罗金生
(国家电力公司中南勘测设计研究院 长沙410014)
魏丽敏
(中南大学土木建筑学院 长沙410075)
[提要] 以广州地铁三号线某车站深基坑支护工程为背景,采用以开挖深度、支撑位置和圈梁截面为设计变量,以支护桩变形曲线面积为目标函数的设计优化体系,对支护结构设计及施工工艺进行方案优化,采用间隔桩作为深基坑围护结构。现场监测表明,该设计体系、支护方案及施工工艺切实可行,可供类似工程借鉴。[关键词] 深基坑 方案优化 设计 施工 监测
Plan Optimization of the Design and Constru ction of Bracin g S tru cture for Deep Excavation/Luo Jinsheng1,Wei Limin2(1Mid south Design and Re search Inst itute for H ydroelectric Projects,Changsha410014,China;2Civil Engi neering and Architecture College,Central South U niversity,Changsha410075,China)
Abstract:T he deep excavat ion project by taking t he certain subw ay stat ion in line No.3of Gua ngzhou as an example is introduced.The plan of de sign and construction is optimized.T he optimal design parameters are the de pth of exc ava t ion,t he position of bracing and the section area s of the ring be am.T he object function is the area of the de formation of the retaining pile.The data of monitoring verifies that the syste m of optim izat ion,the design plan and the c onstruc t ion technology proce ss a re valid and c an be used for reference by similar projects.
K eyword s:deep excavation;plan opt imization;design;c onstruction;monitoring
1 工程概况
广州地铁三号线某车站是广州地铁路网中二号线与三号线的换乘车站,地下与二号线十字交叉。车站结构设计为四层岛式车站,全长127 248m。
车站基坑共分两部分:车站基坑总长124 75m,其中北侧基坑长58 35m,南侧基坑长43 3m,车站节点段长23 1m,基坑标准段宽21 5m,北端由于盾构吊出和风亭的需要加宽至31 2m,南端由于车站暗挖隧道的需要加宽至22 55m;车站明挖段北侧基坑深约27 2m,南侧基坑深约28 2m。基坑平面布置见图1。
岩土性状及物理力学指标取自地质详堪报告,见表1。车站范围内地下水主要为孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水主要赋存于杂填土、砂层及含砂量较大的残积土中,地下水埋深0 90~5 0m,由大气降水补给。由于基岩为泥质、铁质胶结,风化裂隙及构造裂隙不甚发育,基岩裂隙水为弱透水层,渗透系数为0 013~ 0 037m/d,受大气降水及第四系孔隙水补给,补给源不丰富,地下水量有限。
2 基坑支护设计
2 1基坑支护方案选择
依据工程要求、地质水文条件和现场环境,工程可供选择的支护结构方案有[1]:排桩钻孔灌注桩、密排挖孔灌注桩、间隔挖孔灌注桩、地下连续墙。为了最大程度地减少基坑变形,确保结构界限尺寸和基坑安全,同
岩土物理力学指标表1岩层
层厚
(m)
(kN/m
3
)
c
(kPa)
(
)
基床系数k(M Pa/m)
水平垂直
s
(kN/m
3
) 人工填土0 8~5 519 127 658 57101019 2 1淤泥质土0~3 218 33 665 665518 3 2冲洪积砂层1 1~4 119 712 0030 0010821 0 1粉质粘土0 9~3 220 637 3614 62201020 7 1可塑残积土1 2~12 319 634 1117 26201520 2 2硬塑残积土1 8~9 820 040 5720 17252020 6岩
石
全风化 1~10 320 243 5523 13804021 0
强风化3 9~24 522 2050 0020012022 2
中风化3~24 525 4060 0090080025 4 注:对于强风化、中风化岩层, 值为计算内摩擦角;层 以下为微风化带。
图1 基坑平面
时经济指标最优,支护结构选用间隔挖孔桩方案。该方案具有施工方便,施工速度快,成桩质量易保证,无噪音和泥浆污染,造价最低等优点;缺点是施工安全性差,接头防水差,需要桩间防水处理,地下水位以下地层需采取降水措施。其经济指标为6 3万元/水平
35每延米。
2 2支护结构设计及施工
1 计算模式及计算原则
深基坑开挖与支护是一个动态过程,支护结构在施工各阶段应力、位移均在发生变化,其优化设计具有显著的技术经济意义。国内以往的设计主要基于等值梁法基础上的支护体系的经济性优化分析。在该法中,通常将圈梁作为安全储备,计算时不考虑其作用。这种处理方法使得圈梁的作用机理不清晰,其设计也缺乏依据。深基坑位移往往在桩顶处最大,加强圈梁的作用,有助于减少桩身位移计算值。为充分考虑圈梁的作用,确保支护结构方案安全可靠,并对施工步骤合理优化[2],该工程采用弯曲剪切扭转模式计算圈梁,采用杆系有限元增量法分析支护桩[3],并通过变形协调条件求解二者的相互作用。以各工况开挖深度、各支撑施工位置和圈梁截面为设计变量,以支护桩变形曲线面积最小建立目标函数[4],并通过复合形法求解,形成了比较完整的支护桩结构设计优化体系,建立了多支点支护结构中圈梁和施工工艺的设计准则。同时采用SA P84结构有限元通用分析软件对优化后的设计、施工方案进行计算分析。
基坑外侧土压力采用朗肯土压力理论计算,侧压力计算原则为:砂土层水土分算,其它土层水土合算。开挖面以下用一组弹簧模拟地层水平抗力。
支撑作为具有弹性压缩的杆单元。在回筑拆除钢支撑时要加上相应的反力,按 增量法 计算所得每一个阶段(施工步)的内力和变形[5],仅为本阶段的内力和变形增量,各个阶段的内力叠加得出支护桩的内力包络图。
2 支护结构设计方案
根据上述计算模式,计算确定工程的支护方案如图2所示。支护结构为桩径 1500人工挖孔桩,桩间距为3m,桩长约31m,护壁厚150~200mm;桩芯采用抗侵蚀系数不小于0 8的C30混凝土。配筋情况:主筋28 28,沿断面均匀布置,配筋率为0 975%;箍筋 14@150。基坑受力分析、稳定性分析表明,当基坑底面为强风化岩层时,桩插入深度取3 5m;当基坑底面为中风化岩层时,桩插入深度取2 5m。
挖桩后在桩间打入 550旋喷桩(桩距400mm)止水,旋喷桩进入层
1
约1m,总长度约8m。并在基坑开挖时在桩间内侧采用C20喷射钢筋混凝土进行桩间封堵找平。
根据结构形式、基坑深度和优化计算,车站明挖基坑的支撑体系采用5道钢支撑,支撑水平间距3 0m,其中第一、二、三、五道钢支撑采用 600,厚14mm的钢管,第四道采用 600,厚16mm的钢管;第一道水平钢管支撑设置于圈梁上,在支撑端部设置由厚12mm 钢板和I450型钢拼装而成的钢围囹。在车站主体支护结构内侧设置内衬墙,与支护结构一起承受水、土侧向压力。各部位的主体结构厚度为:车站顶板800mm,中板400mm,底板1200mm,地下层1,2的侧墙厚700mm,地下层3,4的侧墙厚800mm
。
图2 支护结构示意图
3 支护结构施工方案
通过优化计算确定明
挖基坑的合理施工步骤及
支撑设置位置,具体如下:
步骤1)开挖至地面以下
3 5m,设置第一道钢支撑,
冠梁以上土体采用喷锚支
护;步骤2~5)向下开挖
5 5,4 5,
6 0,5 0m与设置第二~五道钢支撑(开挖面以上0 8m处)交替进行;6)开挖至最终基坑面,施工底板下接地网和垫层;7)顺作施工车站底板防水层、底板结构,拆除第五道钢支撑;8)顺作施工负四层侧墙结构、负三层中板结构,拆除第四道钢支撑;9)顺作施工负三层侧墙结构、负二层中板结构,拆除第三道钢支撑;10)顺作施工负二层侧墙结构、负一层中板结构,拆除第二道钢支撑;11)顺作施工负一层侧墙结构、顶板结构,拆除第一道钢支撑。基坑主要施工步骤及计算图式见图3
。
图3 基坑主要施工步骤及计算图式
2 3计算结果
经验算,支护结构和相应的支撑系统均满足整体
36稳定、变形及受力要求。各施工阶段桩的最大计算水平位移为12 0mm,支护桩的最大计算内力见表2。
支护桩最大计算内力表2
最大弯矩M
k
(kN m)最大轴向力N k(kN)迎土侧背土侧迎土侧背土侧31742630-1387-868最大剪力V
k
(kN)
1711
3 基坑监测
3 1临测项目
工程的监测项目、方法及要求如表3所示。
监测项目、方法表表3监测对象监测项目监测方法量测精度量测频率测点布置
稳定性
变形支护桩
支护桩水平、垂
直位移,收敛值
精密光学测量、
滑动倾斜仪
1mm开挖过程中2次/d
沿基坑四周布置
18个
支撑钢支撑轴力
轴力计、电阻应
变仪
10kN
开挖过程中2次/d,受
力稳定后1次/周
共计布置4个
地表
地表沉降及水
平位移量
精密光学测量、
收敛仪
1mm
支护结构施工中1次/
d,开挖过程2次/d主
体施工2次/周
20m一组
毗邻建筑
基础不均匀沉
降、水平位移、
倾斜、裂缝观察
精密光学测量、
倾角计
0 2mm同地表变形
柱、桩、地面均设
点
地下水
水位标高水位孔测量
孔隙水压孔隙水压计
10mm
支护结构施工中1次/
3d,开挖过程1次/d,
主体施工1次/3d
150m左右设一孔
注:测斜采用美国进口GK603型测斜仪,能沿桩身每隔0 5m 测出相应位置位移。钢管内支撑轴力监测采用轴力计配合频率计监测基坑土方开挖过程中支撑轴力变化。
3 2监测结果与设计值对比分析
工程完成深基坑的开挖和主体结构施工后,施工阶段支护桩计算位移与现场监测情况对比见表4,各道钢支撑计算内力与监测内力对比见表5。
围护桩顶位移(最大位移)计算值与监测值(m m)表4施工步骤第一步第二步第三步第四步第五步第六步桩顶位移计算值10 411 211 010 710 710 7桩顶位移实测值11 412 212 012 012 512 9施工步骤第七步第八步第九步第十步第十一步
桩顶位移计算值10 710 610 510 812 0
桩顶位移实测值12 512 412 413 014 0
钢支撑计算内力与监测内力(kN)表5钢支撑第一道第二道第三道第四道第五道最大轴力计算值6391408171420781130最大轴力设计值8791936235728571554实测最大内力450110015001700800 注:设计值=计算值 1 375[6]。
从表4,5可见:1)各施工阶段,支护桩实测位移变化规律与设计计算结果一致,说明计算模式与计算方法合理;2)实测桩顶位移最大值为14mm,略大于计算值,而实测钢支撑轴力较计算值小,其主要原因是:钢支撑安装不及时,桩初始变形较大;钢围囹刚度与计算假设绝对刚性有差距,或喷混凝土不及时再遇暴雨引起桩身变形局部突变。
4 结论
(1)采用以开挖深度、支撑位置和圈梁截面为设计变量,以支护桩变形曲线面积最小为目标函数的设计优化体系,可以充分利用圈梁的作用对支护结构设计及施工工艺进行方案优化。
(2)间隔桩作为深基坑支护结构在少水地层是安全合适的,可以节省投资,加快施工进度。
(3)现场监测表明,各施工阶段,支护桩实测位移变化规律与设计计算结果一致。说明计算模式与计算方法合理,施工工艺可行。
参考文献
[1]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版
社,1997:212 217.
[2]薛履中.工程最优化技术[M].天津:天津大学出版社,1988.
[3]建筑基坑支护技术规程(JGJ120 99)[S].北京:中国建筑工业
出版社,1999.
[4]莫海鸿等.坑支护桩优化设计[J].岩土工程学报,2001,23(2).
[5]建筑基坑工程技术规范(YB9258 97)[S].北京:冶金工业出版
社,1997.
[6]广东省建设委员会.建筑基坑支护工程技术规范(DBJ/T15 20
97)[S].广东省工程建设标准化协会,1998.
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(3)国际领先的分析功能:反应谱分析、时程分析、静力非线性分析、施工顺序加载分析、结构阻尼器和基础隔震分析等。
(4)一体化的设计功能:采用完全交互的图形方式进行结构设计;修改截面属性,并自动计算校验;对钢结构可以进行截面自动优化设计。
(5)集成大部分国家的结构设计规范,并且贯入中国规范,2003年10月10日通过国家建设主管部门鉴定。
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