基坑開挖過程圍護結構穩(wěn)定性分析與應用

張 拴 牢

(中鐵十二局建安公司，山西 太原 030024)

基坑開挖過程圍護結構穩(wěn)定性分析與應用

張 拴 牢

(中鐵十二局建安公司，山西 太原 030024)

由于蘇州火車站基坑開挖面積與深度較大,為確保施工安全，通過ANSYS有限元軟件計算對圍護結構在開挖過程各階段基坑穩(wěn)定性進行了評價，并通過計算分析結果，得知鋼結構支撐能有效地減小墻體應力應變，作用明顯，從而制定了基坑開挖的具體施工方法與支撐施工要求。

基坑，開挖，有限元，穩(wěn)定性，分析，應用

1 工程概況

蘇州火車站站房工程由南側普速站房、北側城際站房和跨線高架候車廳三部分組成，地下3層，地上2層，總建筑面積85 717 m2，其中地上建筑為54 445 m2，地下空間部分為31 272 m2，地下2層，3層為地鐵車站。車站主體圍護結構及出入口、風井圍護結構設計為地下連續(xù)墻，墻體厚度0.8 m，深度33 m～57 m。2號線車站、4號線-1層車站、風亭及3號，4號出入口采用明挖順作法施工，共需開挖外運土方63 541 m3，其中主體結構處挖土22 843 m3，出入口基坑開挖土40 698 m3。4號線地下2層，3層采用逆作法施工，需開挖外運土方86 456 m3。天火風井、火三風井各需開挖外運土方12 227.34 m3。

2 建模與計算

2.1 建立模型

按照結構施工圖建立的結構ANSYS分析有限元計算模型如圖1所示。地下連續(xù)墻、柱、冠梁模型中均采用Soild45實體單元，支撐采用Beam4單元模擬，取C30混凝土材料的彈性模量3×1010N/m，泊松比為0.2。

整體結構主要由五部分組成，分析計算時將結構分區(qū)，分別對各個區(qū)進行計算，結構分區(qū)見圖2，其中二期施工區(qū)西區(qū)及東區(qū)對稱。

2.2 有限元計算

2.2.1 一工區(qū)(4號線車站)

分別對第一層開挖、第二層開挖兩種工況進行計算。計算結果見表1，相應應力應變圖見圖3，圖4。

表1 一工區(qū)應力應變值

開挖情況應力應變值主拉應力/N·mm-2主壓應力/N·mm-2主拉應變主壓應變挖第一層土-1.38.2-0.33×10-50.26×10-3挖第二層土-2.116.3-0.40×10-40.54×10-3

2.2.2 二工區(qū)(2號線車站)西區(qū)

分別對第二層開挖、第二層開挖加支撐兩種工況進行計算。計算結果見表2，相應應力應變圖見圖5，圖6。

表2 二工區(qū)西區(qū)應力應變值

2.2.3 二工區(qū)(2號線車站)東區(qū)

分別對第二層開挖、第二層開挖加支撐兩種工況進行計算。計算結果見表3，相應應力應變圖見圖7，圖8。

表3 二工區(qū)東區(qū)應力應變值

開挖情況應力應變值主拉應力N/mm2主壓應力N/mm2主拉應變主壓應變挖第二層土-1.8018.9-0.79×10-50.61×10-3挖第二層土加鋼支撐-1.5010.0-0.14×10-40.32×10-3

2.2.4 二期施工區(qū)西區(qū)

二期施工區(qū)西區(qū)分別對第一層開挖、第一層開挖加支撐、第二層開挖、第二層開挖加支撐四種工況進行計算。計算結果見表4，相應應力應變圖見圖9～圖12。

表4 二期施工區(qū)西區(qū)應力應變值

3 分析與結論

通過對上述計算結果分析，得出如下結論：

1)一工區(qū)(4號線車站)：由于車站內(nèi)有樓板側向支撐的作用，開挖第一、二層時墻體壓應力較小，最大壓應力也不大。

2)二工區(qū)(2號線車站)：開挖第二層未加支撐前墻體應力較加支撐后大，但其壓應力值并未超過材料的允許值。

3)二期施工區(qū)西區(qū)(3號、4號出入口)：第一層開挖未加支撐時，兩段長墻體壓應力較大，為整個施工過程中的相對薄弱環(huán)節(jié)，但其壓應力值并未超過材料的允許值。加支撐后應力大幅減小，效果非常明顯。

4 基坑開挖方法與支撐施工要求

通過計算分析結果，知鋼結構支撐能有效地減小墻體應力應變，作用明顯，制定了具體施工方法與支撐施工要求。

4.1 基坑開挖方法

1)基坑開挖以機械施工為主，人力施工為輔，明挖基坑開挖采用長臂挖掘機、龍門吊機和0.4 m3挖掘機挖裝、自卸汽車運輸；逆筑法基坑洞內(nèi)以0.4 m3挖掘機挖裝，人力車及電動葫蘆水平運輸，豎井提升架垂直運輸至地面臨時棄渣場。

2)地質(zhì)為雜填土、粉質(zhì)粘土粉砂土，采用人工配合小型挖掘機開挖，“豎向分層，平面分段”的挖土方法。

3)暗挖土方由各板兩側挖土面開始挖進，分段掏槽開挖架設支撐。

4)挖土分段控制在6 m左右，在12 h內(nèi)挖除，并隨即架設兩根支撐，每根支撐的架設在4 h內(nèi)完成。

5)在開挖過程中鋼支撐采取“邊開挖邊支撐、先支撐后開挖”的方式，及時安裝支撐、施加預應力。

4.2 支撐施工要求

1)及時加撐：按照挖土施工方案，每個限定長度分層開挖，不同工況挖土和支撐架設總時間采用不同的時空效應參數(shù)。

2)及時施加預應力：控制地墻變位，最有效措施是及時施加預應力，來平衡地墻外土壓力，保護周邊環(huán)境及基坑安全。

3)及時復加預應力：鋼支撐活絡頭給預應力的復加及調(diào)整提供了便利條件，根據(jù)挖土及結構施工工況，結合支撐軸力及地墻位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時對鋼支撐預應力進行復加。

4)支撐焊接要求：支撐的焊接必須牢固，接頭箱與地墻連接四周圍焊，滿足支撐抗剪及抗拉應力要求，確保安全。

5)監(jiān)測信息化要求：在深基坑挖土及支撐施工時，根據(jù)要求進行坑外環(huán)境監(jiān)測和結構本體監(jiān)測，提供支撐軸力、地墻位移、土體回彈、地表沉降、建筑物沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導挖土工況和支撐預應力復加調(diào)整。

5 結語

從本工程和以往同類工程實踐中，基坑開挖應遵循分段、分層、分小段、分次，按一定程序開挖的原則，開挖每段長度應同結構分段長度相適應，分層高度為至該層支撐的底面，開挖過程中鋼支撐采取“邊開挖邊支撐、先支撐后開挖”的方式，及時安裝支撐、施加預應力，可有效減小開挖引起的墻體變形。

[1] 柯亞恩.臨近地鐵深基坑開挖安全施工實例分析[J].國外建材科技，2000(3)：15-16.

[2] 李小青，何圣熙.地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性分析[J].地球科學——中國地質(zhì)大學學報，1999(2)：109-110.

[3] 褚林虎，王振清.有限元數(shù)值分析在地下連續(xù)墻中的應用[J].應用科技，2009(6)：73-74.

[4] 劉松芳，高 峰，徐建章，等.建筑深基坑支護方案的技術經(jīng)濟比選[J].建筑施工，2009(5)：57-58.

[5] 唐少平.深基坑開挖施工技術應用[J].山西建筑，2014，40(13):71-72.

The stability analysis and application on retaining structure in foundation pit excavation process

ZHANG Shuan-lao

(The Construction and Installation Company, China Railway 12th Bureau, Taiyuan 030024, China)

Due to the foundation pit big excavation area and greater depth of Suzhou railway station, in order to ensure the construction safety, through the ANSYS finite element software calculation made evaluation to each stage foundation pit stability of retaining structure in excavation process, and through the calculation and analysis results, gained the steel structure supporting could effectively reduce the wall stress and strain, the effect obvious, so as to formulate the specific construction method and supporting construction requirements of foundation pit excavation.

foundation pit, excavation, finite element, stability, analysis, application

1009-6825(2014)36-0052-02

2014-10-16

張拴牢(1981- )，男，工程碩士，工程師

TU463

A