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        美蘭機(jī)場隧道明挖基坑支護(hù)優(yōu)化研究

        2016-06-12 09:37:56王永林鐘曙亮石鈺鋒
        鐵道建筑 2016年5期
        關(guān)鍵詞:數(shù)值分析深基坑

        王永林,鐘曙亮,石鈺鋒

        (1.中鐵十七局集團(tuán)有限公司,山西太原 030032;2.南昌市重點工程管理辦公室,江西南昌 330038;3.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西南昌 330013)

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        美蘭機(jī)場隧道明挖基坑支護(hù)優(yōu)化研究

        王永林1,鐘曙亮2,石鈺鋒3

        (1.中鐵十七局集團(tuán)有限公司,山西太原030032;2.南昌市重點工程管理辦公室,江西南昌330038;3.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西南昌330013)

        摘要針對美蘭機(jī)場隧道明挖基坑原支護(hù)設(shè)計耗材多、投資大,施工空間小、效率低等缺點,提出一種上部采用拉力分散型錨索,下部采用鋼管內(nèi)支撐的綜合支護(hù)方案,并采用有限元軟件ABAQUS建立二維數(shù)值模型模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后基坑施工過程,分析支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表變形規(guī)律。結(jié)果表明:優(yōu)化前后坑底隆起值變化不明顯;優(yōu)化后臨近土體沉降量和圍護(hù)樁頂水平位移值都有所增大,但均在安全范圍內(nèi)。將優(yōu)化后的方案運(yùn)用到工程試驗段中,克服了原支護(hù)方案的缺點。監(jiān)測結(jié)果驗證了數(shù)值分析結(jié)果。關(guān)鍵詞深基坑;內(nèi)支撐優(yōu)化;數(shù)值分析;監(jiān)測對比

        近幾十年來,基坑工程不斷呈現(xiàn)出大、深、復(fù)雜等特點。由于地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等工程條件不同,基坑施工方式也不盡相同,其中明挖法是最常見的方式之一。在明挖過程中,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周圍地表變形一直備受關(guān)注。目前國內(nèi)學(xué)者對基坑支護(hù)變形問題進(jìn)行了諸多研究[1-8],同時也有不少學(xué)者針對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究。徐楊青[9]論述了深基坑工程的優(yōu)化設(shè)計原理,提出了幾種設(shè)計思想和優(yōu)化設(shè)計的主要途徑和方法;趙洪波等[10]通過將支持向量機(jī)與微粒群算法結(jié)合,提出了基坑支護(hù)設(shè)計優(yōu)化的新方法,并詳細(xì)敘述了其實施過程;馮玉國等[11]針對深基坑支護(hù)方案優(yōu)化中各指標(biāo)的不相容性和信息不完全性,提出基于灰色物元分析的深基坑支護(hù)方案優(yōu)化模型;林楓[12]結(jié)合工程實例,對基坑圍護(hù)體系的設(shè)計方案進(jìn)行了比選優(yōu)化,分析了優(yōu)化前后支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

        本文針對美蘭機(jī)場隧道明挖基坑支護(hù)設(shè)計中耗材多、投資大、施工空間小、效率低等特點,提出一種上部采用拉力分散型錨索,下部采用鋼管內(nèi)支撐的綜合支護(hù)方案;利用ABAQUS有限元分析軟件建立二維數(shù)值模型模擬開挖過程,分析優(yōu)化前后支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形規(guī)律;并將該方案運(yùn)用到實際工程中,取得了較好效果,可供其他類似工程參考。

        1 工程概況

        美蘭機(jī)場隧道位于海南省海口市美蘭機(jī)場范圍內(nèi),全長4. 6 km(包括美蘭機(jī)場車站長536 m),隧道采用明挖順作法施工,是目前國內(nèi)最長的明挖隧道?;娱_挖最大深度19. 33 m,最大寬度43. 96 m,緊鄰機(jī)場路、導(dǎo)航塔及其它機(jī)場設(shè)施,地表沉降要求高。巖性自上而下分別為粉質(zhì)黏土、中粗砂、黏土、中粗砂、貝殼碎屑巖、玄武巖,主要以砂層為主,厚度6~10 m,具體參數(shù)見表1。地下水主要以微承壓水為主,地下水位高。全隧預(yù)測最大涌水量65 000 m3/d。砂層厚、地下水位高導(dǎo)致基坑開挖難度大,施工困難。

        表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

        2 基坑支護(hù)設(shè)計方案

        2. 1原方案

        原設(shè)計方案見圖1。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+止水旋噴樁。鉆孔灌注樁的直徑為1. 0 m,樁間凈距0. 2 m;旋噴樁直徑800 mm,旋噴樁設(shè)于鉆孔灌注樁之間,旋噴樁與鉆孔灌注樁咬合15 cm,與鉆孔灌注樁共同形成止水帷幕?;觾?nèi)部橫向由4道φ609 mm(壁厚16 mm)鋼管支撐和I56a雙拼工字鋼圍檁組成,橫向間距4~5 m,縱向間距4 m。

        圖1 原基坑支護(hù)設(shè)計方案

        原設(shè)計方案存在不足:①受鋼支撐體系影響,開挖和出砟比較困難,同時加大了工程成本,很難滿足工期要求;②對鋼材的需求量較大(全隧約需4萬t),而海南島內(nèi)原材料相對匱乏,全部從內(nèi)地運(yùn)進(jìn),成本高,若不能及時運(yùn)到工地,則會影響施工工期;③受多層鋼支撐影響,混凝土襯砌要分地板、邊墻和拱部3次澆筑完成,不能使用整體臺車,造成工序顯著增加,且對混凝土的整體性與受力均有不同程度的影響。

        2. 2優(yōu)化方案

        針對上述問題,對原設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后方案見圖2。即鋼支撐由樁錨代替(即第1、第2排鋼支撐由預(yù)應(yīng)力錨索代替),錨索采用一樁一錨,為拉力分散型錨索。錨索設(shè)計參數(shù)見表2、表3。全隧共有3 086 m可采用樁錨綜合方案。若該方案能成功實施,不僅能大大節(jié)約投資成本,加大作業(yè)空間,而且可減少作業(yè)工序,方便施工,確保工期。

        圖2 優(yōu)化后基坑支護(hù)設(shè)計方案

        表2 錨索分段設(shè)計參數(shù)

        表3 基坑錨索設(shè)計參數(shù)

        3 有限元模擬與分析

        為確定樁錨方案的可行性及錨固體與巖土體的摩阻強(qiáng)度,驗證錨索設(shè)計參數(shù)以及施工工藝的合理性,首先選取典型斷面建立二維數(shù)值模型模擬開挖過程,分析支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形規(guī)律,同時選擇DK17 + 000—DK17 + 290段作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計試驗段進(jìn)行現(xiàn)場施工。

        3. 1數(shù)值計算模型

        研究基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬14 m,深15 m,圍護(hù)樁長24. 3 m,第1道錨索距冠梁頂1. 5 m,第2道錨索距第1道錨索4 m,錨索與水平線夾角15°。鋼管支撐距第2道錨索4 m。運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型進(jìn)行分析,見圖3。

        3. 2計算參數(shù)的選取

        根據(jù)地質(zhì)勘查報告提供的試驗數(shù)據(jù),基坑周圍土層具體參數(shù)見表1。由于圍護(hù)樁間距較小,且中間又有旋噴樁咬合,將圍護(hù)樁簡化等效成板樁,板樁彈性模量按下式計算。

        式中:Ep為樁的彈性模量;Es為土體等效彈性模量;u為樁中心間距,d為樁徑。

        圍護(hù)樁采用C40混凝土,經(jīng)計算等效為板樁,彈性模量為32. 5 GPa,泊松比為0. 33,錨索、鋼管支撐采用線彈性梁單元模擬,彈性模量分別為195,210 GPa,泊松比分別為0. 33,0. 22。在工程開挖前15 d采取降水措施,數(shù)值模擬不考慮地下水的影響。

        3. 3邊界條件及施工過程模擬

        模型上邊界為自由邊界,左右邊界約束水平位移,底部邊界約束水平和豎向位移。樁與土體之間采用面面接觸,法向為硬接觸,切向為庫倫摩擦,摩擦系數(shù)為0. 2。根據(jù)錨索、鋼支撐與板樁實際連接特點,此處將三者之間的連接設(shè)置為綁定約束。

        優(yōu)化后施工步驟:①計算樁土結(jié)合模型的自重應(yīng)力場,輸出節(jié)點應(yīng)力作為初始應(yīng)力文件保存;②導(dǎo)入節(jié)點初始應(yīng)力,計算自重應(yīng)力場平衡;③激活板樁梁單元;④鈍化第1層土體單元;⑤激活第1層錨索單元;⑥鈍化第2層土體單元;⑦激活第2層錨索單元;⑧鈍化第3層土體單元;⑨激活鋼管支撐單元;⑩鈍化第4層土體單元,施工完成;○11對結(jié)果進(jìn)行查看分析。優(yōu)化前施工步驟與優(yōu)化后相似,將⑤、⑦步改為激活鋼支撐,不再贅述。

        3. 4計算結(jié)果與分析

        3. 4. 1基坑豎向變形與樁后地表沉降

        由圖4可以看出,基坑開挖完成后,由于卸荷效應(yīng)基坑底部隆起顯著,優(yōu)化前后最大隆起值分別為39. 28,38. 53 mm,相差并不明顯。優(yōu)化前后樁后地表沉降曲線均呈“勺”形,但隨著基坑開挖深度的增加,變化趨勢明顯不同(圖5)。由于錨索支護(hù)屬于柔性支護(hù),鋼管支撐屬于剛性支護(hù),當(dāng)基坑開挖至深3,7 m時優(yōu)化前鄰近樁附近的土體有隆起現(xiàn)象,可能是由于基坑開挖初期樁體隆起帶動了鄰近地表略微隆起。優(yōu)化后鄰近樁體地表有明顯下沉,其原因可能是柔性支護(hù)樁體向基坑內(nèi)發(fā)生懸臂傾斜,使得鄰近土體下沉。開挖完成后,樁后地表沉降最大值分別為:優(yōu)化前8. 5 mm,優(yōu)化后12. 8 mm。優(yōu)化后鄰近土體沉降變大,但都在安全、可控范圍內(nèi)。

        圖4 優(yōu)化前后土體豎向變形云圖

        圖5 優(yōu)化前后樁后地表沉降曲線

        3. 4. 2樁體水平位移

        支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后樁體水平位移云圖見圖6。優(yōu)化前后樁體水平位移變化曲線見圖7。

        圖6 優(yōu)化前后樁體水平位移云圖

        由于基坑開挖后基坑內(nèi)外土體存在高差對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生土壓力,使樁體向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生側(cè)移。由圖6可見,支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后樁體的最大水平位移均出現(xiàn)在基坑底部偏上。由圖7可見,優(yōu)化前后開挖深度不大時樁體均呈懸臂形,當(dāng)基坑開挖深度超過3 m后樁體呈“弓”形;優(yōu)化前后樁體最大水平位移分別為17. 98,32. 73 mm,表明優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)對樁體水平位移極為不利,在施工中應(yīng)該引起注意。

        3. 4. 3模擬計算值與實測值的對比

        將優(yōu)化后的方案用于施工,并對樁體的水平位移進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果和模擬計算結(jié)果對比如圖8。由圖可知:監(jiān)測值與模擬計算值較接近。監(jiān)測值略大于模擬計算值,原因可能是建模過程中對實際施工過程進(jìn)行了部分簡化,并未考慮車輛等移動荷載的作用。在整個試驗段開挖過程中,樁體變形以及樁后地表沉降均在預(yù)警值范圍之內(nèi)??梢娫搩?yōu)化方案可行。

        圖7 優(yōu)化前后樁體水平位移變化曲線

        圖8 樁體水平位移的模擬計算值與實測值對比

        4 結(jié)論

        1)在該深基坑工程中,優(yōu)化前后樁后地表沉降曲線均呈“勺”形,雖然優(yōu)化后最大沉降比優(yōu)化前最大沉降略大(4. 3 mm),但地表沉降均在合理范圍內(nèi),且采用優(yōu)化后方案可節(jié)約投資成本,加快施工進(jìn)度,確保工期。

        2)優(yōu)化前后樁體水平位移曲線在開挖深度不大時呈懸臂形,開挖深度超過3 m后呈“弓”形,上錨下?lián)尉C合支護(hù)下樁體水平位移明顯大于鋼管支撐支護(hù)下樁體水平位移,說明柔性支護(hù)下樁體水平位移較大,設(shè)計及施工過程中均需加以注意。

        3)樁體水平位移的模擬計算值與現(xiàn)場實測值吻合較好,表明該方案可行。建議應(yīng)用到其他開挖段。

        參考文獻(xiàn)

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        (責(zé)任審編葛全紅)

        Optimization Study on Foundation Pit Support of Meilan Airport Tunnel

        WANG Yonglin1,ZHONG Shuliang2,SHI Yufeng3
        (1. China Railway 17 Bureau Group Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030032,China;2. Nanchang Key Project Management Office,Nanchang Jiangxi 330038,China;3. College of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang Jiangxi 330013,China)

        AbstractAs for the foundation pit support of M eilan Airport tunnel,there are problems including over-consumed materials,large investment,limited construction space and low efficiency. T o solve these problems,the support was optimized,top-supporting with tension-distributed anchoring cable and inner-supporting with steel pipes. W ith ABAQUS,a two-dimensional finite element model was built to simulate the construction,analyze the deformation of structure and foundation. T he results show that with optimized support the upheaval is not significant while the settlement and horizontal displacement at retaining top increase within the allowable range. T he optimized program applied to the trial section solved the mentioned problems. T he monitoring results validated the numerical simulation.

        Key wordsDeep foundation pit;Inner support optimization;Numerical analysis;M onitoring and comparison

        中圖分類號TU753;U455. 4

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

        DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 28

        文章編號:1003-1995(2016)05-0126-05

        收稿日期:2015-12-10;修回日期:2016-03-20

        作者簡介:王永林(1984—),男,工程師。

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