某超大超深基坑盖挖逆作法施工阶段计算与分析.pdf

铁道勘测与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2010(5)992 0 0 9 年集团公司青年科技论文专辑某超大超深基坑盖挖逆作法施工阶段计算与分析陈远洲【摘要】本文介绍某车站工程概况及盖挖逆作法施工阶段计算与分析，采用建筑结构通用有限元分析与设计软件 MIDAS/Gen 中施工阶段分析对盖挖逆作法施工阶段全过程进行模拟计算，并提出盖挖逆作法车站施工阶段计算应注意的问题。【关键词】车站大跨度围护结构盖挖逆作法地下连续墙施工阶段（中铁第四勘察设计院集团有限公司城建院武汉4 3 0 0 6 3）1 引言逆作法是施工顺序与顺作法相反，以地下连续墙作为基坑支护结构兼作地下室外墙，楼板横梁代替支撑，由上向下依次开挖和构筑结构体的施工方法，适用于多层地下室、地下车站、隧道及周边环境复杂的地下构筑物。是一项近几年发展起来新兴的基坑支护技术。它是施工多层地下室和其他多层地下结构的有效方法。逆作法施工过程中结构型式、刚度、支承条件及荷载等不断变化。与使用阶段结构的受力不同，因此，逆作法不仅要进行正常使用阶段受力分析，还要进行施工阶段受力分析12345。2 工程概况某车站位于城市中心区，车站采用地下方案，由地下三层组成。车站外包总长 1022.7m，车站宽度最宽处标准段宽78.860m，底板埋深约31m，覆土约为 3.0m，为地下三层箱形框架结构。车站两侧高层及超高层建筑众多，主要有一栋24层高层建筑，距离基坑边17m，一栋39层高层建筑，距离基坑边13m，一栋47层高层建筑，距离基坑边21m。3 工程地质站区地层上部主要为第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、冲洪积层（Q4al+pl）、第四系残积层（Qel）、燕山期花岗岩（53）。根据现场调绘及钻探揭露地层，按地质年代和成因自上而下描述如下：1、第四系全新统人工堆积层素填土：稍湿，松散，主要成分为粉质粘土，含少量碎石，场地内该层于地表均有分布。2、第四系全新统冲洪积层淤泥、淤泥质土：饱和，流塑软塑，含有机质，压缩性高，并具流变性及触变性；粉质粘土层：硬塑，土质粘性好；细砂：饱和，松散稍密，分选性较好，砂粒成分以石英为主中砂：饱和，稍密，成份以石英为主；粗砂：饱和，稍密，成份以石英为主；砾砂：饱和，稍密，成份以石英为主。3、坡残积层坡残积粉质粘土层：硬塑，由花岗岩风化残积而成，原岩结构尚可辨认，遇水易崩解。4、燕山期花岗岩岩石呈肉红色、灰白色，中粗粒斑状结构，块状构造，主要矿物成份为石英、长石等，按其风化程度分：全风化带：除石英外，其余矿物均已风化成高岭土，岩芯呈土状，土质坚硬，含较多石英砾石，浸水易崩解。强风化带：主要矿物成份为长石、石英，节理裂隙很发育，岩芯呈碎块状。场地内该层分布不均，呈层状及透镜体状。弱风化带：粗粒斑状结构，块状构造，主要矿物成份为长石、石英，节理裂隙发育，场地内该层均有分布。地 质路 基铁道勘测与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2010(5)勘测与设计铁道1004车站盖挖逆作法施工阶段计算与分析4.1 盖挖逆作法施工阶段计算目的盖挖逆作法施工阶段计算主要是为了验算主体结构桩、柱、梁、板在逆作施工过程中，结构承载力及变形是否满足设计要求。4.2 车站结构方案及施工方法根据围护结构方案比选结果，车站围护结构采用 1500mm 连续墙，车站主体采用三层框架结构，层高分别为 7.7m，8.3m，11.4m，横向最大跨度为21.46m，板厚分别为 1.2m，0.25m，0.25m，1.4m，采用纵横梁体系，顶横梁采用 1400*2500mm 型钢混凝土梁，顶纵梁采用 1400*2200mm型钢混凝土梁，中横梁采用 1000*1600mm 型钢混凝土梁，中纵梁采 用 1000*1600mm 钢 筋 混 凝 土 梁，中 柱 采用 1600mm 钢 管 混 凝 土 柱。抗 拔 桩 直 径 采用 2800mm、1500mm。根据车站围护结构方案比选结果，车站最宽段78.860m 处采用盖挖逆作施工方法。根据试算结果，盖挖逆作立柱采用永久结构柱兼作临时立柱，可不另外设置临时立柱(图 1)。4.3 施工荷载为了减少工程造价，施工中应控制施工荷载，经过对施工机械、出土路径反复研究对比，顶板考虑路面车辆通行，荷载按 20Kpa 考虑，施工期间顶板覆土控制为 10m，施工地下二层时，地下一层楼板施工荷载按 10Kpa 考虑；施工地下三层时，地下二层楼板施工荷载按 10Kpa考虑，地下一层楼板施工荷载按 5Kpa 考虑。4.4 施工步：车站施工阶段计算按施工阶段主要分为三个施工步：第一施工步：施工地下连续墙，施工抗拔桩、钢管混凝土柱（兼作临时立柱），以钢管混凝土柱作为楼板支撑施工顶板、顶梁、侧墙，向下开挖至地下一层板。第二施工步：施工地下一层板、梁、侧墙，向下开挖至地下二层板。第三步：施工地下二层板、梁、侧墙，向下开挖至基底。4.5 车站施工阶段计算模式车站主体结构采用纵横梁结构体系，因此结构计算模型不应采用平面模型计算，应采用空间模型进行计算，本工程沿纵向取8跨采用建筑结构通用有限元分析与设计软件 MIDAS/Gen 计算，空间模型如图 2。图 1车站主体结构横断面图图 2施工阶段空间计算模型铁道勘测与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2010(5)1012 0 0 9 年集团公司青年科技论文专辑计算荷载：计算荷载包括水、土压力、结构自重及活载(施工荷载、人群荷载、地面汽车荷载)等。作用在连续墙上的土压力，施工阶段基坑面以上取主动土压力，对砂性土按水土分算，粘性土按水土合算，水、土压力以增量的形式施加在每个计算步骤中。在每个施工阶段，仅计算在该阶段相对于前一阶段由于荷载变化(增量)引起的结构变形及内力，施工荷载根据计算阶段中对本层及其他层参与作用分别施加。自重仅当构件第一次在结构简图中出现时才考虑。第几个阶段完成后，结构的变形和内力应是前几步计算结果的叠加。模型及约束条件：桩、柱、纵横梁采用梁单元，板、连续墙、侧墙采用板单元，分别用水平的和竖向的等效土体弹簧模拟地层对连续墙和中间桩的约束作用，土对开挖面以上结构侧墙的作用采用等效土体压弹簧，对开挖面以下结构侧墙的作用采用等效土体拉压弹簧模拟，土对侧墙、桩的侧摩阻力采用竖向拉压弹簧模拟，土对桩底、连续墙底的端阻力采用压弹簧模拟，对连续墙、桩采用不同的基床系数。连续墙与顶板、楼板和底板等构件的连接视为刚结。各施工步荷载简图如图 3。建模时对整体模型一次建成，分别建立单元组、荷载组及边界条件组，在不同的施工步激活相关的边界条件组、单元组、荷载组，钝化无关的边界条件组、单元组、荷载组。各施工步结构计算状态见表 1表3。（第一施工步）（第二施工步）（第三施工步）图 3各施工步荷载简图表 1第一施工步结构计算状态结构组顶板、侧墙、桩、柱地下一层板、梁地下二层板、梁状态激活钝化钝化荷载组顶板恒载、顶板施工荷载地下一层侧墙水土压力地下二层侧墙水土压力地下三层侧墙水土压力地下一层板10KN施工荷载地下一层板5KN 施工荷载地下二层板10KN施工荷载状态激活激活钝化钝化钝化钝化钝化边界条件组桩身拉压弹簧、桩底压弹簧底板下连续墙墙身水平拉压弹簧、墙底竖向压弹簧地下一层侧墙外侧土压弹簧地下二层侧墙外侧土压弹簧地下二层侧墙内侧土压弹簧地下三层侧墙外侧土压弹簧地下三层侧墙内侧土压弹簧状态激活激活激活激活激活激活激活地 质路 基铁道勘测与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2010(5)勘测与设计铁道102表 2第二施工步结构计算状态结构组顶板、侧墙、桩、柱地下一层板、梁地下二层板、梁状态激活激活钝化荷载组顶板恒载、顶板施工荷载地下一层侧墙水土压力地下二层侧墙水土压力地下三层侧墙水土压力地下一层板10KN施工荷载地下一层板5KN 施工荷载地下二层板10KN施工荷载状态激活激活激活钝化激活钝化钝化边界条件组桩身拉压弹簧、桩底压弹簧底板下连续墙墙身水平拉压弹簧、墙底竖向压弹簧地下一层侧墙外侧土压弹簧地下二层侧墙外侧土压弹簧地下二层侧墙内侧土压弹簧地下三层侧墙外侧土压弹簧地下三层侧墙内侧土压弹簧状态激活激活激活激活激活激活激活表 3第三施工步结构计算状态结构组顶板、侧墙、桩、柱地下一层板、梁地下二层板、梁状态激活激活激活荷载组顶板恒载、顶板施工荷载地下一层侧墙水土压力地下二层侧墙水土压力地下三层侧墙水土压力地下一层板10KN施工荷载地下一层板5KN 施工荷载地下二层板10KN施工荷载状态激活激活激活激活钝化激活激活边界条件组桩身拉压弹簧、桩底压弹簧底板下连续墙墙身水平拉压弹簧、墙底竖向压弹簧地下一层侧墙外侧土压弹簧地下二层侧墙外侧土压弹簧地下二层侧墙内侧土压弹簧地下三层侧墙外侧土压弹簧地下三层侧墙内侧土压弹簧状态激活激活激活激活钝化激活钝化4.6 计算结果根据计算结果，柱的最大轴力设计值为55979KN，桩的最大轴力设计值为44595KN，桩、柱内力图（图 4）为（截图取标准横断面）：图 4桩、柱轴力图铁道勘测与设计RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2010(5)1032 0 0 9 年集团公司青年科技论文专辑根据对钢管柱的承载力计算、整体稳定性计算，均满足设计要求，桩的承载力不仅要满足正常使用阶段的要求，还要满足盖挖逆作施工阶段的受力要求，桩的设计应考虑这两种情况。根据计算结果，顶横梁的柱端最大弯矩设计值为 28944KN.m，跨中为 15729KN.m，中横梁的柱端最大弯矩设计值为12842KN.m，跨中为6731KN.m，与正常使用阶段内力值比较，正常使用阶段内力计算结果为：顶横梁的柱端最大弯矩设计值为38695KN.m，跨中为 19950KN.m，中横梁的柱端最大弯矩设计值为13040KN.m，跨中为6890KN.m，施工阶段内力均小于正常使用阶段内力，施工阶段横梁内力图（图 5）为（截图取标准横断面）：除验算桩、柱、横梁内力外，还验算纵梁、次梁、各层楼板等各构件内力，经验算施工阶段内力均比正常使用阶段内力小，（反之，构件计算应按施工阶段控制），因此采用永久柱作为盖挖逆作临时立柱而不另外设置临时立柱的方案是可行的。5 结语该种施工阶段计算方法模拟了施工开挖、结构浇筑过程，荷载施加采用增量的方式，后一施工阶段考虑了前一施工阶段变形的影响，与施工过程一致，因此，该方法可用于盖挖逆作施工阶段计算分析，采用该方法时，应注意下列问题：（1）盖挖逆作施工车站不仅要进行正常使用阶段计算还要进行施工阶段计算，构件不仅要满足正常使用阶段受力要求，还要满足施工阶段受力。（2）合理的控制施工荷载，可以采用永久柱兼作盖挖逆作临时立柱，可避免另外设置临时立柱，减小工程造价，降低施工难度。（3）应合理的选取侧墙、桩、连续墙基床系数。（4）根据施工阶段沉降计算结果结合正常使用阶段沉降计算结果，车站柱、板、梁应预留拱。参考文献1赵志缙，应惠清简明深基坑工程设计施工手册 中国建筑工业出版社 20002徐至钧，赵锡宏逆作法设计与施工 机械工业出版社 20023夏明耀，曾进伦地下工程设计施工手册 中国建筑工业出版社 19994龚晓南，高有潮深基坑工程设计施工手册 中国建筑工业出版社 19985刘建航，侯学渊基坑工程手册 中国建筑工业出版社 1997图 5横梁弯矩图地 质路 基