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        城市中心區(qū)地鐵深基坑鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)應(yīng)用研究

        2021-10-18 09:23:42
        工程質(zhì)量 2021年8期
        關(guān)鍵詞:變形水平

        史 劍

        (江蘇東印智慧工程技術(shù)研究院,江蘇 南京 210000)

        0 引言

        隨著城市的建設(shè)發(fā)展,土地資源稀缺,地上地下結(jié)構(gòu)物十分密集已成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。面對(duì)基坑施工過(guò)程中周邊既有道路、橋梁、地鐵等建、構(gòu)筑物,基坑變形控制已成為城鎮(zhèn)化進(jìn)程的一個(gè)剛需。已有研究[1-3]指出,基坑變形按時(shí)間順序可分為:基坑開(kāi)挖前的變形、基坑開(kāi)挖至底板施工完畢期間的變形、底板澆筑后的變形;其中開(kāi)挖階段安全問(wèn)題最突出,變形最大,此階段變形控制是深基坑變形控制的重點(diǎn)。而鋼支撐是開(kāi)挖階段維護(hù)基坑穩(wěn)定的一項(xiàng)重要措施,在基坑工程中起到至關(guān)重要的作用。

        傳統(tǒng)鋼支撐在深基坑支護(hù)過(guò)程中主要面臨以下實(shí)際問(wèn)題:①傳統(tǒng)鋼支撐在安裝時(shí)采用液壓設(shè)備施加預(yù)應(yīng)力,打入鋼楔塊進(jìn)行鎖定,鎖定過(guò)程中即產(chǎn)生軸力損失,且后續(xù)無(wú)法調(diào)整;②傳統(tǒng)鋼支撐軸力變化取決于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形,處于被動(dòng)受力狀態(tài);③傳統(tǒng)鋼支撐補(bǔ)償具有滯后性,補(bǔ)償時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移無(wú)法得到控制[4]。鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)[5-7]是由硬件設(shè)備及軟件程序組成的一套智能控制系統(tǒng),它的工作原理是利用鋼支撐軸力補(bǔ)償裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼支撐系統(tǒng)中的活絡(luò)頭,由液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)對(duì)千斤頂壓力進(jìn)行調(diào)整。通過(guò) 24 h 監(jiān)控并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)低壓自動(dòng)伺服,高壓自動(dòng)報(bào)警,進(jìn)行位移與軸力雙控,能夠有效地減少因鋼支撐補(bǔ)償滯后引起的變形。

        本文以南京地鐵 5 號(hào)線中心城區(qū)山西路站基坑開(kāi)挖鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)應(yīng)用為例,分析基坑開(kāi)挖階段鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)下基坑變形及周邊建構(gòu)筑物沉降控制效果。

        1 案例分析

        1.1 工程概況

        圖 1 為南京地鐵 5 號(hào)線山西路站平面布置圖。山西路站沿中山北路跨山西路和湖南路路口布置,中山北路現(xiàn)狀寬度 40 m。山西路和湖南路現(xiàn)狀寬分別寬 33 m和 34 m。車站為地下 2 層島式車站,站臺(tái)寬12 m,站后設(shè)單停車線。主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬 21.1 m,端頭井寬 25.3 m。車站共設(shè) 4 個(gè)出入口、2 個(gè)風(fēng)亭、2 個(gè)消防疏散口,其中 1 號(hào)、2 號(hào)出入口由“湖南路商業(yè)街”代建。車站南端(小里程端)一側(cè)盾構(gòu)始發(fā),一側(cè)盾構(gòu)接收;停車線段設(shè)盾構(gòu)始發(fā)井,北端(大里程端)盾構(gòu)接收。

        圖1 山西路站總平面圖

        山西路站為車站起迄里程為 K30+702.733~K31+215.733,總長(zhǎng) 513 m,站臺(tái)寬度 12 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度 21.1 m,底板埋深 16.94 m。根據(jù)建筑布置和使用功能的要求,該站采用兩層單柱雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)。

        1.2 水文地質(zhì)概況

        擬建場(chǎng)地處于秦淮河漫灘平原區(qū),砂土、軟土發(fā)育,工程地質(zhì)條件一般。圖 2 所示為山西路站地質(zhì)情況剖面圖。從圖中可以看出,場(chǎng)地內(nèi)地層從上到下依次為:①-1 雜填土層、①-2 素填土層、②-1d3 層粉砂、②-2b 3-4 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②-4b 2 層粉質(zhì)黏土、③-1b2 層粉質(zhì)黏土、③-3b3 層粉質(zhì)黏土、③-4b2 層粉質(zhì)黏土(主要分布單渡線段)、③-4-1e 含卵礫石粉質(zhì)黏土、③-4-2e 中粗砂含卵礫石(主要分布單渡線段)、J3l-2 層強(qiáng)風(fēng)化巖、J3l-3 層中風(fēng)化巖。車站主體結(jié)構(gòu)基底土層主要為 ②-2b3-4 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及 ②-4b2可塑粉質(zhì)黏土,巖土層工程特性差異較明顯?;鶐r面埋深起伏變化較大,中部淺、兩端深。

        圖2 山西路站地質(zhì)剖面圖

        地下水穩(wěn)定水位埋深 0.50~2.80 m,平均高程 8.96 m,場(chǎng)地地下水位年變化幅度 1.0 m 左右。場(chǎng)地③-4-2e 層承壓水水頭埋深 1.50 m,高程為 9.08 m。含水層常年有水,水頭標(biāo)高略低于潛水穩(wěn)定水位,與潛水含水層聯(lián)系弱。

        1.3 周邊建筑物概況

        南京地鐵 5 號(hào)線山西路站位于中心城區(qū),周邊敏感建筑較多,且建筑年代基礎(chǔ)形式不一。根據(jù)南京市關(guān)于地鐵建設(shè)沿線房屋安全管理的相關(guān)規(guī)定,對(duì)秦淮河漫灘區(qū)≥ 2 倍基坑深度為主要影響范圍進(jìn)行臨近建筑物狀況調(diào)查,結(jié)果如表 1 所示,其中 H 為山西路站基坑深度。從表中可以看出,山西路站周邊建筑物年代久遠(yuǎn),大量低層建筑物基礎(chǔ)形式不明,對(duì)基坑開(kāi)挖與周邊環(huán)境保護(hù)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。

        表1 山西路站主體結(jié)構(gòu)主要臨近建筑物狀況描述表

        2 開(kāi)挖工況及伺服支撐實(shí)施方案

        車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐型式。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用 0.8 m 的地下連續(xù)墻。由于車站處于市中心,為保障社會(huì)交通,車站主體結(jié)構(gòu)基坑開(kāi)挖采用半蓋挖法施工。標(biāo)準(zhǔn)段基坑豎向設(shè) 4 道支撐,第一道支撐為鋼筋混凝土支撐,第二、三、四道支撐采用φ800 mm 鋼支撐。山西路站主體地下連續(xù)墻及第一道鋼筋混凝土支撐施工于 2019 年 1 月 20 日完成,主體基坑于 3 月 30 日- 4 月 3 日完成第 2 層土方開(kāi)挖并架設(shè)鋼支撐;4 月 3 日- 4 月 28 日完成第 3 層土方開(kāi)挖并架設(shè)鋼支撐;4 月 25 日- 6 月 13 日完成第 4 層土方開(kāi)挖。

        為保護(hù)主體基坑 25~32 軸人和街民宅,主體基坑第二~四道 74~92 采用支撐軸力伺服系統(tǒng),共計(jì) 57 根。軸力伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)在于它可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)油缸長(zhǎng)度來(lái)彌補(bǔ)鋼支撐的壓縮量,主動(dòng)控制地下墻的位移。基坑伺服鋼支撐段平、縱剖面圖分別如圖 3 和圖 4 所示,伺服段全部為φ800 mm 伺服支撐,總共 57 根,每 8 根伺服鋼支撐共用 1 臺(tái)數(shù)控泵站,所需泵站數(shù)量共計(jì) 8 臺(tái)。因場(chǎng)地關(guān)系,泵站沿南邊靠圍擋放置。伺服支撐于 4 月 1 日隨基坑開(kāi)挖后開(kāi)始安裝,6 月 13 日安裝完畢。具體伺服鋼支撐安裝時(shí)間如表 2 所示。

        圖3 基坑鋼支撐及泵站平面布置圖(單位:mm)

        圖4 基坑伺服鋼支撐縱剖面圖

        表2 山西路站基坑伺服支撐安裝時(shí)間表

        3 伺服鋼支撐數(shù)據(jù)分析

        基坑開(kāi)挖過(guò)程中伺服支撐段鋼支撐軸力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及周圍建筑物監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖如圖 5 所示。圖 6 所示為隨著基坑開(kāi)挖與支撐施工伺服支撐段測(cè)斜孔所測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移深層水平位移曲線。表 3 所示為開(kāi)挖過(guò)程中伺服支撐段對(duì)應(yīng)位置測(cè)斜孔所測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移。根據(jù)施工監(jiān)測(cè)深層水平位移數(shù)據(jù)可以看出,伺服支撐段圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移 16.01 mm,位移深度比 1.0 ‰。

        表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移匯總

        圖5 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

        基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值主要發(fā)生在第 3 層及第 4 層位置,總體結(jié)構(gòu)變形不大。伺服鋼支撐位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移處于穩(wěn)定、可控狀態(tài)。由于第 3 層到第 4 層 位置開(kāi)挖后架設(shè)支撐不及時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)支撐暴露時(shí)間較長(zhǎng),變形由此增大。這主要是由于支撐未及時(shí)架設(shè)導(dǎo)致坑底土體的應(yīng)力水平相對(duì)較高,土體在較高應(yīng)力水平下經(jīng)歷了蠕變的高速發(fā)展。

        圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜孔水平位移曲線

        表 4 和表 5 分別給出了伺服支撐在各級(jí)施工工況下的軸力及對(duì)應(yīng)深度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移典型數(shù)據(jù)。第 2 層土方開(kāi)挖伺服支撐控制范圍內(nèi)的水平位移被控制在 3 mm 之內(nèi);第 3 層土方開(kāi)挖伺服支撐控制范圍內(nèi)的水平位移被控制在 0 mm 之內(nèi);第 4 層土方開(kāi)挖伺服支撐控制范圍內(nèi)的水平位移被控制在 3 mm 之內(nèi)。隨著基坑開(kāi)挖與支撐,施工伺服支撐段各級(jí)支撐對(duì)應(yīng)深度處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨時(shí)間變化典型曲線測(cè)斜孔深層水平位移曲線如圖 7 所示。伺服鋼支撐安裝后,支撐所在高度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移呈有明顯收斂趨勢(shì)。隨著伺服支撐的架設(shè),變形處于穩(wěn)定狀態(tài)?;又ёo(hù)結(jié)構(gòu)在支撐暴露期間的變形得到了較好的控制。

        圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各測(cè)斜孔水平位移-時(shí)間曲線

        表4 ZQT 16 測(cè)斜孔處伺服鋼支撐軸力及水平位移數(shù)據(jù)表

        表5 ZQT17 測(cè)斜孔處伺服鋼支撐軸力及水平位移數(shù)據(jù)表

        基坑開(kāi)挖階段房屋沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖 8 所示。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大為 16.01 mm,房屋最大沉降為 31.05 mm,差異沉降不明顯,滿足基坑變形控制要求。

        圖8 建筑物沉降變化曲線圖

        4 結(jié)論

        南京地鐵 5 號(hào)線山西路站標(biāo)準(zhǔn)段基坑開(kāi)挖,為保護(hù)周邊敏感建筑物采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)施工。本文通過(guò)分析開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位置、支撐軸力及建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),主要得出以下結(jié)論。

        1)開(kāi)挖期間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大為16.01 mm,房屋最大沉降為 31.05 mm,滿足變形控制要求,鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的應(yīng)用保障了基坑安全高效開(kāi)挖。

        2)開(kāi)挖期間由于鋼支撐未及時(shí)架設(shè)將直接導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和建筑物沉降明顯增大。隨著軸力伺服系統(tǒng)鋼支撐的架設(shè),變形能夠得到及時(shí)控制,之后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        3)通過(guò)伺服鋼支撐主動(dòng)、實(shí)時(shí)調(diào)整支撐軸力能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的控制的有效性和長(zhǎng)期性。Q

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