大型龙门吊荷载作用下装配式地铁车站基坑变形数值分析.pdf

周泽民,等:大型龙门吊荷载作用下装配式地铁车站基坑变形数值分析地基与基础DIJIY U JIC H U 工程与建设 年第 卷第期 收稿日期:;修改日期:基金项目:中国中铁股份有限公司科技开发计划(项目编号:重点 )作者简介:周泽民(),男,江西萍乡人,高级工程师大型龙门吊荷载作用下装配式地铁车站基坑变形数值分析周泽民,徐星火,汪开发,刘林胜,朱红超,汪凯中铁(上海)投资集团有限公司,上海 ;中铁四局集团有限公司第七工程分公司,安徽 合肥 摘要:为研究装配式地铁车站基坑在大型龙门吊荷载作用下的变形特性,基于数值模拟方法对青岛某锚撑体系地铁车站基坑在 吨位龙门吊荷载作用下的围护结构水平位移及地表沉降进行计算分析.首先,采用A B AQU S建立基坑锚撑结构耦合模型,根据施工开挖方案对模型逐步开挖与支撑,获得龙门吊荷载作用前的基坑位移状态,进一步施加龙门吊荷载,得到基坑围护结构与沉降位移规律,结论如下:装配式地铁车站基坑采用锚撑体系结构时,至基坑开挖完成,围护结构水平位移自基底到地表不断增大,峰值位移为 mm;邻近基坑处地表沉降值随距基坑距离增加呈先升后降趋势,峰值沉降在 mm;计算结果显示,大型龙门吊荷载作用对装配式车站锚撑体系基坑沉降值有显著影响,峰值达 mm,对围护结构水平位移影响基本可以忽略.关键词:基坑开挖;大型龙门吊;锚撑体系;数值模拟中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()工程概况 工程背景青岛某装配式施工地铁车站采用明挖法配合大型龙门吊对主体结构进行装配式施工,施工中基坑采用桩锚体系加固,车站总长 m,车站标准段结构宽 m,高 m,底板 埋 深 约 为 m;车 站 中 心 里 程 附 近 基 坑 深 度 为 m,宽度为 m;小里程端基坑深度为 m,宽度为 m;大里程端基坑深度约为 m,宽度为 m,覆土厚约 m;主 要 围 护 体 系 为 钻 孔 灌 注 桩(mm mm)预应力锚索(mm mm,L为 m,自由段为 m,s mm钢绞线),锚索采用道锚索支护,竖向间距为 mm,纵向采用一桩一锚,如图所示.图支护结构断面 工程地质条件根据钻 探 揭 示,本 工 点 场 区 范 围 内 第 四 系 厚 度 相 对 较大,厚度为 m,主要为第四系全新统人工填土层(Qml)、上更新统粉质黏土(QalPl)、上更新统含黏性土砾砂.基岩为燕山晚期二长花岗岩()及印支期闪长岩().地势起伏较大,车站底板位于强、中、微风化二长花岗岩中.地基与基础DIJIY U JIC H U周泽民,等:大型龙门吊荷载作用下装配式地铁车站基坑变形数值分析 工程与建设 年第 卷第期数值模型建立由于依托地铁站工程采用明挖法施工,在龙门吊荷载作用下,基坑容易发生失稳破坏,应对龙门吊吊装荷载对桩锚结构基坑稳定性影响分析计算,本文采用A B AQU S建立数值模型进行分析,模型选取深度最大处断面(F型桩L m,H型桩L m)m长基坑段.根据目前大量工程经验和圣维南原理,地铁车站基坑开挖对周围土体的影响范围大致为倍开挖宽度,倍开挖深度,故为了计算精度的准确性和可靠性,取模型尺寸长为 m,宽为 m,深度取 m.本构关系的选取与材料参数选取土体采用的摩尔库伦本构关系,各类土的参数参考设计说明里的参数与其他文献中的参数,内支撑体系均采用线弹性本构模型,其原因在于它们弹性模量大,抗变形能力强.各类型岩土参数见表.表各类型岩土参数材料重度/(k N/m)弹性模量/MP a泊松比凝聚力c/(k P a)内摩擦角/()素填土 粉质黏土 强风化花岗岩 无 风化花岗岩 无 微风化花岗岩 无 计算假定()假设各层地质呈现水平分布;()计算分析中不考虑地下水的影响;()各层土均为理想弹塑性材料;()钻孔灌注桩,腰梁采用梁单元模拟,喷射混凝土,挡土墙采用板单元模拟,锚杆采用直插式桁架单元;()土体与钻孔灌注桩无摩擦,无相对滑动.荷载及边界条件 边界条件侧表面约束水平位移,底面约束X、Y、Z方向位移,上表面不施加约束;在钻孔灌注桩的所有节点上设置Z方向上的抗扭转约束.荷载龙门吊走行轨道根据龙门吊厂家设计要求采用QU 型重型钢轨,基础设计中不考虑轨道与基础的共同受力作用,钢轨承载能力忽略不计;基础按弹性地基梁进行分析设计.计算确定设计荷载为 t龙门吊走行最大轮压Pm a x k N,混凝土自重按 k N/m计,土体容重按 k N/m计.龙门吊满载工作时,每个滚轮分担的最大轮压标准值为 k N,每台龙门吊共有处 个受力点.由于龙门吊行走较为缓慢,现等效为静力荷载施加在基坑两侧,计算分 个工况进行,见表.表计算工况步骤模拟过程步骤地应力平衡,消除土体自重产生的沉降变形步骤开挖顶部第一层土体,施加钻孔灌注桩、冠梁及第一道锚杆步骤开挖第二层土体,喷射混凝土步骤开挖第三层土体,施加腰梁和锚杆,喷射混凝土步骤开挖第四层土体,施加腰梁和锚杆,喷射混凝土步骤开挖第五层土体,施加腰梁和锚杆及钢管桩,喷射混凝土步骤开挖第六层土体,施加腰梁和锚杆,喷射混凝土步骤开挖第七层土体,施加腰梁和锚杆,喷射混凝土步骤开挖至基底,施加腰梁和锚杆,喷射混凝土步骤 施加龙门吊荷载计算结果分析本文研究重点在于龙吊荷载作用下的基坑变形规律,取水平位移峰值最大桩进行分析,基坑开挖完成时围护桩水平位移曲线呈现出倒三角形,如图所示,符合桩锚支护体系中围护桩变形曲线.当基坑开挖完成时,围护桩水平位移最大值位于顶端,其大小为 mm;当施加龙门吊荷载时,围护桩水平位移最大值同样位于顶端,其大小为 mm.该围护桩水平位移值均小于控制值,说明该基坑是安全的.对比大小可知围护桩最大水平位移只上升了 mm,说明该桩锚支护体系能够较好地维护基坑整体的稳定性,确保基坑的安全.图围护桩水平位移曲线图周泽民,等:大型龙门吊荷载作用下装配式地铁车站基坑变形数值分析地基与基础DIJIY U JIC H U 工程与建设 年第 卷第期 通过计算可知,基坑开挖完成时地表沉降呈现出三角形,地表沉降位移曲线图满足桩锚支护体系下基坑临近地表沉降曲线规律.当基坑开挖完成时,地表沉降最大值位于距离基坑边缘 m处,其大小为 mm;当施加龙门吊荷载时最大 值 同 样 位 于 距 离 基 坑 边 缘 m处,其 大 小 为 mm.该地表沉降均小于地表沉降累计控制值,说明支撑体系对维护基坑周边环境的稳定性起到控制和保护作用.对比大小可知地表沉降最大值上升了 mm,其上升幅度较大,需要对龙门吊附近m处加强防护,并提高对其监测频率.工程现场施工变形情况分析 现场监测工作内容某地铁车站监测点的平面位置图如图所示.图某地铁车站监测点的平面位置图 锚索应力值现场监测分析在土岩组合地区龙门吊荷载施加过程中,预应力锚索受力状态可以在一定程度上反映围护结构整体的受力状况,因此对基坑支护体系的稳定性评价具有较高的参考价值.本车站基坑工程装配式结构段共设置六层预应力锚索,根据相关基坑工程监测规范要求,本文选取较有代表性的锚索应力监测点进行研究,监测点具体为M S L、M S L、M S L、M S L,其中M S L、M S L 各有个测点,M S L、M S L 各有个测点.锚索应力监测图如图所示.图锚索应力现场监测图地基与基础DIJIY U JIC H U周泽民,等:大型龙门吊荷载作用下装配式地铁车站基坑变形数值分析 工程与建设 年第 卷第期监测点M S L、M S L、M S L 前后有一定程度的波动,锚索应力值有不同程度的增加,其中最大增加值出现在监测点M S L,增加值为 k N;个监测点波动具有一致性,造成波动的原因可能是施加龙门吊荷载后所受拉力较大.总体来说,锚索应力值变化波动较小,龙门吊荷载施加过程锚索内力变化平稳.锚索应力现场监测值与数值模拟对比分析桩锚支护结构锚索应力的变化可以有效反映出基坑支护体系变形情况,因此,将锚索应力监测值与数值计算值进行对比分析,对基坑变形规律及稳定性的研究具有重要意义.分别选取基坑开挖第二层锚索监测点M S L、第三层锚索监测点M S L、第五层锚索监测点M S L、第六层锚索监测点M S L,取其计算值与监测值进行对比.由不同工况下锚索应力监测值与计算值对比曲线可以发现,监测点M S L 的锚索应力值变化较为平稳,监测值与计算值变化趋势一致,其中监测最大值为 k N,计算最大值为 k N,整体数值计算值小于监测值,原因可能是数值模拟过程中未考虑基坑周边交通荷载;监测点M S L 的锚索应力值最大为 k N,在开挖第六层土方,打入第五层锚杆并施作第三道腰梁时锚索应力变化较大,位于第五层锚索监测点M S L 在同样工况下也出现较大的起伏,可能是由于基坑下部爆破开挖产生变化较大的荷载引起的;监测点M S L 最大应力值为 k N,对应工况下数值计算值为 k N,误差为 k N.本次数值计算中,锚索应力计算结果整体小于监测值,可能原因有:在数值模拟中,预应力锚杆的锚固端与实际情况相比,不会出现实际施工中锚固端出现滑移的情况,可发挥出更加显著的作用,以及在数值模拟中简化较为理想而未考虑实际施工中的车辆荷载、爆破荷载等.结论()基坑开挖完成时围护桩水平位移曲线呈现出倒三角形,围护桩水平位移最大值位于顶端,大小为 mm;当施加龙门吊荷载时,围护桩水平位移最大值同样位于顶端,其大小为 mm,最大水平位移只上升了 mm,表明桩锚支护体系能够较好地维护基坑整体的稳定性.()龙门吊对基坑邻近地表沉降影响较大,表现在:基坑开挖完成时地表沉降峰值位于距离基坑边缘 m处,大小为 mm;施加龙门吊荷载时位移峰值点不变,但变形值增加至 mm,认为实际工程中需要对龙门吊附近m处加强防护,并提高对其监测频率.参考文献余诚装配式地铁车站智能门式起重机拼装关键技术J建筑技术开发,():王中南,王新建,赵永胜,等连接邻近构筑物的基坑桩锚支护系统应力应变特征分析J水利与建筑工程学报,():穆海旺,张训玉,文萌,等桩锚支护体系在基坑工程中的应用J城市地质,():刘燕,王杨,王林海基坑开挖对桩锚支护体系土体侧压力的影响J建筑技术开发,():陈云钢,叶舒,许立桩锚复合支护结构深基坑动态预警值研究J安徽建筑,():商大勇龙门吊移动荷载对地铁车站深基坑变形的影响J安全与环境学报,():同振宇,谭永庆预制装配式技术在地下车站中的应用及前景分析J工程技术研究,():(上接第 页)缺点:隧道 地 面 转 换 较 多,纵 断 面 指 标 较 差,行 驶 感 受欠佳.综合考虑交通功能、造价、拆迁等各方面因素,推荐采用方案二,在文昌路南北、运河路南共设对出入口方案.结束语城市快速路需结合城市规划、路网结构、功能需求等多方面因素综合确定总体方案.扬州作为历史文化名城,运河快速路一期的总体设计应着眼于与城市风貌相融合,同时,方案的选定受限于周边复杂的建设条件.本文着重研究了运河快速路一期的总体方案以及出入口布置,旨在作为典型快速路案例,为城市快速路的设计提供参考,以期实现更优化、合理化、精细化的设计.参考文献中华人民 共 和 国 住 房 和 城 乡 建 设 部城 市 快 速 路 设 计 规 程:C J J S北京:中国建筑工业出版社,中华人民共和国住房和城乡建设部城市道路交通工程项目规范:G B S北 京:中 国 建 筑 工 业 出 版 社,中华人民共和国住房和城乡建设部城市道路路线设计规范:C J J S北京:中国建筑工业出版社,沙爱敏,王晓东快速化改造工程高架桥总体设计研究J西部交通科技,():史昊银川沈阳西路快速化改造总体设计研究J中国水运,():顾正欣淮安市西安快速路总体方案设计J工程与建设,():吴忠,郭俊伟扬州市万福高架快速路总体设计J城市道桥与防洪,():,胡海泉,周舟城市快速路总体设计的思路与分析方法J交通世界,():,陆超城市快速路出入口设计探讨J建设科技,():