隧道基坑施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及臨近建筑變形的影響分析

鄒宏偉

(中鐵二局，四川成都610031)

在城市的基坑開(kāi)挖和支護(hù)工程中，經(jīng)常會(huì)遇到基坑緊鄰建筑物、地下市政管線及周邊交通干線和其他設(shè)施的情況，工程上經(jīng)常關(guān)注巖土體的穩(wěn)定性及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題，但在特殊地段還可能存在對(duì)變形更敏感的構(gòu)造物。這些情況給基坑工程的設(shè)計(jì)和施工都增加了很大的技術(shù)難度，稍有不慎，不僅危及基坑本身的安全，而且會(huì)引起臨近的建筑變形、開(kāi)裂及損壞，甚至造成巨大的損失，因此基坑開(kāi)挖變形對(duì)臨近建筑影響的問(wèn)題不容忽視。本文以成灌快鐵隧道基坑為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析及有限元數(shù)值模擬計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，來(lái)探討在基坑開(kāi)挖過(guò)程中臨近建筑的變形問(wèn)題。

1 工程概況

本文的工程背景為成灌快鐵離堆公園支線隧道，由都江堰市二環(huán)路沿迎賓大道和太平街行進(jìn)，終點(diǎn)為水文化廣場(chǎng)，全長(zhǎng)3 241.1m。隧道全段采用明挖順做法施工。沿線樓宇眾多，人口稠密、交通繁忙，由于受汶川“5·12”地震影響，周?chē)鷺怯罹霈F(xiàn)開(kāi)裂，另外還有加油加氣站、古建筑、市政管線、危樓多且緊臨基坑。工程環(huán)境對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地面變形提出了很高的要求。

1.1 地質(zhì)條件

沿線地貌為成都平原冰水－流水堆積地貌，海拔高度705～725m，地勢(shì)平坦，地形起伏小。

(2)粉質(zhì)黏土():灰黃色為主，硬塑狀，質(zhì)較純，厚0～2m。

(5)粗圓礫土():中密 ～密實(shí)，卵石磨圓度較好，以亞圓形為主，少量圓形，分選差，卵石含量50%～85%，粒徑以20～90mm為主，部分粒徑大于120mm，夾零星漂石，填充物主要為中粗砂，含量約15%。層厚大于20m。

表1 各土層組成及主要物理力學(xué)參數(shù)

2.2 基坑支護(hù)方案

基坑開(kāi)挖深度約14.5m，地面以下1～3m采用放坡開(kāi)挖，坡率采用1∶0.5，下部支護(hù)采用排樁+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，排樁直徑為1.2m，樁間距為2.4m，內(nèi)支撐采用609鋼管支撐，支撐豎向分兩道布置，豎向間距6.1m，水平間距4m，樁間采用錨網(wǎng)噴防護(hù)。某區(qū)段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 某區(qū)段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范及工程實(shí)際，監(jiān)測(cè)中采用的變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值和報(bào)警值[2］，如表2所示。

表2 部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值及報(bào)警值

2 實(shí)際觀測(cè)情況及變形規(guī)律分析

為了實(shí)施對(duì)該隧道基坑動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)過(guò)程，掌握地層、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐體系的狀態(tài)，及施工對(duì)既有建筑物的影響，工程對(duì)基坑施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了全程監(jiān)控量測(cè)。

由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，本文根據(jù)施工組織順序，按時(shí)間順序取以下幾個(gè)主要工況的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析:(1)支護(hù)樁施工后基坑開(kāi)挖至地面下8m;(2)加第一道支撐后;(3)開(kāi)挖至坑底;(4)加第二道支撐后;(5)開(kāi)挖至底后暴露一周;(6)底板澆筑完成;(7)隧道結(jié)構(gòu)施工完成;(8)回填后。以下為該區(qū)段內(nèi)編號(hào)為2#監(jiān)測(cè)圍護(hù)樁樁身位移監(jiān)測(cè)成果及該處臨近建筑測(cè)點(diǎn)C56#的沉降監(jiān)測(cè)成果。

2.1 圍護(hù)樁樁身水平位移

圖2 樁身水平位移

從圖2中可以看出:圍護(hù)樁樁身位移隨著開(kāi)挖深度的增大呈逐步增大的總體趨勢(shì)。在架設(shè)第一道鋼支撐之前，樁身水平位移近似呈前傾型，這主要是由于在架設(shè)第一道鋼支撐之前，基坑已經(jīng)開(kāi)挖至一定深度，致使開(kāi)挖面以上的樁體呈懸臂狀態(tài)，故形成了樁頂位移大而樁身位移小的變形模式;在架設(shè)第二道鋼支撐之前，樁身水平位移有中部大、兩端小的發(fā)展趨勢(shì)，這說(shuō)明了樁體端部位移受到了明顯的約束作用;在架設(shè)第一、二道鋼支撐之后，樁身水平位移增量有明顯減少的趨勢(shì);在基坑開(kāi)挖到底暴露一周后，圍護(hù)樁又出現(xiàn)最大值為1.2mm的位移，所以在基坑開(kāi)挖結(jié)束后，要盡快開(kāi)始結(jié)構(gòu)施工。從圖2中得到樁身位移最大值為8.25mm，未達(dá)到報(bào)警值。圖2中規(guī)定樁身水平位移指向基坑內(nèi)側(cè)為正，指向基坑外側(cè)為負(fù)。

2.2 樁上兩道支撐點(diǎn)及其中點(diǎn)的水平位移與工序的關(guān)系

圖3中，樁頭下1m的測(cè)點(diǎn)剛好為第一道鋼支撐支撐點(diǎn)。從圖中可以看到加第一道支撐施加軸力后該測(cè)點(diǎn)的位移值有明顯的減小，由于支撐的約束作用，位移的增量速度減緩。圖4中，分析開(kāi)挖支護(hù)工序間位移增加的情況，在加第一道支撐后△S＜0，這是因?yàn)橹晤A(yù)應(yīng)力的施加，約束了圍護(hù)樁向坑內(nèi)的位移，甚至使圍護(hù)樁向基坑外方向產(chǎn)生一定位移。另可見(jiàn)對(duì)支護(hù)樁水平位移貢獻(xiàn)大小依次是工況1(懸臂開(kāi)挖)、工況2～工況3(懸臂開(kāi)挖一定深度后至架設(shè)第一道支撐)、工況4～工況5(架設(shè)第二道支撐后至底板澆筑封閉)、工況3～工況4(開(kāi)挖到底至第二道支撐架設(shè))等。這變形大的工序提示施工中特別注意工序間的緊湊安排對(duì)抑制圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地面變形的重要性。

圖3 樁頭下1 m測(cè)點(diǎn)位移

圖4 樁頭下1 m測(cè)點(diǎn)位移變量

圖5 樁頭下3.5 m測(cè)點(diǎn)位移

圖6 樁頭下6.5 m測(cè)點(diǎn)位移

圖5為樁頭下3.5m測(cè)點(diǎn)(約為兩道支撐中間的位置)的位移，從圖中可以看出加支撐力后該測(cè)點(diǎn)位移增值速度減緩。在結(jié)構(gòu)底板澆筑完成后，位移值無(wú)明顯增量，且隨隧道結(jié)構(gòu)施工的進(jìn)展有微量的減小。

圖6中所示的樁頭下6.5m測(cè)點(diǎn)為第二道鋼支撐架設(shè)位置。如圖中所示，在加第二道支撐力后，該測(cè)點(diǎn)的位移增量速度有明顯的減緩，在開(kāi)挖結(jié)束暴露的一周時(shí)間里，又出現(xiàn)一定的增值。在隧道結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中位移值不再有明顯增值，甚至隨施工進(jìn)度有微小的減小。

2.3 坑側(cè)建筑的沉降

圖7 從開(kāi)挖至基底施工結(jié)束階段的測(cè)點(diǎn)C56#的沉降值曲線

從圖7中可以看出，測(cè)點(diǎn)C56#(基坑附近建筑物)沉降量有隨基坑開(kāi)挖的深度(圖上0～15d為基坑開(kāi)挖施工階段)不斷增大的趨勢(shì);當(dāng)基坑底板澆筑結(jié)束后建筑的沉降量又有適量的回彈，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)底板形成了有效的支撐約束作用，約束了圍護(hù)樁的位移，使主動(dòng)區(qū)與被動(dòng)區(qū)土壓力發(fā)生了變化。但是隨著基坑暴露時(shí)間的增加，沉降量又開(kāi)始有少量的增大。從圖7中可以知道建筑沉降最大值為5.6mm。根據(jù)表1可知，在報(bào)警值范圍內(nèi)。圖7中規(guī)定建筑沉降為負(fù)值，抬升為正值。

2.4 坑側(cè)建筑裂縫發(fā)展情況

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，存在周邊建筑出現(xiàn)裂縫的情況。大多為既有裂縫，因?yàn)槎冀呤袇^(qū)為“5·12”特大地震重災(zāi)區(qū)，隧道基坑沿線許多為震后加固建筑。通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在基坑開(kāi)挖施工階段，部分裂縫有加寬的發(fā)展趨勢(shì)。

裂縫觀測(cè)點(diǎn)LF01初始寬度平均為4.27mm，觀測(cè)點(diǎn)LF02初始寬度平均為3.5mm。觀測(cè)點(diǎn)LF01的增量最大值為0.75mm，觀測(cè)點(diǎn)LF02最大增量值為0.89mm。裂縫寬度并沒(méi)有較大的增量，現(xiàn)場(chǎng)表明對(duì)建筑結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的強(qiáng)度或變形影響。其他觀測(cè)結(jié)果也有類(lèi)似結(jié)論。另在基坑外圍地面上只發(fā)現(xiàn)少量縱向裂紋。綜合建筑及地面情況可得出基坑施工對(duì)建筑裂縫的發(fā)展影響不大，本工程采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工是安全的。

3 有限元模擬計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

針對(duì)區(qū)間隧道基坑支護(hù)變形問(wèn)題，本文采用ANSYS有限元程序建立基坑的二維模型，土體均采用各向同性體單元，圍護(hù)樁采用梁?jiǎn)卧?，圍護(hù)樁與土體之間的相互作用采用線彈性理想塑性接觸面單元進(jìn)行模擬[3～5］。各土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)采用地勘報(bào)告及室內(nèi)試驗(yàn)所提供的值。各土層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1。

3.2 模擬過(guò)程

該二維模型開(kāi)挖模擬分成12個(gè)步進(jìn)行模擬計(jì)算。每1步為基坑向下開(kāi)挖1m，其中第8步后加第一道支撐軸力(即實(shí)際工況為基坑向下挖至8m后架設(shè)第一道鋼支撐)，第12步為基坑開(kāi)挖至基底后并加第二道支撐軸力。計(jì)算結(jié)果為建筑臨近基坑側(cè)基底邊緣的沉降量。

4 計(jì)算成果分析

模擬計(jì)算得到建筑基底沉降值隨基坑開(kāi)挖深度的增加而逐漸增大，在加第二道鋼支撐后沉降量有微量的反彈，這是支撐軸力對(duì)圍護(hù)樁及周邊土體位移的起了一定的約束作用。從計(jì)算結(jié)果可知沉降最大值遠(yuǎn)未達(dá)報(bào)警值，在安全范圍內(nèi)。

比較實(shí)際觀測(cè)結(jié)果(圖7)與模擬計(jì)算結(jié)果，臨近建筑沉降計(jì)算值要大于實(shí)際觀測(cè)值，這是因?yàn)楸疚挠?jì)算模型采用二維模型，未考慮基坑三維的約束效應(yīng)[5］。而在實(shí)際的施工過(guò)程中，前一區(qū)段的結(jié)構(gòu)已基本施工完畢，后一區(qū)段還未進(jìn)行開(kāi)挖。這樣對(duì)開(kāi)挖段的基坑有約束作用，圍護(hù)樁及基坑外側(cè)土體位移實(shí)際值要較計(jì)算值小。本文計(jì)算是以建筑物為剛體的假設(shè)進(jìn)行討論的，故未涉及建筑物裂縫的計(jì)算。

5 減小或控制變形的措施

在基坑地質(zhì)條件、長(zhǎng)度、寬度、深度均相同的條件下，許多因素會(huì)使周?chē)貙右苿?dòng)產(chǎn)生很大差別。根據(jù)工程監(jiān)測(cè)及計(jì)算分析，并結(jié)合大量基坑工程實(shí)踐，本文認(rèn)為可以從以下方面來(lái)減小周?chē)貙拥囊苿?dòng)，從而降低基坑施工對(duì)臨近建筑變形的影響。

(1)選取合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)。主要考慮圍護(hù)墻體的剛度、支撐水平與垂直向的間距、墻體厚度及插入坑底深度、支撐預(yù)應(yīng)力的大小和施加的及時(shí)程度，以及安裝支撐的施工方法和質(zhì)量;

(2)注意基坑開(kāi)挖的分段、土坡坡度及開(kāi)挖程序的實(shí)施。在每個(gè)開(kāi)挖程序中，如分層、分小段開(kāi)挖、隨挖隨撐，就可在分步開(kāi)挖中充分利用土體結(jié)構(gòu)的空間作用，減少圍護(hù)墻被動(dòng)壓力區(qū)的壓力和變形，還有利于盡速施加支撐預(yù)應(yīng)力，及時(shí)使墻體壓緊土體而增加土體抗剪強(qiáng)度。這不僅減少各道支撐安裝時(shí)的墻體先期變形，而且可提高基坑抗隆起的安全系數(shù)，否則將明顯增大土體位移;

(3)盡量減少開(kāi)挖施工周期和基坑暴露時(shí)間。特別要注意的是每道支撐挖出槽以后，如延擱支撐安裝時(shí)間，就必然明顯地增加墻體變形和相應(yīng)的地面沉降。在開(kāi)挖到設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高后，如不及時(shí)澆筑好底板，使基坑長(zhǎng)時(shí)間暴露，亦將增大圍護(hù)墻外側(cè)土體向坑內(nèi)的位移，因而增加地表沉降，雨天尤甚;

(4)注意水的影響。在降雨或地下水豐富的地域，基坑施工必然要充分考慮降水。水會(huì)使基坑周邊及坑底土體軟化，增大土重，增大墻體位移和周?chē)貙游灰?，甚至?dǎo)致土體發(fā)生滑移;

(5)盡量避免地面超載和振動(dòng)荷載。地面超載和振動(dòng)荷載會(huì)減少基坑抗隆起安全度，增加周?chē)貙游灰啤?/p>

[1]劉建航．地下墻深基坑周?chē)貙右苿?dòng)的預(yù)測(cè)和治理之一[J］．地下工程與隧道，1991(2)

[2]GB50497－2009建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S］

[3]孫凱，許振剛，劉庭金，等．深基坑的施工監(jiān)測(cè)及其數(shù)值模擬分析[J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(2):293－298

[4]何世秀，吳剛剛，朱志政，等．深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)影響因素的有限元分析[J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(增2):5478－5484

[5]李斯海，張玉軍．深基坑開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程的平面有限元模擬[J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(3):342－345