易觸變性土層基坑地連墻插入比優(yōu)化研究

彭 林 （中鐵一局集團(tuán)有限公司廣州分公司，廣東 廣州 511400）

0 前言

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，軟土地層地鐵車站深大基坑頻現(xiàn)。軟土地層地鐵車站深大基坑的開挖施工，具有影響范圍大、施工環(huán)境復(fù)雜、施工難度高等特點(diǎn)[1-2]。因此，在基坑開挖過程應(yīng)采取必要的施工措施和工藝，保障開挖過程基坑和圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

在諸多影響軟土地層深大基坑穩(wěn)定性的因素中，地連墻插入比顯得尤為重要[3]。王梅通過數(shù)值模擬研究指出，擋土墻插入比對擋墻側(cè)移有一定影響，隨插入比增大，上部墻體側(cè)移逐漸增大，而下部墻體卻相反，當(dāng)插入比在1.2左右時(shí)，墻體側(cè)移最小[4]。劉吉波等通過分析不同中墻插入比下左、中、右墻的側(cè)移規(guī)律，得到了優(yōu)化后的中墻插入比為2～3[5]。高新南等研究指出，當(dāng)插入比達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加插入比并不能顯著降低咬合樁的最大側(cè)移，并給出了蘇州地鐵車站基坑多支點(diǎn)咬合樁的插入比建議值為0.7～0.8[6]。羅海燕等結(jié)合太原市地鐵2號線中心街西站基坑研究了地連墻插入比的變化對于地表沉降、地連墻水平位移的影響，并建議黏土及粉土地區(qū)深基坑工程地連墻插入比的取值范圍為0.7～0.8[7]。

采用Midas GTS有限元軟件，建立太原地鐵2號線一期礦機(jī)站基坑標(biāo)準(zhǔn)段的二維平面應(yīng)變模型，系統(tǒng)研究了不同插入比條件下地連墻墻頂位移、墻體位移和鋼支撐軸力的變化趨勢。以期為礦機(jī)站基坑和礦機(jī)站所在區(qū)域基坑施工中地連墻插入比的合理取值提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

太原地鐵2號線一期礦機(jī)站為地下兩層島式站臺雙柱三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，總長221.0m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.3m，底板埋深18.3～21.4m。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JGJ120-2012）中有關(guān)規(guī)定，主體基坑側(cè)壁安全等級及基坑變形控制保護(hù)等級為一級，圍護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻+3（4）道內(nèi)支撐的形式，主體結(jié)構(gòu)部分為厚度800mm的地連墻，標(biāo)準(zhǔn)段嵌固深度約為9m，采用φ800×16mm的鋼管支撐直接撐在連續(xù)墻上。首層撐至2道撐的距離為7.2m，2道撐至3道撐的距離為5.5m，3道撐至坑底距離為3.75m。

2 有限元模型

采用Midas GTS NX2017有限元軟件建立礦機(jī)站基坑標(biāo)準(zhǔn)段的二維平面應(yīng)變模型，模型水平方向取102m，豎直方向取45m，有限元模型如圖1所示。三道鋼支撐均采用直徑為800mm壁厚16mm的Q235級鋼管，第一道支撐設(shè)置于地面下-0.5m處，第二道支撐設(shè)置于地面下-6.5m處，第三道支撐設(shè)置于地面下-12.0m處。各類巖土采用實(shí)體單元模擬，地下連續(xù)墻及鋼支撐采用梁單元，其中地下連續(xù)墻及支撐采用彈性本構(gòu)模型，土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型?；油馏w分四次開挖，第一次開挖至地表下-4.0m處，第二次開挖至地表下-9.0m處，第三次開挖至地表下-13.5m處，第四次開挖至基底標(biāo)高。

圖1 有限元模型

標(biāo)準(zhǔn)段各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

土層參數(shù) 表1

鋼支撐和地連墻參數(shù)如表2所示。

鋼支撐和地連墻參數(shù) 表2

依據(jù)既有文獻(xiàn)研究成果[6-7]，本文主要研究地連墻插入比分別為 0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 和 1.0 條件下的基坑穩(wěn)定性，并通過不同插入比時(shí)墻頂位移、墻體位移和鋼支撐軸力的對比分析，得到優(yōu)化的地連墻插入比。

3 結(jié)果分析

礦機(jī)站基坑屬于一級基坑，根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50911-2013）[8]和山西省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》（DBJ04/T258-2016），礦機(jī)站基坑的變形控制值如表3所示。鋼支撐軸力設(shè)計(jì)最大值為1200kN，控制值取60%的設(shè)計(jì)最大值，為780kN。

基坑變形控制值 表3

數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表4所示。

墻頂水平位移隨地連墻插入比變化趨勢如圖2所示。當(dāng)插入比由0.4增大到0.6時(shí)，地連墻墻頂水平位移呈逐漸減小的趨勢；當(dāng)插入比由0.6變?yōu)?.8時(shí)，墻頂水平位移由0逐漸增加至0.57mm；當(dāng)插入比為0.9時(shí)，墻頂水平位移突增為10.11mm，而后當(dāng)插入比為1.0時(shí)墻頂水平位移降為3.69mm。

墻頂豎向位移隨地連墻插入比變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)插入比由0.4增大到0.8時(shí)，地連墻墻頂豎向位移由8.88mm逐漸減小至4.95mm；當(dāng)插入比為0.9時(shí)，墻頂豎向位移突增為15.04mm，而后當(dāng)插入比為1.0時(shí)墻頂水平位移降為4.57mm。

圖2和圖3中，通過數(shù)值計(jì)算所得墻頂水平和豎向位移雖然沒有超過表3中控制值，但插入比為0.9時(shí)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)的突變。

數(shù)值模擬結(jié)果 表4

圖2 地連墻墻頂水平位移與插入比的關(guān)系

圖3 地連墻墻頂豎向位移與插入比的關(guān)系

墻體水平位移隨插入比變化的曲線如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)插入比由0.4增大到0.8時(shí)，地連墻墻體水平位由8.9mm逐漸增加至10.09mm，且基本上呈線性變化趨勢；當(dāng)插入比由0.8增大到1.0時(shí)，地連墻墻體水平位由10.09mm快速增加至30.51mm，超出了表3中墻體水平位移控制值。

圖4 地連墻墻體位移與插入比的關(guān)系

鋼支撐軸力隨地連墻插入比變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)插入比由0.4增大到0.8時(shí)，鋼支撐軸力呈先減小后增大的趨勢，并在插入比為0.5時(shí)達(dá)到最小值318.89kN，但插入比為0.6～0.8時(shí)，鋼支撐軸力相差不大，在10kN以內(nèi)；當(dāng)插入比為0.9時(shí)，鋼支撐軸力突增為378.82kN，而后當(dāng)插入比為1.0時(shí)墻頂水平位移降為334.12kN。

圖5 鋼支撐軸力與插入比的關(guān)系

綜上可知，當(dāng)?shù)剡B墻插入比從0.4到1.0變化時(shí)，地連墻墻頂水平位移、地連墻墻頂豎向位移和鋼支撐軸力最大值均小于規(guī)范控制值，只有墻體水平位移在插入比為1.0時(shí)超出了表3中墻體水平位移控制值。

插入比為0.9時(shí)，地連墻墻頂水平位移、地連墻墻頂豎向位移、墻體水平位移和鋼支撐軸力最大值均出現(xiàn)了突變。也就是說，針對礦機(jī)站基坑區(qū)域土層參數(shù)，并不是插入比越高越有利于基坑和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，工程實(shí)際中應(yīng)結(jié)合具體情況對地連墻插入比進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，建議礦機(jī)站基坑地連墻插入比取 0.7～0.8。

4 工程實(shí)踐

4.1 現(xiàn)場監(jiān)測情況

太原地鐵2號線一期礦機(jī)站于2016年6月22日開始圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，2016年9月21日開始土方挖，2016年10月13日，首次發(fā)生紅色報(bào)警（預(yù)警值列于表3），2016年11月7日首段基坑見底，截止2017年6月27日，完成土方開挖5段，底板澆筑5段，共出現(xiàn)紅色預(yù)警10次，橙色預(yù)警11次，黃色預(yù)警2次，主要為樁頂水平位移（累計(jì)變形25mm、3mm/d）和樁頂沉降（累計(jì)變形25mm、3mm/d）。共14個(gè)監(jiān)測段面全部出現(xiàn)過報(bào)警。其中19號測斜管位于第5段，底板混凝土澆筑前（2017年6月10日）18.5m位置測斜累計(jì)變形57.5mm，澆筑混凝土后（2017年6月23日）該部位測斜累計(jì)變形72.5mm，如圖6所示。也即是說，底板混凝土澆筑后，底板以下部分測斜位移并不能因此而約束。

圖6 測斜管位移

4.2 基坑變形原因分析

4.2.1 高靈敏度地層

礦機(jī)站地質(zhì)相對復(fù)雜，雜填土及素填土層較厚，平均厚度3m～4.7m，其余多為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土，其滲透性小約3.602m/d，降水后含水率高，自穩(wěn)性差，土體靈敏性高，在開挖到地下8m時(shí)，經(jīng)挖機(jī)擾動(dòng)易液化，挖機(jī)難以正常行走，需鋪設(shè)輔助鋼板，導(dǎo)致挖土效率低下，且未開挖的斷面也出現(xiàn)變形，如圖7所示。

圖7 施工現(xiàn)場圖

4.2.2 連續(xù)墻插入比相對較小

根據(jù)目前連續(xù)墻測斜監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出的情況，基坑基底以下連續(xù)墻測斜變形數(shù)據(jù)單次或累計(jì)值都有超限（基坑底以下0.5m，連續(xù)墻測斜變形值達(dá)72.5mm，最低端變形5.2mm），結(jié)合國內(nèi)其他城市軟土地層施工數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)[6-7]，連續(xù)墻插入比不小于0.8，而礦機(jī)站標(biāo)準(zhǔn)段地連墻最大插入比僅為0.55。

4.2.3 支撐架設(shè)不及時(shí)

高靈敏度地層的存在，加大了基坑開挖施工難度，一定程度上影響了鋼支撐的架設(shè)時(shí)機(jī)，礦機(jī)站基坑施工過程中存在鋼支撐架設(shè)不及時(shí)的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

采用Midas GTS有限元軟件建立了礦機(jī)站基坑標(biāo)準(zhǔn)段的二維平面應(yīng)變模型，系統(tǒng)研究了不同插入比條件下地連墻墻頂位移、墻體位移和鋼支撐軸力的變化趨勢。主要結(jié)論：

①地連墻墻頂水平位移和豎向位移隨著地連墻插入比的變大基本呈減小趨勢，但當(dāng)插入比為0.9時(shí)二者最大值突然增大。

②插入比從0.4～0.8變化時(shí)，地連墻墻體水平位移和鋼支撐軸力基本呈逐漸增大趨勢，插入比為0.9時(shí)二者最大值均發(fā)生突變現(xiàn)象。

③地連墻插入比應(yīng)結(jié)合基坑工程實(shí)際條件進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，在易觸變性軟土地層，地連墻插入比的線性增加并不總是能帶來圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

④結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，建議礦機(jī)站所在區(qū)域基坑施工中地連墻插入比取0.8。