地下變電站深基坑工程的變形控制

郝 兵，李從昀，王友軍

(北京電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100055)

近年來，隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源日漸稀缺，北京城區(qū)建設(shè)的變電站以地下變電站為主。國家電網(wǎng)公司“兩型一化”變電站設(shè)計建設(shè)導(dǎo)則中提出了“環(huán)境友好型”的技術(shù)要求，而地下變電站“節(jié)地、和諧、簡約”的設(shè)計原則契合了這一要求。地下變電站深基坑開挖既要保證自身施工的安全，更要保證基坑周邊設(shè)施的安全和正常使用。深基坑工程對周邊環(huán)境的影響主要是由于基坑的開挖卸載引起周圍土體的變形，繼而影響周邊的建(構(gòu))筑物、市政道路、地下管線等，變形影響主要體現(xiàn)在基坑附近的地面沉降和周邊土體的位移。因此，在地下變電站基坑支護設(shè)計時必須遵照變形控制的原則。

地下變電站基坑工程與一般建設(shè)項目相比，具有規(guī)模小，深度大，環(huán)境條件更加復(fù)雜的特點，目前國內(nèi)已經(jīng)積累一些復(fù)雜環(huán)境深基坑類似案例。北京地區(qū)近幾年已經(jīng)積累了一定數(shù)量地下變電站深基坑的經(jīng)驗，分析、總結(jié)已有的工程經(jīng)驗，對今后地下變電站工程建設(shè)的順利開展、保證工程安全、保護環(huán)境及規(guī)避工程建設(shè)中的巖土工程風(fēng)險有重要的意義。

1 變形的影響因素及控制措施

由于基坑的開挖卸載，支護結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形，位移場通過周邊土體向外傳遞并且逐漸衰減，最終影響周邊建(構(gòu))筑物的位移?；幼冃伟▏o墻體的變形、基坑周圍土體位移、坑底回彈和地表沉降等。一般來說，復(fù)雜環(huán)境條件下的基坑周圍地層位移是基坑工程變形控制的主要問題。地表沉降對周邊地下管線危害極大，是控制地下管線變形的主要控制指標(biāo)。本文主要討論由于基坑的開挖引起的土體位移問題。

1.1 基坑變形的影響因素

從基坑引起環(huán)境變形的機理分析可以得出，基坑的最終變形受多方面因素的制約，包括地層的物理力學(xué)性質(zhì)、地下水條件；基坑周邊建(構(gòu))筑物，市政設(shè)施和地面荷載，維護結(jié)構(gòu)的剛度、支撐剛度和支護結(jié)構(gòu)入土深度，支撐力的大小，土體主動區(qū)和被動區(qū)的加固方法，施工工法、開挖方法及施工周期等。

1.2 基坑變形的控制措施

根據(jù)上述分析，為了控制基坑引起的周邊土體位移，可主要從三個方面考慮。一是控制支護結(jié)構(gòu)的變形，例如加強支護結(jié)構(gòu)的剛度，選取排樁等剛度較大的支護型式，加大支撐力、支撐剛度，優(yōu)化支撐位置；加固被動區(qū)土體，增加土體抗力；加固坑外側(cè)土體，減小主動區(qū)荷載。二是在位移場的傳遞路徑上進(jìn)行控制，如加固土體，設(shè)置隔離樁。三是采取有效的施工控制措施，例如利用時空效應(yīng)規(guī)律，分時分塊開挖，減小基坑變形對保護對象的影響。

2 工程概況

北京菜市口220 kV變電站是我國第一個對外開放可供參觀式的220 kV運行變電站。采用框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，地上6層～12層，地下5層，置于同一基礎(chǔ)底板，基坑面積約5621 m2，深度29.1 m，集水坑部分深30.7 m，是北京地區(qū)較深的基坑工程之一?；幼?012年7月開挖，2013年6月挖土完成，2014年11月主體結(jié)構(gòu)竣工，基坑支護采用了排樁+錨索的支護方案，地下水采用管井降水。實踐證明，此種方案支護結(jié)構(gòu)的變形控制得較好，周邊建筑物的位移可以控制在安全的范圍內(nèi)，附近地鐵的運營情況良好。

2.1 建筑設(shè)計概況

地下變電站基坑西側(cè)緊鄰菜市口大街輔路，地下分布有各類地下管線，以下為正在營運的地鐵4號線陶—菜區(qū)間，北側(cè)為中山會館，東側(cè)為珠朝街，環(huán)境條件復(fù)雜，如圖1。地鐵4號線陶—菜區(qū)間隧道為馬蹄型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。為保證地鐵的運營安全，北京市地鐵運營有限公司要求“由于基坑的開挖引起的軌道垂直及水平位移均不超過3 mm”。

圖1 基坑周邊的環(huán)境條件

2.2 工程地質(zhì)條件

2.2.1 地層巖性

基坑計算深度范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)參見表1。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)

2.2.2 地下水條件

地下變電站工程場區(qū)分布2層地下水，第1層地下水類型為潛水，穩(wěn)定水位標(biāo)高為20.45 m ～ 21.68 m(埋深 25.50 m ～ 26.40 m)；第2層地下水為承壓水，其穩(wěn)定水位標(biāo)高為18.15 m(埋深28.70 m)。

2.3 支護方案設(shè)計

經(jīng)綜合考慮周邊環(huán)境條件及控制要求，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗，分析比選后采用樁錨支護方案。嵌入深度8.0 m，樁徑1200 mm，樁距1.6 m，支撐采用7道預(yù)應(yīng)力錨索，水平間距1.6 m。上部采用2.5 m高的370 mm磚砌擋墻。采用孔徑800 mm的大口井降水， 井間距6.4 m，井深42 m?；又ёo詳細(xì)設(shè)計計算如下。

2.3.1 內(nèi)力變形計算

內(nèi)力變形計算結(jié)果見圖2，整體穩(wěn)定性計算見圖3。

圖2 內(nèi)力變形計算結(jié)果

2.3.2 整體穩(wěn)定計算

整體穩(wěn)定計算見圖3。

圖3 整體穩(wěn)定性計算

2.3.3 周邊位移預(yù)測

為了求解周邊位移，本文選用解析法進(jìn)行求解周邊任意一點的位移。

水平位移計算見式(1)：

垂直位移計算見式(2)：

其中：

式中：η為開挖時墻趾下部土體影響深度系數(shù)；x為計算點至基坑邊的距離；y為計算點至地表的距離；φ為圍護墻后土體內(nèi)摩擦角；n為支撐合力深度系數(shù)，一般可取為0.7；s2=f2(y)為擋墻水平變形OAB部分的變形方程。

根據(jù)上述公式，將圖2的位移圖按照解析法進(jìn)行分解為三角形位移S1和拋物線位移S2，三角形位移函數(shù)s1=f1(y)，曲線形位移函數(shù)s2=f2(y)(0≤y≤35)，見圖4。為了消除隧道結(jié)構(gòu)對位移場的影響，計算點位置取距離基坑最近的隧道結(jié)構(gòu)外皮M點，見圖5，代入求得該點水平位移為1.3 mm，垂直位移為1.3 mm，考慮計算誤差及隧道結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用，初步判斷隧道底的位移可以滿足不超過3 mm的要求。

圖4 位移計算函數(shù)

圖5 支護結(jié)構(gòu)剖面圖

2.4 基坑支護數(shù)值分析

方案設(shè)計同時采用數(shù)值分析軟件FLAC3D進(jìn)行基坑施工對既有地鐵隧道影響的變形分析計算，模型大小為280 m×240 m×90 m，共計748060個單元，134161個節(jié)點。在模型的底面(z＝－44.0 m)處施加豎向約束，在模型的側(cè)面(x＝－95，x＝145 m；y＝－90，y＝190 m)處施加水平約束。模型中的土體本構(gòu)關(guān)系采用非線性彈塑性高級本構(gòu)cap yield模型?；娱_挖引起維護結(jié)構(gòu)和地鐵隧道的豎向變形和水平變形見圖6～圖8。由于基坑開挖的空間效應(yīng)，西側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大水平變形約23 mm，發(fā)生在基坑中部。地鐵隧道向基坑內(nèi)一側(cè)產(chǎn)生水平變形，最大水平變形1.26 mm，最大回彈1.69 mm。數(shù)值分析的結(jié)果與按照解析法求得的位移吻合度很高。

圖6 基坑支護結(jié)構(gòu)變形(m)

圖7 隧道豎向變形(m)

圖8 隧道水平變形(m)

2.5 施工期變形控制方法

(1)根據(jù)時空效應(yīng)原理，充分發(fā)揮土體自身抗變形能力以減少土體位移。對土體開挖按照分層、分塊、對稱、限時的要求，采取抽條式間隔挖土，每條長度20 m。

(2)對于基坑西側(cè)錨桿，為了增加錨固力安全儲備，避免對地鐵運營帶來風(fēng)險，對于最下面三道錨桿進(jìn)行了二次、三次高壓注漿，注漿壓力不低于2.0 MPa，從而加大預(yù)應(yīng)力。

(3)基礎(chǔ)底板強度達(dá)到要求后，與排樁之間肥槽用混凝土與底板同時進(jìn)行澆筑，確保兩者之間無縫連接?；A(chǔ)底板澆筑后形成鋼筋砼內(nèi)撐，以減少基坑變形。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

工程施工階段對圍護樁、錨桿以及臨近基坑的地鐵隧道均進(jìn)行了位移監(jiān)測，按照開挖1→加支撐1→開挖2→加支撐2………加支撐7→開挖8，可分為15種工況。

3.1 維護樁位移監(jiān)測

圖9為基坑西側(cè)中部的圍護樁深部位移監(jiān)測結(jié)果。為了便于說明，下面選取幾種代表性工況做具體分析。

圖9 圍護樁深層位移變化情況

由圖9可以總結(jié)出以下幾點：

(1)支護結(jié)構(gòu)隨著開挖深度的加大，側(cè)向變形逐漸增加，監(jiān)測數(shù)據(jù)的拋物線變形特征明顯，支護結(jié)構(gòu)上部位移大，下部位移小，向下逐漸衰減，到支護結(jié)構(gòu)底部時位移接近為0，說明支護結(jié)構(gòu)的嵌固深度設(shè)置得較為合理。在基坑開挖至基底29.1 m深時樁頂水平位移達(dá)到13 mm(ZQ2工況15)，接近監(jiān)測位移的最大值14 mm(ZQ2工況13)，這與設(shè)計位移計算的結(jié)果8.5 mm有一定差別。位移的最大值一般出現(xiàn)在樁頂附近，主要原因是由于第一排錨索受周邊環(huán)境限制，錨固長度較短，無法施加更大的預(yù)加力來控制樁頂位移。

(2)通過比較成對的工況5和工況6，工況11和工況12……工況14和工況15，在錨索施加預(yù)應(yīng)力后支護結(jié)構(gòu)的變形均有明顯減小，預(yù)應(yīng)力錨索在控制支護結(jié)構(gòu)位移方面有顯著的效果。

(3)比較監(jiān)測位移和設(shè)計計算位移可知，利用彈性抗力法計算的的位移與實際監(jiān)測位移基本上可以吻合。

(4)需要說明的是，深層位移監(jiān)測的結(jié)論只反映相對位移的變化情況，與絕對位移會有一定誤差。主要原因是在測斜管安裝時支護結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了一定的初始變形，因此與計算得到的支護變形有一定的出入。

3.2 隧道位移監(jiān)測

從隧道道床沉降和結(jié)構(gòu)位移的監(jiān)測結(jié)果(圖10、圖11)來看，由于基坑支護結(jié)構(gòu)剛度較大，施加的支撐力較大，因此地鐵隧道的位移并不明顯。

圖10 隧道結(jié)構(gòu)豎向位移

圖11 隧道結(jié)構(gòu)水平位移

圖10為隧道右線道床回彈情況。自基坑開挖卸載開始，隧道路床的豎向位移便以回彈為主，在2月20日左右基坑開挖至第4道錨桿深度處，回彈量達(dá)到最大值2 mm，之后比較平穩(wěn)，未有明顯增長。這與按照平面問題的簡單解析法計算位移1.3 mm相接近，與FLAC3D的數(shù)值模擬結(jié)果1.69 mm相一致，完全處于設(shè)計控制范圍之內(nèi)。

圖11為隧道右線結(jié)構(gòu)水平位移情況。從圖中看出隧道水平位移的規(guī)律性似乎并不明顯，在2月10日左右隧道結(jié)構(gòu)水平位移達(dá)到接近最大值2 mm后趨于穩(wěn)定，到基坑開挖至基底未有明顯變化。與簡單解析法計算得到的1.3 mm和FLAC3D數(shù)值模擬的1.26 mm十分接近，說明兩種方法的變形預(yù)測比較接近實際。

通過監(jiān)測結(jié)果與解析法的計算結(jié)果，數(shù)值模擬結(jié)果對比，實際位移與計算位移差別不大。

4 結(jié)論

(1)地下變電站基坑工程，由于周邊的巖土工程條件復(fù)雜，因此變形控制應(yīng)始終貫穿于勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測預(yù)警預(yù)報的全過程。

(2)為了有效控制基坑周邊土體的位移，可以選擇結(jié)構(gòu)剛度大的支護結(jié)構(gòu)，加大支護樁的剛度、嵌固深度，預(yù)應(yīng)力錨桿采取二次、三次壓漿，并且以基礎(chǔ)底板作為內(nèi)支撐等多種方式來控制支護結(jié)構(gòu)的變形。

(3)基于“荷載—結(jié)構(gòu)”模型計算得到的支護結(jié)構(gòu)位移與FLAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果以及實際監(jiān)測結(jié)果都非常相近，實際監(jiān)測的支護結(jié)構(gòu)變形拋物線特征明顯。

(4)應(yīng)用解析法求解周邊移場的計算結(jié)果，與FLAC3D連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析方法二者結(jié)果基本一致。并且與實際監(jiān)測的隧道結(jié)構(gòu)位移相比較，計算誤差不大，能夠大大簡化位移計算，滿足地下變電站基坑工程設(shè)計中的變形預(yù)測要求。

[1]夏泉，賈云華.地下變電站的建設(shè)及應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2013，(增刊).

[2]周麗巍，李茜.北京電網(wǎng)220 kV地下變電站安全運行分析[J].中國電力，2010，43(5).

[3]豐土根，杜冰，花劍嵐等.500 kV地下變電站基坑圍護結(jié)構(gòu)抗震影響因素[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，11(4).

[4]宋青君，王衛(wèi)東.上海世博500 kV地下變電站圓形深基坑逆作法變形與受力特性實測分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010，31(5).

[5]唐孟雄，趙錫宏.深基坑周圍地表任意點移動變形計算及應(yīng)用[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1996，24(3).

[6]LEE K M.The effect of excavation for building on exciting underground tunnels[C].Proceeding of the International Conference on Soft Soil Engineering Recent Advance in Soft Soil Engineering .Beijing：Science Press，1993.

[7]俞縉，等.基坑工程下地鐵隧道隆起位移數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué)，2007，28(增刊).

[8]DOLEZALOVA M.Tunnel complex unloaded by a deep excavation[J].Computer and Geotechnics，2001，28(6－7)：469－493.

[9]王衛(wèi)東，等.基坑工程對臨近地鐵隧道影響的分析與對策[J].巖土工程學(xué)報，2006，28(S).

[10]戚科駿，等.臨近地鐵隧道的深基坑開挖分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(2).

[11]李宇生，喻衛(wèi)華.深基坑施工對緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2013，9(2).

[12]鄭剛，劉慶晨，鄧旭.基坑開挖對下臥運營地鐵隧道影響的數(shù)值分析與變形控制研究[J].巖土力學(xué)，2013，34(5).

[13]劉國斌，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.