1、第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022非对称卸荷条件下逆作地下结构回弹变形特征王少康1,姚爱军1,孟啸2,李彦霖1,孙浩然1(1.北京工业大学 城市建设学部,北京 100124;2.中铁建设集团有限公司,北京 100049)摘要:依托北京城市副中心站综合交通枢纽工程 01 标段超大深基坑,结合工程设计方案及场地的地质条件,对站房核心区部分建立三维有限元数值模型,研究了基坑在非对称卸荷开挖条件下,逆作“凹”字型底板的位移和应力分
2、布规律,并根据开挖卸荷特征,提出有针对性的开挖方案和控制措施。结果表明:B1 层底板在法向方向的位移以向上为主,回弹变形在南北方向上呈现类似“驼峰”的形态,在除去中空洞口的东西方向上呈现出一种反转的“对勾”形态;B1 层底板在南北方向的水平位移是由两端指向基坑内部,位移为零的位置大致在底板的中部;应力较大的区域集中在柱子与底板相接的位置;对比分析得出按照整体由西向东推进,中间优先,两侧同步跟进的方式开挖,对 B1 层底板造成的影响最小。关键词:非对称卸荷;逆作地下结构;回弹变形;数值模拟中图分类号:TU93+1文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0822-07Rebo
3、und Deformation Characteristics of Reverse Underground Structure under Asymmetric Unloading ConditionsWang Shaokang1,Yao Aijun1,Meng Xiao2,Li Yanlin1,Sun Haoran1(1.Department of Urban Construction,Beijing University of Technology,Beijing 100124,P.R.China;2.China Railway Construction Group Corporatio
4、n,Beijing 100049,P.R.China)Abstract:Based on the ultra-large deep foundation pit of the No.01 section of the comprehensive transportation hub project of Beijing Sub-center Station,combined with the engineering design scheme and the geological conditions of the site,a three-dimensional finite element
5、 numerical model is established for the core area of the station(B24-B38 axis position).The displacement and stress distribution of the inverted concave type bottom plate under the condition of asymmetric unloading excavation are studied.According to the characteristics of excavation unloading,the t
6、argeted excavation scheme and control measures are put forward.The results show that the displacement of B1 floor in the normal direction is mainly upward,and the rebound deformation shows a similar“hump”shape in the north-south direction,and a reverse“hook”shape in the east-west direction after rem
7、oving the hollow hole.The horizontal displacement of B1 floor in the north-south direction is from both ends to the inside of the foundation pit,and the position of zero displacement is roughly in the middle of the floor.The area with large stress is concentrated in the position where the column and
8、 the floor are connected.The comparative analysis shows that the excavation method of advancing from west to east as a whole,priority in the middle and synchronous follow-up on both sides has the least impact on the B1 floor.Keywords:asymmetric unloading;reverse underground structure;rebound deforma
9、tion;numerical simulation收稿日期:2022-07-26(修改稿)作者简介:王少康(1998),男,河北定州人,硕士,主要从事岩土工程、地下工程等领域的研究工作。E-mail:792559086 基金项目:国家自然科学基金(51578023)0引言随着城市化进程不断提高,城市新建工程的深基坑安全性以及基坑施工对周围环境的影响早已成为超大深基坑工程的瓶颈,而逆作法是妥善解决这类问题的有效施工方法1。真正意义上的逆作法工艺雏形是意大利米兰的一家公司首次开发了地下连续墙,并采用排桩筑成,随后又开发了“两钻一抓”的施工方法。目前,逆作法己经在我国多个地区地铁车站的超大深基坑工程
10、中得到了使用。从更广阔的国内建筑领域来看,国内逆作法施工技术的发展经历了 20 多年,地下连续墙施工、土方开挖及水平结构应力转换、竖向桩柱施工及防水等施工技术取得了许多突破,但在非对称卸荷开挖条件下探究逆作地下结构回弹变形的理论尚有不足2-4。北京城市副中心站综合交通枢纽超大深基坑工程具有复杂的工程地质条件,地下结构逆作施工、土 结构相互作用明显、安全风险大等特点。面对大面积的时间、空间不对称的开挖,势必会引起逆作底板的不均匀隆起变形。本文以此超深超大交通枢纽为背景,从逆作地下站房的楼板开展结构内力及变形理论与实测分析研究,并建立对应的施工控制措施,对指导施工具有重要意义。1典型逆作地下结构特
11、征北京城市副中心站车场属地下车站,站房核心区为地下 3 层,局部夹层,分别为 B0.5、B1、B2、B3层。01 标段基坑长为 188 m,宽为 166 m,深约32 m。根据设计图纸要求,本项目站房核心区主体结构部分(B24-B38 轴线位置)采用逆做法施工。当土方挖至坑底后还会向上施工底板、侧墙,完成主体结构,本文只模拟到土方开挖至坑底时的状态。地下结构及典型地质剖面如图 1 所示,土层序号见表 1。总结本工程的典型逆作地下结构特征为下述 3 方面。图 1地下结构及典型地质剖面图Fig.1Underground structure and typical geological profil
12、e(1)永久性结构是位于地下的多层多跨矩形钢筋混凝土楼板5。逆作法施工的核心站房区,由于其功能多样、结构复杂,而又庞大且处于地下,因此其逆作楼板的结构型式主要采用矩形钢筋混凝土框架结构型式。顶板、楼板、底板均作为永久性横向支撑,需要承受非对称开挖带来的卸荷作用。B2 层顶板上表面标高为 10.783 m,B3 层顶板上表面标高为 2.383 m,板厚为 400 mm、600 mm 和800 mm 三种规格。两层逆作板平面上呈现“凹”字型,未来与 2 标段结构连接。(2)中间支承桩、柱一体化施工。逆作法地下结构的桩、柱作为地下结构的一部分,将上部结构的荷载传递至桩基底部;竖向中间支承桩、柱还需承
13、受施工过程中的地上和地下各层结构的自重和非对称开挖卸荷荷载。中间支承桩、柱无法与楼板结构同步施工,需要在结构施工前完成。本标段站房核心区域灌注桩最大直径为 2.4 m,桩基孔深约76 m,其中桩长 50 m,空孔深 26 m;钢管柱与桩同步施工,钢管柱长度为 31 m,重约 45 吨,安装精度控制难度大。钢管柱控制精度要求高,定位允许偏差 1 mm,垂直度允许偏差为 H/800。(3)地下连续墙不仅起着临时护壁的作用,而3282022 年增刊 2王少康,等:非对称卸荷条件下逆作地下结构回弹变形特征且起着支承顶板(承受竖向荷载)和作为侧墙的一部分(承受水平压力)的永久作用5。地下连续墙的结构形式
14、采用一字型和 T 字型的,入土深度为53 m 左右。图 1 中 T 字型地连墙是作为后期侧墙的一部分,后期不进行拆除,而一字型地连墙部分要被拆除。2基坑的非对称卸荷条件2.1场地工程地质条件本工 程 的 地 面 绝 对 标 高 0.00 对 应 的 是22.933 m,拟建工程场地位于潮白河冲洪积扇中下部,场区内土层划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层三大类,地层为黏性土、粉土和砂土互层沉积。根据现场勘探、原位测试及室内土试验成果,土层主要物理力学性质指标如表 1 所示。表 1土层主要物理力学性质指标Table 1Main physico-mechanical properties of
15、 soil layer序号土层/(gcm-3)Es/MPaC/kPa/()粘质粉土砂质粉土1.94718.518细砂中砂227.5028细砂中砂2.0545032细砂中砂2.0657.5034 粉质黏土重粉质黏土1.9919.656.516.5细砂中砂2.0875035.5 粉质黏土重粉质黏土2.0425.830.523.7细砂中砂2.195036 粉质黏土重粉质黏土1.9922.65514.4细砂中砂2.11050382.2逆作法施工顺序本工程逆作法施工区域的土方运输量大。大面积的土方开挖势必会带来非对称卸荷。如何保证如此大体量的土方运输与逆做法的交叉配合施工,是施工时需要控制的重点。逆作法
16、施工顺序如表 2 所示,本文只模拟到第四步的分层开挖至基础筏板底。具体土方开挖方案见第 3 节数值模拟方案。表 2逆作法施工顺序Table 2Reverse method construction sequence顺序步骤第一步B1 层土方开挖,开挖土方 8m 至桩基施工作业平台标高,施工地连墙、桩基、钢管柱等。第二步分层开挖至 B2 层顶板底,施工 B2 层顶板与梁,并与地连墙链接。第三步B2 层顶板梁板混凝土强度达到设计强度时继续向下分层开挖至 B3 层顶板底,施工 B3 层顶板与梁,并与地连墙链接。第四步分层开挖至基础筏板底,向上施工底板、侧墙,完成主体结构。3数值模拟建模与分析3.1模型构建根据本基坑工程设计方案和场地工程地质条件,采用 MIDAS GTS NX 有限元模拟软件对站房核心区部分(B24-B38 轴线位置)建立三维立体有限元模型,进行基坑的开挖与支护的模拟分析。整个模型长 332.8 m,宽 168 m,高 90 m,采用混合网格生成器进行网格划分,网格为四面体和六面体相间。模型的边界条件是四周约束水平位移,底面约束水平位移和竖向位移6。计算模型如图 2 所示。图
