全国市政工程行业科技成果展示:深基坑托换梁柱变形及控制技术研究


    “深基坑托换梁柱变形及控制技术研究”项目于2011年6月立项, 2014年12月完成,2015年5月通过了天津市高新技术成果转化中心组织的项目成果鉴定。该项目研究由天津市市政工程设计研究院、天津大学等单位承担。该研究项目成果获2015年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”二等奖,其成果适用于城市轨道交通、铁路、桥梁、建构筑物等相关托换工程安全监测。

    项目研究概况介绍 

    “深基坑托换梁柱变形及控制技术研究”项目主要依托天津文化中心交通枢纽第三方监测工程工程研发。天津文化中心交通枢纽工程属于“深、大、险”工程,也是天津市重点建设项目,邻近有天津自然博物馆大型钢桁架建构筑物,柱被托换前后,邻近影响范围内的梁、柱、板等结构可能会发生较大变形,进而危机结构本身以及邻近建构筑的安全。因此,研究开发先进的深基坑托换梁柱变形及控制技术对天津文化中心交通枢纽工程的安全顺利实施至关重要。

    “深基坑托换梁柱变形及控制技术研究”项目所应用的技术原理如下:通过数值模拟分析,得到影响托换梁柱变形的主要影响因素以及托换梁托换前后应力应变、挠度等的变化情况;制定有针对性性的托换梁施工方案及监测方案,给出适合该工程的监测点位、监测方法及其控制指标;鉴于该工程对监测频率要求较高,采用自动化监测技术,建立了托换梁施工监测预警预报系统;监控量测数据信息实时监测和远距离无限传输,实现了信息化施工,确保了整个整个施工过程结构和邻建的安全,节约了大量人力、物力,取得了良好的社会、经济效益。

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    项目关键技术及创新点

    当前,国内外各种托换工程的变形及控制技术研究主要是针对既有桥墩墩柱、建构/筑物桩基托换而言的,针对既有基坑结构柱在地下空间内进行托换的变形及控制技术研究尚未发现,因此针对天津文化中心交通枢纽的地下托换工程开展系统性的理论分析和工程监测研究具有十分重要的意义。

    “深基坑托换梁柱变形及控制技术研究”项目研究的关键技术及创新点如下。

    1)采用了“整体与局部相结合”的数值模拟分析方法。既有常规的基础托换分析方法通常是只对结构整体或局部进行受力分析,没有将两者有机的结合起来,使得计算结果均不能充分的反应出结构真实的受力特性。本项研究运用ABAQUS有限元软件对地铁基础托换施工进行了全过程的数值模拟,先对地铁整体结构及周围土体采用实体单元建立大尺度的模型,分析结构在结构自重和周围土体作用之下,基础托换前后结构整体及关键部位处的应力变化情况;之后再对各托换部位进行精细化局部小尺度建模分析,研究托换结构在托换前后和承载力设计值下钢筋应力、梁体挠度、结构变形等变化情况,从而为施工过程监测提供知道和理论依据。此分析方法在满足工程精度要求的前提下,最大程度的提高了计算效率,且在此项工程实践中得到了检验,取得了较为良好的效果,值得在以后类似工程中推广应用。

    2)托换结构稳定性的影响因素研究。为了加强托换结构及托换后结构整体的稳定性,寻找到最为稳定和经济的托换梁结构形式,分别对托换梁的结构形式和支撑面进行研究。经过比选,本工程确定采用:被动托换技术、粘结灰浆锚固剂进行植筋、型钢+钢筋混凝土结构托换方案。

    3)构建立体、自动化、实时、远程传输监测系统。基于对托换梁工程的数值分析结果,确定了将梁的挠度、板的变形、柱的沉降以及梁内钢筋应力作为重点监测项目,分别布设了一系列监测仪器,并在典型断面的梁跨中部位使用了点焊式应变计,对钢筋应力变化进行监测。在整个监测过程中实现了在梁-板交界面、梁-柱交界点变形的相互校验以及梁中间截面处应力应变的相互校验。

    由于传统的监测方法存在着数据分散、效率低和滞后性等问题,给实际工程施工中埋下了安全隐患,本项研究提出了新型自动监测系统,实现了对整个施工监测过程的全自动采集、分析及预警,保证了监测的实时性、连续性和有效性。该自动监测系统成功的应用到了天津文化中心交通枢纽工程地铁Z1线负三层既有柱托换项目中,监测结果显示此监测系统是一种高精度的、高效率的、先进的监测系统,值得在类似工程中得到进一步的推广应用。

    4)项目研究的创新点。针对托换梁施工工艺,应用了整体大尺度和局部精细化相结合的数值模拟分析方法,提高了计算精度和效率,准确的提出了结构应力、应变和挠度等预警值。基于数值分析结果优化了监测方案,研发具有自校验功能的托换梁施工立体监测体系,实现了对施工全过程监测数据的自动实时采集、校验、分析及预警。研究了基础托换过程中柱梁节点处的冲切、滑移,梁的挠度、扭转,对于托换梁施工方案设计具有指导意义。

    该项目研究成果获得天津市“海河杯”优秀勘察设计奖1项、全国优秀工程勘察设计行业奖1项、天津市优秀测绘工程奖1项。基于该项目课题,完成了《施工监测数据处理软件V1.0》软件及其著作权各1项、申报《一种深基坑托换梁柱变形自动化实时监控方法》发明专利一项,发表科技论文3篇。

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    项目应用成果与效益

    “深基坑托换梁柱变形及控制技术研究”项目研究成果已成功应用于天津文化中心交通枢纽第三方监测工程、天津地铁5、6号第三方监测工程等多个项目,累计节约资金600余万元,新增利润500万元。

    近年来,天津市进入了地下轨道交通建设的快速期,已建成1、2、3、9号线,在建5、6、4、10、滨海B1等,预计共有23线路,地下轨道交通一般会涉及到下穿、侧穿既有线、邻近建构筑物等情况,这往往会给轨道交通工程带来很大的安全风险,如何确保轨道交通施工全过程的结构安全、周边建构筑物安全就成为了各项工作的重中之重。

    天津文化中心交通枢纽工程包含M5、Z1、M10三条地铁线路,建成后是天津市的重要轨道交通枢纽,四标段Z1线为负三层既有柱托换项目位于地下20m左右,托换位置深,且距离天津自然博物馆最近不足20m,存在较大风险。依托该工程确立的“深基坑托换梁柱变形及控制技术研究”课题,通过数值模拟分析,得到影响托换梁柱变形的主要影响因素以及托换梁托换前后应力应变、挠度等的变化情况;制定有针对性性的托换梁施工方案及监测方案,给出适合该工程的监测点位、监测方法及其控制指标;鉴于该工程对监测频率要求较高,采用自动化监测技术,建立了托换梁施工监测预警预报系统;实现了信息化施工,确保了整个施工过程的安全,节约了大量人力、物力,取得了良好的社会、经济效益。

    (天津市市政工程设计研究院 供稿)

    注:本文刊载于《市政技术》2017年第4期,第2、3页。