衬砌厚度对山洞式立体停车库施工的影响

罗 伟张梦玲

（1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074）

衬砌厚度对山洞式立体停车库施工的影响

罗 伟1张梦玲1

（1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074）

本文通过重庆某山洞式立体车库的实例分析，通过有限元软件ANSYS模拟了山洞式立体停车库衬砌厚度依次为0.6m、0.8m、0.4m三种情况下的受力状态，得出其各自的位移、变形、应力值之间的大小关系，计算结果对实际工程有一定的借鉴作用。

立体车库；有限元；衬砌厚度

1引言

地下立式停车场，又名为山洞式立体停车库，主要是修建于地面至地下一定深度的停车库。其相比其他停车场的最大优势就是取消停车场与地面间车道和绕道，靠提升机实现地面和地下的调度[1]。

山洞式立体停车库为地下条形或柱形建筑物，结构组成部分与一般的地下建筑物，如深基坑、隧道，有较大的相似点。一般由开完前的预支护结构（如钢板桩、地下连续墙等）、支护结构及支撑结构组成。对于山洞式立体停车库的主体结构施工，主要采用分层逆作法，其开挖方法为：分层开挖一定的深度，开挖完成后，在开挖面喷射一定厚度的混凝土，并制作土钉（本例为锚杆），控制岩体的变形。当混凝土达到设计强度或者岩体的变形已经收敛，继续开挖第二层岩体，然后喷射混凝土及制作土钉，以此循环，直至开挖工作完成。

本文主要研究的是开挖过程中，喷射混凝土厚度对于山洞氏立体停车库施工的影响，主要借用大型有限元分析软件ANSYS来对这个过程进行模拟、分析并得出相应结论。

2数值模型与参数

本山洞式式立体停车库地址拟建在重庆，由于重庆地理条件较好，故在建设过程中只考虑三种岩土体（从上至下分别为：杂填土、砂岩、泥岩）。而本山洞式立体车库主体结构部分为一标准的圆柱体，圆柱体的半径为9米，高度（即垂直深度）为40米，因为的垂直深度为40米，故开挖深度为40米。

实际工程中，最上层五米为杂填土，第五米到三十五米为泥岩，泥岩以下皆为砂岩，在建模时根据不同的材料划分不同的属性。考虑到再开挖过程中，对周围岩体产生扰动，进而对整个工程产生影响，所以，建模时，应考虑到开挖影响范围，故建模的高度为120米，半径为60米。本例是一个空间完全对称的结构，在利用ANSYS进行计算时，可以简化为一个平面轴对称模型，轴对称处理完以后，可通过扩展命令得到整体计算模型[2]～[3]。

本工程拟定三种衬砌厚度，即对应三种工况，依次为：第一种工况，衬砌厚度0.6m；第二种工况，衬砌厚度0.8m；第三种工况，衬砌厚度0.4m。

表1 各材料参数

3数值实验结果分析

本例用有限元软件ANSYS模拟其施工步骤，其模拟过程应与实际施工过程相适应。其具体的模拟过程为：首先根据实际的模型建立好有限元单元模型，然后对其进行网格划分，对不同的材料赋予不同的材料属性，完成前处理过程。对建好的模型施加节点约束及自重，然后进行第一次计算[4]。

在第一步计算实际上为岩体在自重应力作用下的变形，定义为第一种工况。然后模拟开挖，将第一层土体单元杀死，对第一层的各节点力进行部分释放，制作撑起及锚杆，将开挖面附近的单元激活，并赋予衬砌的材料属性，建立杆单元用于模拟土钉。完成这两步相当于是完成了第一层的支护，并将节点力完全释放，计算，并提取下一层土的节点力。以上述方法开挖以下的土体，直至工程结束[5]。

计算结果如下：

从图中可以看出，整个模型中，X方向位移最大值出现在靠近顶部且靠近开挖面的地方，并由此可以看出，水平方向的位移是趋近于开挖面的。

图1 立体车库X方向的位移云图

图2 节点46（地面靠近开挖面的节点）的水平位移变化情况

表2 三种施工方案结果对比

由表中可以看出，第二种施工方案的最终沉降量最小，那么相应的，此施工方案因开挖而引起的变形也就最大。第三种施工方案因施工引起的变形量最小，而第一种介于二者之间。

从表2的后两项指标中的最大应力值皆指开挖面附近、锚杆及混凝土衬砌的应力值中的较大值。从表中可以看出可以看出，混凝土衬砌厚度的不同，各值的大小不同，且变化趋势也不相同。

4结论

本章主要从山洞式立体停车库的主体结构开挖出发，通过有限元软件ANSYS计算在三种不同情况下，主体结构的水平位移、竖向沉降、X及Y方向的应力变化及其数值大小。通过比对，得出如下的相关结论：

1、在其他条件均不变的情况下，水平位移值与竖向沉降量是与混凝土衬砌厚度密切相关的，且在一定范围内，水平位移是随着混凝土厚度成反相关，竖向位移与混凝土厚度成正相关；

2、水平位移值及竖向沉降量都是逐渐减小，且有收敛的趋势。

3、应力的大小与混凝土厚度有一定的联系，从计算图形中可以看出，混凝土厚度越大，其应力值越小，但是其周围岩体的应力值反而越大；

[1]贺拥军，杨承超，周绪红.立体车库的应用形式及发展与应用[J]，建筑科学与工程学报，2009,12

[2]李围.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京：中国水利出版社，2007

[3]刘相新，孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M],北京：科学出版社，2006

[4]OMRON SYSMAC C一series Raek PCs Optieal Remote I/0 SYSTEM MANUAL,1990

[5]王成.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2009.8

TU75

B

1007-6344（2015）06-0276-01

第一作者：罗伟（1989.05—），男，四川资阳人，在读研究生，主要从事隧道工程设计理论及岩土工程方面的研究。