开挖支撑

开挖支撑（精选4篇）

开挖支撑 篇1

0 引言

多支撑(锚杆)挡土桩墙是目前桩墙式支护结构中被广泛采用的一种形式,计算方法繁多,一般有等值梁法,二分之一分担法,弹性法,有限元计算法,逐层开挖支撑支承力不变法等。多层支护的施工是先施工挡土墙或挡土桩,然后开挖第一层土,挖到第一层支撑或锚杆点以下若干距离,进行第一层支撑或锚杆的施工。然后再第二次挖第二层土,挖到第二层支撑(锚杆)支点下若干距离,进行第二层支撑或锚杆施工。如此循环作业,直至挖到坑底为止[2]。逐层开挖支承力不变计算方法是根据实际施工,按每层支撑受力后不因下阶段支撑及开挖而影响数值的原理进行的,计算时假定板桩在相邻两支撑间为简支梁,然后根据分层挖土深度与每层支撑设置的施工情况分层计算,并假定下层挖土不影响上层支点的计算水平力,由此计算出板桩的弯矩和支撑作用力。对于深基坑支护设计软件的开发,近年来我国一些科研机构和高校基于不同的分析模型及计算机开发环境,已有多种深基坑工程设计软件,很多都已走进市场,并得到一定范围的推广[4]。目前还没有软件能通用于各地的基坑支护结构的设计,所以根据具体情况,依据文献[2]以VB6.0为平台编写算法,通用性强,计算出的数据可以适用于基坑支护设计人员参考。

1 逐层开挖支撑支承力不变计算方法

1.1 计算假设

1)上一层支撑后,下一层开挖时认为上一层支撑变形甚小或认为其不再变化,受力也不改变。

2)上一层支撑阶段,挖土深度需满足下一层支撑施工的需要,一般假定上一层锚杆支撑阶段,挖土深度需达到下一层锚杆位置下的0.5 m,满足支撑或锚杆的施工距离。

3)逐层开挖支撑时皆需考虑坑下零弯点距离y,即近似的为土压力为零点距离。

4)每层支撑后其支点计算时可按简支考虑。

1.2 计算方法

基于上述假定:

首先找出C点下零点距离y,如图1b)所示,可以计算如下:

要考虑桩与土的摩擦力,即考虑摩擦角δ,一般取余志成,施文华等推荐使用31,对于y值他们也推荐使用经验资料查表得出。

或者y值由经验资料查表得出:

然后由y求出O点以上土压力EA(包括主动土压力、水压力和地面荷载):

对于RC,同样考虑第三阶段挖土在D点尚未支撑时的各种水平力,求出D点坑下的零点距离,用此方法可以求出RD,同样可以适用于更多支撑情况,可以求出n个支承力。

2 编程开发

2.1 程序说明

面向对象新的编程技术兴起于20世纪90年代,它是计算机程序开发方法的一种变革,是利用计算机研究问题、解决问题的一种新的思维方式,它使程序设计更加贴近现实。

桩墙式多层支撑逐层开挖支承力不变计算法的程序设计方法,采用面向对象编程思想,将工程设计中的问题抽象,是利用计算机解决问题的一种新的思维方式,利用Visual Basic的常用控件,设计出一个简明可视化的操作平台,通过计算前定义各类参数,结合理论公式,利用程序代码编写出。

2.2 软件的主要功能组织

根据文献[2][5]中桩墙式多层支撑逐层开挖支承力不变计算方法及可视化界面设计的原则和方法,该软件的主要功能组织及计算界面如图2所示。

3 工程应用

北京京城大厦超高层建筑[2],地上52层,地下4层,建筑面积110 270 m2,地面以上高183.53 m,基础深23.76 m,采用进口488 mm×300 mm H型钢桩挡土,中间距1.1 m,3层锚杆拉结。各层土的平均重度为19 kN/m2,土的内摩擦角平均为30°,地面荷载按10 kN/m2,设计锚杆3层,第1层悬挑5 m,第2层7 m,第3层距地面18 m。

由以上所给的资料,各方法计算得出比较表(见表1)。

kN

RB较其他方法普遍大30%～50%,等值梁法没有考虑这部分土压力,二分之一分担法只考虑了一半。二分之一法只是近似方法,而连续梁法荷载复杂,与实际有一定差距。逐层开挖支撑支承力不变法是比较合适的计算方法。

以例题层支撑为例计算界面见图3

4 结语

1)以逐层支撑(锚杆)支承力不变计算多层挡土墙方法算法既简便,又符合实际施工状况,是比较合适的计算方法,可以方便简洁的计算出各开挖阶段支撑的弯矩零点距离,各层支撑轴力,弯矩等,可以对支承力轴力进行实时分析和调整。

2)在此计算方法上,通过编程实现由繁到简的变化,主要内容包括零点弯矩距离计算、主动土压力计算、各支撑的支承力和弯矩计算等,比起手算来说显得更加合理,可以实现对同一问题的多种处理。利用程序极好地解决了计算量、工作量大容易出错的问题,同时也可以避免重复劳动,算得结果适用于基坑支挡的各种类型参数取值,方便工程人员进行参考。

3)此类挡土结构设计计算含有循环迭代,重复调用,参数繁多,计算量庞大等特点,特别适用于计算机编程求解,条理清楚、简单易实现且能够保证速度和准确性

摘要：对目前使用的桩墙式多支撑逐层开挖支承力不变法从受力原理和计算方法上进行了分析,并利用可视化语言Visual Basic6.0编制了计算程序,最后指出该方法适用于深基坑支护中多层支撑的支挡结构。

关键词：多层支撑,逐层开挖,支承力,计算程序

参考文献

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[6]李力,童申家,孙旭光.复杂支撑钢筋混凝土板承载力的实验与分析[J].山西建筑,2007,33(31):63-64.

开挖支撑 篇2

本工程基坑土方开挖深度为10.5 m, 基坑开挖深度范围内, 第 (1) 层为杂填土, 杂色, 稍湿, 松散, 夹杂大量砖块、碎石等。厚度2.2 m~6.2 m, 层底埋深2.2 m~6.2 m, 层底标高424.90 m~428.84 m。第 (2) 层为粉质粘土, 褐黄色, 可塑, 减少量钙质结核, 稍有光滑, 无摇震反应, 干强度和韧性中等。厚度1.00 m~8.10 m, 层底埋深6.3 m~11.7 m, 层底标高419.17 m~424.59 m。第 (3) 层为粉砂, 褐黄色, 褐灰色, 饱和, 稍密, 主要矿物成分为石英、长石等, 分选性较好, 磨圆度较高, 中部夹薄层粉质粘土。厚度2.00 m~10.40 m, 层底埋深11.00 m~17.90 m, 层底标高412.98 m~419.88 m。

本工程±0.000的绝对高程为431.460 m, 基坑开挖至419.56 m。稳定水位埋深5.00 m~5.80 m, 相应的水位相对标高424.36 m~425.81 m。在降水井降水至基坑底标高以下500 mm时进行土方开挖施工。

2 预留土方原因说明及现场基本情况

原有写字楼位于拟建B座写字楼正南侧, 距离拟建B座写字楼17.2 m, 距离拟建B座写字楼附属车库9.1 m。在距离原有写字楼北侧5.35 m处进行止水帷幕的施工, 止水帷幕施工完毕后在距离止水帷幕200 mm的北侧施工混凝土灌注桩, 作为原有写字楼的支护桩。支护桩的北立面距离B座写字楼?轴为10.2 m。支护桩桩径为1 000 mm, 桩距为2.0 m, 桩长为23.1 m, 混凝土等级为C30。桩顶标高为-4.527, 桩顶设置1 000×800的冠梁, 冠梁顶标高为-3.727。本基坑开挖深度至-11.3 m。由于该支护桩在基坑的悬臂段太长, 不能满足要求。又因距离原写字楼较近, 所以不能进行土钉墙的施工。故考虑在标高约-6.0 m处 (地下车库2层顶板上) 设250的钢管内撑一道。钢管内撑水平间距4.0 m, 壁厚为5 mm。原写字楼与B座写字楼位置关系见图1。

为方便施工, 基坑土方开挖时, 原写字楼北侧 (长46 m) 范围土方暂不进行分层开挖。第一次开挖至-5.3 m, 然后预留上口4 m, 下口6 m, 高度为6 m的土方。待B座写字楼南侧后浇带以北的结构施工完毕后, 以施工完成后的结构作为支撑的支点进行钢管内撑施工, 然后再进行剩余土方的开挖 (所开挖土方用于地下车库室内回填) 。

现阶段B座写字楼施工情况说明:B座写字楼主体结构现已施工至9层。B座南侧地下车库已施工至从B座写字楼?轴向南2.1 m处的结构沉降后浇带。1—1剖面、B座写字楼南侧预留车库现施工阶段示意图见图2。

现场降水情况介绍:此预留土方范围内设置三口降水井, 位置如图1所示。管井深度18 m, 成孔直径600 mm, 用350 mm无砂水泥滤水管, 下部2 m用混凝土实管, 滤水管外包40目纱网, 在滤水管与管壁的环形空间内填2 m~5 m碎石过滤层。现水位深度测量为-12.4 m, 满足土方开挖条件。

3 内撑设计主要参数

钢管:直径250 mm, 壁厚5.0 mm, 根数7根。钢板1:尺寸300×300, 厚度20 mm, 共14块。钢梁:采用40a型工字钢。

4 施工程序

安全防护措施→测量放线→“工”字钢与B座写字楼地下1层柱连接→“隔一挖一”进行安装钢管的土槽土方开挖→支护桩安装预埋件→隔一安装钢管内撑→开挖剩余安装钢管的土槽土方→安装剩余钢管内撑→人工开挖土方 (从-5.30 m~-11.3 m) →支护桩桩身钢筋网片绑扎及喷射混凝土100 mm→地下-2层车库结构施工→地下车库外墙防水粘贴及室外土方回填至-6.05 m→拆除钢管内支撑→地下1层车库结构施工→地下车库外墙防水粘贴及回填土。

1) 安全防护措施。

a.设置防护栏杆。基坑周边、作业平台四周、走道、通道口、井架与施工用电梯和脚手架等与建筑物通道的两侧边, 必须设防护栏杆。栏杆应由上下两道横杆及栏杆柱构成。横杆离地高度为上杆1.2 m, 下杆0.6 m。立柱间距不大于2 m, 栏杆材质采用钢管 (Ø48×3.0) 。栏杆必须自上而下设安全立网封闭, 或设置200 mm高的挡脚板, 下边沿离底面的空隙应不大于10 cm。设置范围同下述安全平网搭设长度。防护栏立面图见图3。b.架设安全平网。高度超过3.2 m的作业平台周边, 必须在外围架设安全平面网一道 (见图4) 。

注:首层、5层、11层、17层结构顶均设置水平方向安全平网

由于B座写字楼高度为91.5 m, 故应考虑按照坠落半径为6 m的情况设置安全平网。结构外侧水平接网:首层结构顶部应设安全平层, 里低外高, 里侧用10钢丝绳与结构进行 (300 mm每扣距离) 连接牢固, 外侧用10钢丝绳与结构进行 (不大于300 mm每扣距离) 连接牢固。外侧网应高于里侧250 mm, 网不宜绷得太紧。网下设置长6 m, 间距为4 m的脚手架钢管支撑安全网。网下净空5 m严禁堆放物料及设施, 外侧网底部应设1.2 m高防护栏杆和严禁人员通过标志牌, 每层平网外挑6 m。

2) 测量放线。

a.在支护桩桩身抄平, 以控制安装钢管内撑所需土槽的土方开挖深度。b.对与B座写字楼地下1层柱连接的“工”字钢进行定位放线, 弹出-5.95 m的“工”字钢底线。

3) “工”字钢与B座写字楼。

地下1层柱连接:a.在B座写字楼?轴地下1层柱及剪力墙根部根据所弹定位线设置100 mm垫木。b.安装“工”字钢, 并用∠5a与“工”字钢焊接固定在结构柱上 (见图5) 。

4) “隔一挖一”进行安装钢管的土槽土方开挖:根据抄平控制线开挖安装钢管土槽的土方, 挖至-6.3 m, 土槽宽度为800 mm。以保证安装预埋件及钢管内撑的作业面。

5) 支护桩安装预埋件。

a.剔凿桩部分保护层以保证MJ-2背部平整。b.根据制作预埋件膨胀螺栓的位置进行打眼, 确保位置的准确性。c.安装MJ-2 (见图6) 。

6) 隔一安装钢管内撑。

a.测量MJ-2与钢梁之间的距离, 根据测量数据对钢管进行下料。b.钢管两端各焊接一块300×300×20的钢板。c.利用塔吊吊装钢管内撑就位。d.钢管内撑两端施焊, 一端与MJ-2焊接, 另一端与钢梁焊接, 如图7, 图8所示。

7) 开挖剩余安装钢管的土槽土方:第一次“隔一”安装钢管内撑完毕后, 根据抄平控制线开挖剩余安装钢管土槽的土方, 深度和宽度同上。

注:1) 材料:Q235钢材, E43型焊条。2) 未注明的焊缝高度为10 mm, 焊缝长度为满焊。3) 构件应认真除锈, 涂红丹两道, 刷面漆一道。4) 未注明连接板厚均为20 mm。5) 未注明的焊缝长度为满焊

8) 安装剩余钢管内撑, 安装程序同上。

9) 人工开挖土方 (从-5.30 m~-11.3 m) :由于此次预留土方周围环境限制, 此预留土方考虑采用人工开挖的形式。人工开挖土方的同时, 及时清理附着在混凝土支护桩的碎土。本方案考虑预留车库部分土方均回填至地下车库。

10) 支护桩桩身钢筋网片绑扎及喷射混凝土100 mm:在人工开挖预留土方的同时, 紧随开挖深度及时进行支护桩桩身钢筋网片绑扎及喷射细石混凝土100 m。

11) 地下2层车库结构施工:包括钢筋工程、模板工程、混凝土工程, 严格按照有关规范、标准进行施工。本工程采用商品混凝土, 严格按照设计文件中设计的强度等级浇筑各类构件, 并做好混凝土养护工作。

12) 地下车库外墙防水粘贴及室外土方回填至-6.05 m:根据设计图纸及相关规范要求粘贴地下车库外墙防水。基坑回填采用2∶8灰土并分层进行回填夯实, 压实系数不小于0.95。

13) 拆除钢管内支撑:基坑回填至-6.05 m时, 为不影响地下1层车库结构施工, 可以进行钢管内撑的拆除作业。利用气割对焊缝进行切割, 同时塔吊要及时紧密配合。

5 基坑监测

开挖支撑 篇3

武宁路站主体基坑开挖跨春节假期。春节前, 东区基坑第1次放坡开挖至第6道支撑位置, 架设钢支撑后, 逆筑下二层中板, 框架作为第5道混凝土支撑。春节后, 东区基坑第5道混凝土支撑达到强度, 第2次放坡开挖至坑底。西区基坑待东区结构底板完成后, 再分2次放坡开挖至坑底。

考虑到春节后继续开挖最后2层土, 围护结构如采取传统钢支撑, 预应力损失后, 围护体变形控制将难以到达预期效果。为补偿钢支撑轴向预应力, 加强对35 k V变电站的保护, 东区基坑第7道钢支撑将采用位移-压力复合控制轴力自动补偿液压支撑 (简称自补偿) 系统。

1 自补偿系统简介

1.1 构成

自补偿系统主要包括液压动力站、中央控制站、应急诊断工具箱、通信电缆、支撑油缸及液压胶管等。1套液压动力站可同时控制8个现场油缸 (对应8个钢支撑) , 实现对钢支撑轴向力的补偿。图2为自补偿系统控制机构示意图。

1.2 工作原理

在钢支撑活络端安装数控液压油缸, 并通过液压油管、数据线连接至中央控制站, 采用位移和压力双控制, 实现对钢支撑轴向力的补偿。设定支撑轴力及补偿范围, 通过电气控制对液压油缸自动补压或降压, 从而维持液压支撑的稳定[1];设定位移量, 由位移传感器监测钢支撑轴向位移变化, 超出预设时进行报警。

应用自补偿系统, 实时监测钢支撑的轴力变化, 消除钢支撑的温度应力, 根据设计规定要求实时改变轴力, 达到轴力恒定的效果, 从而有效地控制围护结构在开挖阶段的变形。

1.3 主要设备、部件的数量及作用

1) 自补偿支撑头子15个, 支撑头子的千斤顶后腔装有环形卡块, 防止活塞杆后退 (见图3) 。当油缸活塞伸出之后, 根据伸出长度在活塞杆上使用哈夫式环形卡块, 形成机械锁防止油缸活塞杆回退, 保证现场施工的安全性。

2) 液压动力站:3台 (1台备用) , 采用位移/压力综合控制, 用于补偿基坑钢管轴向支撑力。

3) 控制柜的数量与动力站相同。其分别采集钢支撑的运行数据, 并通过CAN总线[2]传送至中央控制站[3], 接受中央控制站的控制指令, 控制钢支撑的压力调节、伸缩动作以及液压泵启停等。

4) 中央控制站全面监控所有站点 (动力站及控制柜) 的实时运行情况, 包括各油缸压力及位移、设定压力泵站状态 (包括电机正常与否、过电流跳闸、液位、传感器和液压阀的电气故障等状态信息) , 以图形显示油缸压力和设定压力;设定和实时采集压力等运行参数, 并存储计算机硬盘长期保存, 按时间段等要求以图形形式显示及打印成报表, 也可将数据以EXCEL表格导出。

5) 应急诊断工具箱[4]能近距离对系统进行各项调整及设置, 特别是在支撑刚开始安装时, 可对液压支撑进行就地操作;当现场控制系统出现短期无法排除的严重电气故障时, 仍然可以通过应急诊断工具箱, 对液压支撑系统进行正常操作。

6) 另有约4套总线插头、1套PC上位机、1台PC柜柜体、1套PC监控软件及调试、1只UPS不间断电源、1只CAN-USB适配器、15根行程传感器及匹配长度的电缆、液压胶管、控制线、通信线。总线及通信电缆主要用于现场设备与控制台之间的信号传递。各个站点通过CAN总线实现数据采集及发送控制指令。

2 施工应用

2.1 施工前风险控制及预测

基坑开挖前, 采用加强围护的刚度、设置封堵墙、设置不同形式支撑以及加深围护等方法控制施工引起周围土体沉降[5]。同时, 对基坑开挖施工进行监测与变形预测。

1) 根据一级基坑的变形控制要求, 在开挖到第7道钢支撑位置期间, 围护的水平位移变形应<34 mm, 35 k V变电站的沉降应<20 mm。但在东区基坑完成第5道混凝土支撑后, 35 k V变电站累计最大沉降为28.54 mm、差异沉降9.9 mm、累计最大测斜变形为43.2 mm。

2) 若加上春节期间的停顿期变形, 在二次放坡开挖前, 35 k V变电站累计最大沉降将达29.11 mm, 超报警值9.11 mm;差异沉降8.43 mm;累计最大测斜变形44.8 mm, 超报警值10.8 mm。

2.2 自补偿系统的应用

1) 自补偿液压支撑的布置。基坑第1、5道为混凝土支撑;第3、6道为钢支撑, 埋设在侧墙内, 需使用钢套箱, 故不能加设自补偿支撑;第2道钢支撑架设较早, 围护变形小。此外, 自补偿支撑头子价格昂贵、加工数量有限, 一次最多投入15个, 只可供15根钢支撑使用。最后, 东区基坑采用纵向放坡开挖, 围护变形中间大、两端小, 故平面上自补偿支撑应尽量靠近基坑纵向中心, 并对准35 k V变电站建筑范围。

综合上述情况, 自补偿支撑应用于东区基坑的第7道钢支撑 (见图4、图5) , 底板完成后可以立即回收, 再用于西区基坑的钢支撑。

其他设备布置如图4所示:中央控制站设置在集装箱办公用房内;3个站点沿施工便道在基坑边一字排开, 间距≥20 m, 使用东、西两端的站点, 中间备用;东端站点控制8根自补偿钢支撑, 西端站点控制7根自补偿钢支撑;东区基坑第7道支撑有15根钢支撑需要进行轴力补偿。

2) 第7道支撑设计轴力及加载要求。标准段第7道支撑轴力为1 950 k N, 端头井第7道支撑轴力为2 880 k N。经计算, 第7道钢支撑预加轴力为1 560 k N。

3) 钢支撑的安装流程。将自补偿头子与钢支撑通过高强螺栓连接为整体→在钢支撑设计位置制作三角钢牛腿, 并与地下连续墙钢筋焊牢→将自补偿头子连同钢支撑一起吊装至钢牛腿平台→在钢支撑的活络头一端用油压千斤顶预撑钢支撑→在自补偿头子一端安装油管及数据线→在中控站启动自补偿支撑系统调压程序→自补偿头子通过内部千斤顶施加预应力。

4) 自补偿钢支撑吊装。自补偿钢支撑吊装方法与常规钢支撑基本相同, 但自补偿头子一端较重, 吊装时应采用2点吊, 并合理设置吊点。

现场采用50 t吊车进行支撑安装, 由于基坑宽度较大, 对撑达到21.9 m, 并在坑内设置施工栈桥, 故对整根支撑吊装存在一定困难和风险。为此, 每根支撑分2次进行安装, 即将其分成9 m和12.9 m2段, 先吊装栈桥下9 m长的一段, 再拼接12.9 m长的另一段。

5) 接头布管。在油缸上安装快换管接头, 将清洗过的油管按照预先编号连接到油缸上, 并连接好行程传感器电缆。液压泵站与助力油缸之间的管接头和软管, 要做到连接接头尽可能少、连接管路尽可能短、管路中不允许存在杂质和金属铁屑。

6) 设备安装后调试。启动泵站, 排出高压软管以及油缸内的空气, 进行程序调试、设备安装调试、系统压力设定和自动补偿装置启动等初步调试。

3 应用效果

3.1 测点布置

在东区基坑施工过程中, 为对周边建筑沉降、围护结构侧向变形、支撑轴力等进行监测, 设置了基坑监测点 (见图6) 。

3.2 监测分析

1) 第7道钢支撑轴力设定值为1 560 k N, 补偿范围为±120 k N;根据施工监测轴力数据的反馈, 监测轴力为1 551~1 629 k N。在自补偿系统未开始液压补偿前, 轴力有应力损失, 开始液压补偿后1 d, 轴力基本趋于稳定 (见图7) 。

2) 第7道支撑于2013年2月28日开挖时, 35 k V变电站沉降最大点F16为29.11 mm, 至底板3月29日完成后F16为41.07 mm, 沉降变化量为11.96 mm, 日变化量为0.4 mm (见图8) 。在2013年2月28日, 沉降已经达到29.11 mm, 占累计最大沉降的70.9%。

3) 第7道支撑于2013年2月28日开挖时, P12孔最大围护结构水平位移为44.3 mm (深度20 m位置) , 至底板3月29日完成, 最大水平位移为54.7 mm (深度22 m位置) , 水平位移变化量为10.4 mm, 日变化量为0.4 mm (见图9) 。在2013年2月28日, 地下连续墙变形已经达到44.3 mm, 占累计最大变形的79.5%。

3.3 监测结果

与传统钢支撑相比, 自补偿系统可以使支撑轴力稳定, 明显降低基坑围护结构的最大变化速率, 有效控制地下连续墙的最大变形, 缓解邻近建筑物的沉降速率, 使35 k V变电站的沉降趋于缓和, 变形曲线明显收敛。

4 结语

在中心城区进行深基坑施工时, 易引起周围土体沉降, 造成邻近建、构筑物的变形、损坏, 成为不可回避的施工难点和风险点。在确保支护体系稳定与环境变化受控状态下, 采用自补偿系统加强信息化施工, 进一步提高支撑轴力的精度和可靠性, 为工程施工的动态调整提供了依据。

在东区第7道支撑拆除后, 该套自补偿系统又被继续用于西区第4道支撑, 对控制基坑变形、保护周围建筑物起到了良好效果。自补偿系统的应用, 可为同类环境下的深基坑施工提供参考。

参考文献

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开挖支撑 篇4

关键词：移动钢支撑,时空效应,狭长型深基坑,支护,开挖

1 狭长型深基坑支护概况

1.1 传统支护

随着我国城市建设的发展,地下轨道交通、越江隧道等地下工程日益增多。此类工程为狭长型深基坑,工程上一般采用围护+钢筋混凝土对撑的支护体系[1]。限于支撑架设的效率,为减小基坑无支撑暴露的时间和空间,SZ-08—2000《上海地铁基坑工程施工规程》和DG/TJ 08-61—2010《基坑工程技术规范》规定此类基坑开挖应分段分层进行(见图1),施工工序较为复杂,总体施工效率不高。开挖参数通常取值范围为:分段长度L≤25 m,每小段宽度Bi=3～6 m,每层厚度hi=3～4 m,每小段开挖支撑时限Tr=8～24 h。

1.2 移动钢支撑

移动钢支撑是基于上海软土地区基坑工程“时空效应”原理开发的一种及时支护体系。通过预先设置的轨道,利用专用移动设备将拼装好的支撑平稳、快速地移动就位并发挥作用。采用移动钢支撑体系最大的优点在于可根据基坑开挖深度的不断增加即时对开挖区域的支护结构进行有效支撑,使基坑开挖从传统的分段、分层放坡开挖变为全平面开挖。坑内支撑架设速度的提高,一方面可以加快施工进度,另一方面也限制了开挖造成的软土固结、蠕变变形的发展,进一步提高了基坑支护结构的效用,保证基坑开挖过程中的安全稳定性。因此,移动钢支撑简化了现有基坑施工的工序,使得基坑施工操作及管理更加安全和高效,可望成为基坑工程的一种革新工法。图2为移动钢支撑体系示意图。

2 深基坑移动钢支撑体系介绍

深基坑移动钢支撑体系的预设内置式轨道呈“叶脉状”(见图3),预埋入地下连续墙内并与地下连续墙钢筋笼连接,上端与地下连续墙顶部平齐,下端位于基坑最低1道支撑设计标高处。

当基坑开挖至支撑位置时,去除轨道内的临时填充物并露出轨道,然后通过位于固定在基坑一端的双筒绞车将支撑沿导向槽平稳、同步地吊放下移。当支撑下移至主、次轨道的相交位置时,支撑会在导向结构的引导下依靠自重沿次轨道下移至支撑设计位置。待支撑吊放就位后,按要求预加轴力发挥支撑作用。

支撑在下移的过程中需在主、次轨道相交处设置导向结构来实现支撑在下移过程中的路线控制,导向结构如图4所示。

为了防止地下连续墙施工过程中浇筑的混凝土进入轨道槽内充填轨道,因此必需在轨道相应部位进行临时填充。填充材料可选用聚苯乙烯泡沫或软木料。图5为轨道端部螺栓孔充填示意图。

3 深基坑移动钢支撑体系的数值分析

3.1 计算模型

以上海市某轨道交通明挖区间基坑为例,进行传统支撑和移动钢支撑在基坑开挖期间的数值模拟比较。基坑宽度为12 m、开挖深度为10.5 m、地下墙深20 m,设1道钢筋混凝土支撑和2道钢支撑,支撑竖向间距分别为4.0 m、3.5 m和3.0 m。场地土层物理力学性能指标见表1。

传统支撑体系的计算模型取1/4基坑建模,根据开挖工况设置,将基坑沿长度方向划分为5段,深度方向划分为3层,设置12个开挖工况,挖土工况 ①→(12)逐次进行(见图6)。

采用移动钢支撑体系后,基坑开挖按全平面进行,分3层土进行开挖,计算按3个开挖工况进行。传统支撑体系的支撑架设时间取12 h,移动钢支撑体系取2 h。

3.2 数值模拟

根据工程地质条件和基坑开挖变形特点,采用ABAQUS有限元软件进行本工程的数值模拟。模拟过程将地下连续墙、内支撑视为理想弹性材料;考虑土体的时间硬化蠕变性质,视土体为弹塑性—蠕变耦合材料,按子午线为线性的DP-Creep准则进行计算[2,3,4]。模拟计算的有限元模型如图7所示,其中土体单元采用8节点减缩积分单元,地下连续墙采用4节点壳单元、内支撑采用2节点梁单元。

3.3 数值计算结果分析

图8为2种支撑架设方式当基坑开挖至坑底时的基坑变形云图。

由图8可以看出,基坑开挖至坑底时2种支撑体系的基坑变形趋势基本一致,但采用移动钢支撑体系的基坑变形量较传统支撑体系基坑有较大幅度的降低,采用移动钢支撑体系基坑的地墙侧移变形和坑外地表沉降分别减小了14.0%和33.6%。图9为坑外地表沉降对比曲线。图10为地下连续墙水平位移对比曲线。

4 现场试验

2011年8～10月进行了移动钢支撑的现场试验(见图11)。该基坑开挖深度约10.5 m,竖向设置3道支撑,第1道为钢筋混凝土支撑,其余为钢支撑,选取其中4幅地下连续墙设置了移动钢支撑系统。根据监测数据,采用移动钢支撑区段较传统支撑区段,地墙侧移及坑外地表沉降分别减小了12%和33%(见图12)。

5 结语

对于轨道交通车站及明挖区间、浅埋隧道、共同沟等狭长型基坑,采用移动钢支撑系统可提高坑内支撑架设速度,实现全平面开挖,提高基坑总体施工效率,有效缩短施工工期。三维有限元分析和现场试验结果均表明,移动钢支撑体系基坑变形特点与传统支撑体系基本类似,但移动钢支撑体系能充分利用软土基坑的“时—空效应”特性,坑外地表沉降以及地下墙侧移变形减小10%～30%。

然而,移动钢支撑体系优越性的发挥尚受制于基坑开挖和出土的效率。因此,辅以目前正在研发的自动挖土设备可真正实现基坑开挖、出土和支撑的同步施工,推动基坑工程向更安全、绿色、稳定的方向发展。

参考文献

[1]刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]费康,张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[3]殷宗泽.土工原理[M].北京:中国水利水电出版社,2007.