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        蓋挖逆作法在城市隧道中的應(yīng)用

        2013-09-28 02:24:08袁有為王艷寧史慶春
        城市道橋與防洪 2013年4期
        關(guān)鍵詞:邊樁中樁柱子

        袁有為 ,王艷寧 ,史慶春 ,鄭 剛

        (1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津市 300051;2.天津大學(xué),天津市 300142)

        1 概述

        海河隧道位于天津?yàn)I海新區(qū)于家堡中心商務(wù)區(qū),是中央大道穿越海河的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)工程。過海河段采用沉管法施工工藝,其余岸邊段采用明挖法施工,岸邊部分隧道最大開挖深度約26.6 m。

        考慮到基坑深度及不利的地質(zhì)條件,當(dāng)采用蓋挖逆作法或全逆作法時(shí),必須對(duì)軟土中超深開挖造成的回彈對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)蓋挖逆作法施工全過程中地下連續(xù)墻及中間柱的受力與變形,提出控制柱-柱、墻-柱差異回彈的設(shè)計(jì)、施工控制方案。

        2 三維仿真數(shù)值結(jié)果模擬分析

        利用國際通用有限元軟件ABAQUS對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)中央大道海河遂道北段蓋挖逆作工程的降水開挖全過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析計(jì)算,模型根據(jù)平面應(yīng)變?cè)恚瑢?duì)局部截面采用三維方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析,詳細(xì)分析降水、開挖全過程對(duì)結(jié)構(gòu)工作性狀的影響。

        2.1 模型建立及邊界條件

        根據(jù)平面應(yīng)變?cè)?,取如圖1(a)中陰影部分所示 B1軸和E0軸之間的板帶進(jìn)行三維模擬計(jì)算,因其為對(duì)稱結(jié)構(gòu),又取其一半進(jìn)行計(jì)算,整個(gè)模型共劃分26 061個(gè)單元,采用三維孔壓?jiǎn)卧M。本文模擬步驟按照施工順序共分為27步。其中,前面一些步驟為建立初始條件,包括初始地應(yīng)力,初始靜水壓力,初始接觸條件及約束條件等。后面是與施工步驟一致的降水、開挖等步驟,分析步驟的詳細(xì)情況如表1所列。圖 2和圖3為各開挖步驟的數(shù)值分析模型及網(wǎng)格劃分情況,其中,樁與土之間、地下連續(xù)墻與土之間均設(shè)置了接觸,接觸采用庫侖摩擦模型。

        圖1 模型簡(jiǎn)化

        表1 施工步驟

        圖2 開挖前

        圖3 開挖后

        2.2 計(jì)算結(jié)果分析

        2.2.1 地連墻頂及樁頂豎向位移

        如圖4所示為地連墻頂、邊樁頂和中樁頂?shù)幕貜椫惦S施工工況進(jìn)行的發(fā)生發(fā)展情況。

        圖4 地連墻頂、邊樁頂、中樁頂位移曲線

        從圖4中可以看出:

        總體上來說,地連墻、邊樁及中樁都處于回彈狀態(tài),地連墻的豎向位移小于樁位移,中樁位移大于邊樁位移,當(dāng)開挖到坑底時(shí),中樁回彈 10.6 mm,邊樁回彈 8.0 mm,地連墻回彈 4.0 mm。

        降水會(huì)使得地連墻和樁向下位移,但降水直接引起的地連墻和樁向下的位移值很小。圖4中第三步開挖與第四步降水的位移值相差較大,這主要是因?yàn)樵谶@兩步之間,施作了頂板,頂板的自重使得地連墻和樁有向下的較大的位移。同理,第五步開挖與第六步降水之間位移差值較大,主要是因?yàn)橹邪宓淖灾丶釉诹说剡B墻和樁上。雖然降水直接引起的沉降較小,但是降水對(duì)土的壓密作用不可忽視,這對(duì)減小地連墻與樁柱的回彈是有益的。

        施加道路荷載后,雖然地連墻、邊樁、中樁有所下沉,但他們的位移仍表面為回彈,中樁最終位移為 3.2 mm,邊樁為 3.0 mm,地連墻為 0.3 mm。

        2.2.2 頂板及中板的彎矩

        圖5是第七步開挖完成后以及最終施加完道路荷載后的頂板及中板彎矩。

        圖5 地連墻頂、邊樁頂、中樁頂位移曲線

        從圖5中可以看出:

        (1)總體上來看,頂板的彎矩大于中板的彎矩。

        (2)對(duì)于頂板,在有柱子部位,上面受拉;在兩根柱子中間的板,下部受拉。開挖完成時(shí),頂板的最大支座彎矩為288 kNm/m,最大跨中彎矩為139 kNm/m,加完道路荷載后,頂板的彎矩變化很大,最大支座彎矩為428 kNm/m,最大跨中彎矩為574 kNm/m。

        (3)對(duì)于中板,也是在有柱子部位,上面受拉;在兩根柱子中間的板,下部受拉。對(duì)于中板,開挖完成時(shí)和施工完道路荷載后的彎矩幾乎沒有變化,最大支座彎矩為 111 kNm/m,最大跨中彎矩為106 kNm/m。

        2.2.3 頂板及中板的位移

        表2為頂板、中板以及坑底回彈的最大值隨著施工進(jìn)行的變化情況。

        表2 頂板、中板、坑底回彈值

        從表2中可以看出:

        (1)頂板回彈值先增大,當(dāng)中板施工時(shí),頂板下沉。隨著開挖的進(jìn)行,頂板回彈值再增大,最終達(dá) 8.1 mm。隨著底板及道路荷載的施加,頂板回彈值逐漸減小,最終減為 0.1 mm。從整體上看,開挖使得頂板回彈值增大,降水使得頂板下沉,但下沉值很小,可以忽略。

        (2)中板回彈值隨著開挖的進(jìn)行,一直在增大,當(dāng)?shù)谄卟介_挖完成時(shí),中板回彈達(dá)最大值為6.6 mm。隨著底板和道路荷載的施加,中板最終下沉了 1.4 mm。

        (3)坑底的位移是隨著降水開挖過程不斷變化,降水使得坑底下沉,開挖使得坑底回彈。由此可見,降水開挖的過程,對(duì)于土體是壓密、回彈、再壓密、再回彈的連續(xù)過程。當(dāng)?shù)谄卟介_挖完成時(shí),坑底回彈值為69.2 mm。

        2.2.4 地下連續(xù)墻的變形和彎矩

        如圖6所示,分別為地連墻在第三步開挖、第五步開挖和第七步開挖后的水平位移和彎矩。

        圖6 地連墻水平位移和彎矩變化曲線

        從圖6中可以看出:

        (1)地連墻的水平位移隨著開挖的進(jìn)行,不斷增大,深度也不斷增加。當(dāng)?shù)谌介_挖完成后,地連墻位移最大值為28.3 mm,發(fā)生在 11m深度處;當(dāng)?shù)谖宀介_挖完成后,地連墻位移最大值為31.8 mm,發(fā)生在12.6 m深度處;當(dāng)?shù)谄卟介_挖完成后,地連墻的最大位移為33.4 mm,發(fā)生在14.3m深度處。

        (2)地連墻的支座負(fù)彎矩發(fā)生在第一道鋼支撐處。隨著開挖的進(jìn)行,由于水平支撐設(shè)置較密,支座負(fù)彎矩和跨中正彎矩的值變化不大,但跨中變矩深度隨開挖的進(jìn)行不斷加深。當(dāng)開挖第三步時(shí),最大支座負(fù)彎矩為228 kNm/m,最大跨中彎矩為766 kNm/m,發(fā)生在深度9 m處;當(dāng)開挖第五步時(shí),最大支座負(fù)彎矩為251 kNm/m,最大跨中彎矩為947 kNm/m,發(fā)生在深度11.2 m處;當(dāng)開挖第七步時(shí),最大支座負(fù)彎矩為219 kNm/m,最大跨中彎矩為958 kNm/m,發(fā)生在深度13.8 m處。

        2.2.5 柱軸力

        表3為柱子軸力設(shè)計(jì)值隨施工進(jìn)行的變化情況。

        表3 柱子軸力設(shè)計(jì)值(單位:t)

        從表3中可以看出:

        隨著開挖的進(jìn)行,柱子軸力不斷增大,其中第三步與第四之間,第五步與第六步之間,柱子軸力增加較大,主要是因?yàn)榈谌街蠛偷谖宀街?,結(jié)構(gòu)頂板和中板施作,板自重使得柱子軸力增加較大。另外,隨著開挖的進(jìn)行,柱子回彈會(huì)給柱子增加一個(gè)附加軸力,這對(duì)柱子受力是不利的。

        2.2.6 樁身軸力和側(cè)摩阻力

        圖7為開挖完成后和施加道路荷載后,樁身軸力變化曲線。從圖7中可以看出,樁的軸力隨深度增加,先受壓,后受拉,最大拉力為2 830 kN,軸力為先減小后增大,樁身上部受正摩阻力的作用,下部受負(fù)摩阻力的作用,樁身受拉壓交界在深度12 m處,當(dāng)?shù)缆泛奢d施加完成后,樁身軸力變?yōu)槿渴軌骸?/p>

        3 結(jié)論

        圖7 樁身軸力變化曲線

        本文利用大型有限元軟件ABAQUS針對(duì)海河隧道岸邊段深基坑的開挖進(jìn)行了全過程的模擬分析,揭示了支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖、降水等因素影響下的受力及變形情況,對(duì)優(yōu)化工程設(shè)計(jì),確保施工安全,節(jié)省工程造價(jià)等方面起到了積極的作用,同時(shí)也為施工過程中的第三方監(jiān)測(cè)提供了最為詳盡的依據(jù)。

        [1]鄒宏偉.隧道基坑施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及臨近建筑變形的影響分析[J].四川建筑,2012,32(3):125-128.

        [2]鐘濤.隧道基坑支護(hù)工程地質(zhì)分析和方案設(shè)計(jì)[J].城市勘測(cè),2012(2):170-172.

        [3]李斯海,張玉軍.深基坑開挖與支護(hù)過程的平面有限元模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1999,18(03):342-345

        [4]池秀文,付濤,潘杰麟,林馳,汪淑平,蔡光煌.武漢首義廣場(chǎng)隧道基坑支護(hù)與監(jiān)測(cè)[J].施工技術(shù),2011,40(341):64-66.

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