采用边桁架或局部成拱板。最有利的方案是将围护排桩轴线与 环梁轴线相重合, 做到桩梁轴线合一。 对于近似矩形的平面基坑可采用椭圆形环形支撑。如椭圆环梁在中部超出基坑,可在桩外 形成拱形桁架或做成桩梁合一突出基坑;如环梁突出基坑受场地限制,也可做成两端半圆环,中 部为加长平直段,做成类似椭圆,但对平直段的支护结构必须加固。 对于多 边 形不规则平面的基坑可尽量采用大圆环,或用大小环相连来处理,环外不规则部 分做成桁架,或用钢管顶撑形成混凝土结构。 1.3 超大环形基坑支撑体系的应用实例 2 目前国内环形基坑的实例很多,详见表 1,其中较典型的有上海绿洲中环中心基坑工程及万 都大厦基 坑工程,见图 13 所示。 图 1 上海绿洲中环中心基坑工程平面(外径 210 m) 图 2 基坑开挖施工现场照片 图 3 上海万都大厦基坑工程(约 100m) 表 1 国内深基坑超大直径环形支撑体系应用的工程实例 工程项目 基坑 面积 (万 m2) 开挖深度 ( m) 基坑 形状 尺寸( m) 地下 层数 围护结构 环撑直径( m) 环 撑 层 数 环撑结构 上海万都 中心大厦 1.21 10.312.8 (局部 14.6) 近似正方形 138 112 2 单排钻孔灌注桩,外加 双排水泥搅拌桩 92圆形 2 闭合折线的圆形支撑,环外为 边桁架 上海万宝 花园广场 1.10 8.812.1 近似正方形 100 100 2 单排钻孔灌注桩,外加 双排水泥搅拌桩 82圆形) 2 大圆环支撑,环外边桁架,角 钢格构柱支撑 中山市 中山广场 0.70 1011.92 多边形 106 84 2 单排钻孔灌注桩,外加 单排粉喷桩 短 84 长 110 椭圆形 1 椭圆环支撑,梁、桩轴线合一, 部分为边桁架,灌注桩支撑 厦门吉祥 大厦 0.64 9.613.2 矩形 83 78 2 单排钻孔灌注桩,局部 外加旋喷桩帷幕 77(圆形) 2 圆形支撑,四角为边桁架,环 撑由钢管柱和围护桩桩上刚 牛腿支撑 天津今晚 报大厦 1.2 8.79.6 多边形 133 130 2 单排钻孔灌注桩,外加 水泥搅拌桩 64(圆形) 1 圆环梁,环外放射性钢管支撑 厦门光明 大厦 0.54 13 矩形 77 62 3 单排钻孔灌注桩,椭圆 形腰部双排桩 长近 72 短近 58 (椭圆形) 1 下 层 锚 杆 上层近似椭圆支撑,四角为边 桁架,下层预应力锚杆,钢管 组合格构柱支撑 厦门香港 广场(拟建) 0.90 10.111.00 多边形 116 92 2 单排钻孔灌注桩,外桩 缝高压喷浆 大圆 75 小圆 27 (大小圆相连) 1 大小圆环梁相连,不规则的周 边,为边桁架 上海爱俪 0.38 10.9514.45 近似正方形 2 单排钻孔灌注桩,外加 约 52(圆形) 2 圆环梁加边桁架 3 园大厦 62 62 水泥搅拌桩 2.“半逆 作”环板支撑体系设计方案 2.1 工程概况 六里桥站为北京地铁 9 号线与 10 号线二期换乘车站,车站中部的 综合换乘厅平面形状为直 径为 80 m 圆盘形,地下双层结构。换乘厅基坑深 17.60 m,中部十号线线路通过部分为地下三层, 该部基坑深 24.1 m。换乘厅主要位于八一厂西路和京石高速路的绿化隔离带上,周边施工条件较 好,无重要建构筑物及大型地下管线。 车站的平面布置如图 4 所示 图 4 北京地铁 9、 10 号线车站总平面图(中部为双层换乘圆厅) 2.2 工程水文地质条件 本场地层情况自上而下依次为 ① 1 层 杂填土、 ① 层 粉土填土、 ② 4 层中粗砂、 ⑤ 层卵石层、 ⑦ 层卵石层等 ,详见表 2。 表 2 场地各土层的物理力学参数 层次 岩土名称 层厚 /m 重度 γ /kN·m-3 粘聚力 c /kPa 内摩擦角 φ /度 压缩模量 E s /MPa 地基承载力特征值 fk /kPa 侧阻力特征值 qsa /kPa 端阻力特征值 qpa /kPa 1 杂填土 1.2 16.0 0 8 9.9 2 粉土填土 1.0 16.5 10 8 9.9 3 中粗砂 1.5 19.6 0 20 35 300 75 4 圆砾 2.2 20.0 0 30 20 260 120 5 卵石 ⑤ 9.9 21.0 0 40 50 350 120 6 卵石 ⑦ 35.9 21.1 0 45 80 500 130 2800 地层 存在粒径大于 200 mm 的漂石,其分布随机性较强,主要分布于卵石 ⑤ 层、卵石 ⑦ 层及 卵石 ⑨ 层中,漂石最大粒径不小于 400mm。现况地下水位埋深约 25 m, 10 号线车站局部基坑进 入地下水位,需降水作业。 2.3 基坑围护方案 六里桥站换乘厅根据基坑特点采用 了 “半逆作 ”环板支撑体系。该支撑体系吸取了环形支撑体 4 系对大型基坑的适应性强的优点和 “盖挖逆作 ”工法对深基坑变形控制较好的优点。该施工方法是 先期施做换乘厅内一圈 D800钢管混凝土柱和侧墙外的 D8001400钻孔灌注边桩做为竖向支撑体 系,再施做车站顶板约 15 m 范围的环形板带替代临时的环梁作为水平内支撑体系(如图 5 及图 6 所示)。竖向支撑体系和水平支撑体系间相互连接,共同形成环形,形成一个整体,共同维持基坑 的稳定;再盖挖顶板下土方至中板底面,同样施做环形侧墙及约 17 m 中板环板依然依靠中板平面 刚度作为第二道水平 支撑。 图 5 换乘厅 “ 半逆作 ” 环板体系基坑平面图 图 6 换乘厅 “ 半逆作 ” 环板体系基坑剖面图 2.4 “半逆作”环板体系基坑施工步骤 1)放坡开挖土体至顶板底高程处,施做圆厅侧墙周边 D800 围护桩及桩顶冠梁; 2)施作盖挖竖向支撑体系。地面钻孔 ,施作钢管柱基础及安装钢管柱,施作底模; 3)施作换乘厅外环 15 m 跨范围内的顶板结构 ,向下预留边墙钢筋及预留侧墙防水层; 4)开挖换乘厅土方至中板底设计高程,施工换乘厅外环 17 m 范围内地下一层中板结构、施 作地下一层边墙结构; 5)开挖土方至换乘厅底板底面高程; 6)施作 10 号线地下三层边墙、柱和楼板结构; 7)顺作施工内环换乘厅内部楼板及梁柱体系; 8)顺作施工顶板结构 ,防水层 ,回填土方。 5 2.5 环形支撑体系的优越性 1)基坑中间无支撑网盖,使得大型挖土机械科直接进入坑内进行大型土方挖运,与其他内 支撑相比,土方开挖的费用可减小一半,工期缩短一半; 2)提供了 80的作业空间,便于地下施工,材料的吊运不受限制,测量放线实现开阔,有 利于质量和安全管理; 3)该体系将坑内的水平推力通过桁架和环梁转化为板内轴向均匀受压,变形性能优异, 整 体刚度好,做到安全可靠与施工方便相统一; 4)结构工程量小,基本无废弃工程,支护总造价大幅降低; 5)特别适合大粒径卵石地层等侧向土压力不大且不可打设锚索的基坑工程。 3.换乘厅施工过程的三维仿真分析 3.1 FLAC3D 简介 FLAC 是连续介质快速拉格朗日分析( Fast Lagrangian Analysis of Continua)的英文缩写,拉 格朗日元法是一种分析非线性大变形的数值方法,这种方法遵照连续介质的假设,利用差分格式, 按时步积分求解,随着模型的变化不断更新坐标,允许介质有大的变形。是目前 世界上最优秀的 岩土力学数值计算软件之一,可用于求解有关深基坑、边坡、基础、坝体、隧道、地下采场及洞 室开挖的模拟,也能很好的进行动力分析。这套软件在模拟支护体方面提供了实体单元( zone) 梁单元( beam)、桩单元( pile)、锚索单元( cable)、衬砌单元( shell)等多种结构单元,非常适 合于研究 基坑 开挖等岩土工程问题。 3.2 基坑工程的模型的建立和应力分析 计算范围水平方向取三倍开挖直径,竖向取二倍开挖深度,计算区域 为 240 240 50 m, 岩土材料及钢管柱采用 zone 单元模拟,钻孔桩采用 pile 单元模拟,桩间喷射混凝土采用 shell 单 元模拟,本构模型采用 Mohrc 模型,模型共有个 224640 个 zone 单元, 4688 个结构单元节点,计 算量十分庞大,因此未考虑流体的作用及流固耦合作用。边界条件为模型底部 x、 y、 z 三个方 向的位移约束,其他面的外法向位移限制,上面为自由面,建模完成后的网格如图 7 所示。 图 7 建模完成后的模型 ( 1/2 部分 ) 模拟施工过程初始应力完成后,首先放坡开挖到顶板底面标高位置,将钢管柱所在单元土 6 体材料置换成桩体的材料,并打设灌注桩,施做顶板,钢管柱及灌注桩,再依 次开挖中板上土方、 施做中板结构,开挖地下二层土方。 图 8 开挖至底板位置后的环板结构的最大主应力分布图 pa 从图 8 可看出,开挖至底板位置后,作为逆作部分的顶板、中板及钢管柱等二次结构应力分 布较为有规律,符合结构的受力特征。顶板及中板的最大主应力在钢管柱、围护边桩等位置应力 较为集中,板内应力呈环向分布,单向板特性十分明显。特别是在 10 号线地下三层开挖范围内顶 板及中板的应力明显偏大。 由于施工过程过程中顶板上部土方不回填,钢管柱只承受顶板、中板及侧墙等二次结构自重 荷载,开挖工况并非控制性工况。 由图 9 可看出,只有在土方开挖面以下及车站侧墙结构外,土层有较小的塑性区出现。 图 9 围岩的塑性区分布图 3.3 中板结构的应力分析 根据基坑结构的断面来判断,中楼板的环板在作为水平支撑时,需承受地下两层的土压力荷 载,水平荷载较顶板大很多。由于中板结构厚度大大小于顶、底板结构,取其水平变形刚度、应 力分布等 应 做重点研究。 7 图 10 中板环板在基坑开挖至地下二层时内力图 ( pa) 图 11 中板环板在基坑开挖至
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