武汉地铁2号线江汉路站围护结构比选董俊(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉430063)摘要:根据武汉地铁2号线江汉路站的地质条件,给出了基坑围护结构的两种设计方案:地下连续墙-排桩组合方案和全地下连续墙支护方案,通过有限元模拟了两种围护方案下基坑开挖过程中围护结构的响应,结果表明:排桩-地下连续墙围护结构变形严重不对称,地下连续墙变形较大;全地下连续墙围护结构变形合理,变形值满足规范要求,从而确定全地下连续墙为最终支护方案,为类似工程设计提供参考。

关键词:深基坑,围护结构,排桩,地下连续墙,有限元法中图分类号:T U473文献标识码:B文章编号:1004-3152(2011)03-0013-041工程概况武汉地铁2号线江汉路站与商业用房同时建设,地面建筑覆盖整个基坑,其地上为7层框架结构,地面建筑总高度约30m(商业用房,层高较高);地下结构分车站和物业开发两部分,车站部分基础采用一柱多桩(钻孔灌注桩),物业开发部分基础采用一柱一桩(扩底桩);物业部分最大柱下轴力16 MN,车站部分最大柱下轴力21M N。

车站部分基坑深度约24m,物业开发部分基坑深度约16m;整个地下结构的围护结构同步施工,分期开挖,即在统一围护结构内,先施工车站部分的主体结构,采用明挖顺做,车站主体结构施工完毕后再施工物业开发部分。

本文主要针对车站部分的基坑围护结构设计展开研究,采用有限元法对基坑的开挖过程进行模拟,分析基坑开挖过程中支撑的内力和地下连续墙的变形问题,并以此评价设计方案。

2设计方案的提出2.1排桩)地下连续墙围护方案整个基坑范围,分期开挖,即先明挖顺做车站部分主体结构,然后再逆做施工物业。

先开挖的车站部分和后开挖的物业部分用灌注桩(深40m)隔开,即明挖车站部分左线采用连续墙(深60~65m)作为围护结构,右线采用钻孔灌注桩作为围护结构。

基坑土体加固情况如下:(1)车站局部外挂三层基坑底采用5850@600三重管高压旋喷桩进行加固处理,加固方式采用裙边+抽条形式,加固深度为基坑开挖底面以下3m,置换率为83.0%。

(2)桩后土体采用5850@600三重管高压旋喷桩加固,加固方式结合各道对撑的布置形式采用抽条形式,加固至桩体后方外围连续墙,加固土体范围从场地平整标高至坑底标高,置换率为23.5%。

该方案的平面设计简图如图1(a)所示。

图1基坑围护结构平面图收稿日期:2011-03-02作者简介:董俊,男,1980年生,工程师,地下工程设计和研究工作。

2.2 全地下连续墙围护方案该方案中,明挖车站部分两侧均采用连续墙(60~65m)作为围护结构,避免了先施工车站部分两侧降水不平衡的问题;物业部分连续墙(原60m)缩短至30m,仅保留方案一提出的车站局部外挂三层基坑底加固,其他加固取消。

该方案的平面设计简图如图1(b)所示,图中,¹表示地下连续墙,º表示排桩。

3 方案计算3.1 计算断面和计算模型在有限元计算中,根据相关文献[1~3],结合工程实际,选用典型断面进行数值模拟计算[4,5],通过计算来分析基坑开挖过程中围护结构的变形和内力。

3.2 有限元模型建立本计算按平面应变模型计算,有限元模型如图2所示,图中a 表示地下连续墙,b 表示坑底桩,c 表示排桩,d 所在的区域表示加固区。

计算采用三角形15节点单元,岩土材料的本构模型采用各向同性H S(H arding So il)硬化弹塑性本构模型。

图2 4-4断面计算模型3.3 计算模型中参数的选取(1)土体参数根据地质勘察报告,计算所采用的土体参数如表1所示。

表1 土体参数土体分类厚度(m )重度C (k N/m 3)压缩模量E s (M Pa)有效粘聚力c '(kPa)有效内摩擦角U '(b )杂填土 2.718.621020素填土 2.518.8428.831.2淤泥 2.517.421410粘土 2.418.7 6.52016.8粉质粘土 4.019.1 6.027.929.9粉质粘土、粉土、粉砂互层 5.21982035粉细砂29.919.314039含砾中粗砂 3.519.615035强风化泥岩1225.3214525中风化泥岩-25.52510030加固土体参数-201003025(2)加固区等效土体参数确定根据加固方案,后开挖物业区域采用抽条加固,加固范围从地表至基坑底,置换率m =23.5%;加固后土体参数可按下式进行计算:C加固后=max {C 加固前,m C 加固体+(1-m)C 加固前}(1)c 加固后=max {c 加固前,mc 加固体+(1-m)c 加固前}(2)U 加固后=max {U 加固前,arctan [m U 加固体+(1-m)U加固前]}(3)E s 加固后=max {E s 加固前,mE s 加固体+(1-m)E s 加固前}(4)根据式(1)~式(4)可得出加固后土体的参数,如表2所示。

表2 加固后土体计算参数加固类型加固范围内土体类型重度C(k N/m 3)压缩模量E s(M Pa)有效粘聚力c '(kPa)有效内摩擦角U '(b )杂填土(1-1)18.925.014.721.2后开素填土(1-2)19.126.629.131.2挖物淤泥(1-3)18.025.017.813.7业区粘土(3-1)19.028.522.418.8域抽粉质粘土(3-2)19.328.128.429.9条加粉质粘土、粉土、粉砂互层(3-5)19.229.622.335固粉细砂(4-2)19.534.27.06395-5断面浅坑加固粉质粘土、粉土、粉砂互层(3-5)19.885.428.33514土 工 基 础 2011(3)内支撑等效参数确定围护结构采用5道内撑,第1~4道为钢筋混凝土支撑,第5道为钢支撑。

支撑深度依次为2.35、8.10、12.6、15.6和20.3m。

对于圆形钢支撑,基坑支撑的轴向抗压刚度可用下式进行计算:EA=E P(D2-d2)/(4LS)(5)式中:D为钢支撑的外径;d为钢支撑的内径;S为钢支撑的纵向间距;L为支撑长度。

对于矩形混凝土支撑,其轴向抗压刚度可用下式进行计算:EA=E bh/(LS)(6)式中:b为混凝土支撑的宽度;h为混凝土支撑的高度。

其中混凝土弹性模量取E=31.5GPa,钢材的弹性模量E=200GPa。

4计算结果及分析4.1排桩)地连墙方案计算结果通过有限元计算,开挖至坑底时的支撑内力从上到下分别为190.21kN/m(第1道混凝土撑)、592.89kN/m(第2道混凝土撑)、668.96kN/m(第3道混凝土撑)、1300.0kN/m(第4道混凝土撑)、875.10kN/m(第5道钢支撑),支撑轴力全部受压。

地下连续墙水平变形如表3所示。

表3围护结构变形施工步序加固后水平位移(mm)左灌注桩右连续墙开挖至2.35m 3.14 3.83开挖至8.10m 3.8011.27开挖至12.6m 3.9116.31开挖至15.6m 3.3219.88开挖至20.3m 2.7830.14开挖至23.82m-3.1136.59拆除第5道支撑 2.6938.82拆除第4道支撑 2.7839.19拆除第3道支撑-2.9139.18拆除第2道支撑-3.7339.21拆除第1道支撑 2.5439.21注:表中水平位移向坑内为正,向坑外为负。

从表3可以看出,加固后左侧灌注桩变形很小,其最大变形发生在顶部,拆除第2道支撑时,向外侧倾斜,变形量仅为3.73mm。

但是地下连续墙发生了较大位移,连续墙最大位移发生在坑底位置,为39.21mm,非常接近围护结构变形限值40m m。

同时从表3还可以看出:基坑的整个围护结构变形极不对称,这表明围护结构整体刚度严重不对称,虽然从理论上说可以通过增大内撑刚度或增多内支撑层数,减小地下连续墙的水平位移,但这会带来施工不便和材料的浪费,同时拆除支撑时会增加地下连续墙的位移,效果不一定明显。

4.2全地连墙方案计算结果车站开挖至坑底时的支撑内力从上到下分别为428.13kN/m(第1道混凝土撑)、757.61kN/m(第2道混凝土撑)、735.20kN/m(第3道混凝土撑)、2000.0kN/m(第4道混凝土撑)、390.6kN/m(第5道钢支撑),支撑轴力全部受压。

地下连续墙在施工过程中的变形如表4所示。

表4围护结构变形施工步序说明车站部分围护结构变形(mm)左地连墙右地连墙车站开挖至2.35m10.339.38车站开挖至8.10m15.6212.27车站开挖至12.6m19.5114.13车站开挖至15.6m21.3514.88车站开挖至20.3m26.4720.42车站开挖至23.82m34.9030.31车站拆除第5道支撑35.7531.12车站拆除第4道支撑35.8831.22车站拆除第3道支撑35.6430.90车站拆除第2道支撑35.6730.91车站拆除第1道支撑35.6930.93从表4可以看出,开挖至基坑底之后,拆撑对围护结构变形的影响较小。

在车站施工过程中右侧连续墙最大水平位移发生在拆除第4道支撑的工况,最大水平位移为35.88mm(距地表21.18m处),对应的左侧连续墙水平位移为31.22m m(距地表21.18m处)。

该方案基坑围护结构变形对称、合理,基坑围护结构最大变形小于限值40mm,且最大变形值小于/排桩)地连墙0方案中围护结构的最大变形值。

综上所述,全连续墙基坑围护方案更为合理。

5结论针对江汉路车站的工程实际,提出了两种设计方案,并对其进行了对比分析,主要的结论如下:15第3期董俊:武汉地铁2号线江汉路站围护结构比选(1)建立了合理的有限元计算模型。

根据工程实际,选取了典型计算断面,进行了结构和加固区的参数等效,并考虑了基坑施工过程中降水对围护结构受力的影响,在此基础上进行了基坑开挖过程的数值模拟。

(2)有限元计算结果表明:在基坑开挖过程中,排桩)地下连续墙组合围护方案中围护结构变形严重不对称,主要原因是桩后土体的加固造成了围护结构体系整体刚度严重不对称;全地下连续墙围护方案中,围护结构变形对称合理,建议在类似的地质条件下,优选全地下连续墙方案,保证基坑开挖过程中整个围护结构变形对称合理,便于发挥支撑的作用。

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