木墩河截流管道基坑開挖支護(hù)的數(shù)值模擬分析

李向群，林思鵬

吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

隨著本國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,各類城市建筑物拔地而起,隨著各類項(xiàng)目的復(fù)雜性提高,基坑開挖支護(hù)的要求也逐漸提高.基坑開挖的危險(xiǎn)性較高,其支護(hù)的可靠性尤為重要,本文將對(duì)木墩河某基坑各階段的開挖及支護(hù)用MIDAS GTS NX進(jìn)行分析.

1 工程概況及地形地貌

木墩河截流管道基坑的開挖為深圳市光明區(qū)全面消除黑臭水體治理工程的重要一環(huán),全長(zhǎng)為222.11 mm.包括檢查井4座,截流管中線距離龍大高速邊坡坡腳最近約10 m,距離坡頂最近為14 m.此基坑的最大開挖深度為6.1 m,平均開挖深度5.8 m.新陂頭片區(qū)位于深圳市光明區(qū)北部,共有16條水系+15湖塘,其中水系最長(zhǎng)2 870 m,最短200 m,大多數(shù)沒有相應(yīng)護(hù)岸設(shè)施.地貌為深圳市西北的臺(tái)地地貌,地面高程多在9 m～25 m,僅局部水系源頭高程達(dá)40 m.

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察及相關(guān)的室內(nèi)土工試驗(yàn)分析,場(chǎng)地自上而下的地層依次為第四系(Qml)人工填土層,第四系沖洪積(Qal+pl)淤泥質(zhì)土、粉(砂)質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂,第四系殘積(Qel)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粘性土層,侏羅系下統(tǒng)橋源組(Jq)粉砂巖、泥巖、及加里東期侵入巖(ηγ01).其各層土質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanics parameters

2.1 填土層

填土:該層廣泛分布,成分復(fù)雜,有素填土、雜填土等,除位于道路下的外,其余多呈松散狀且尚未完成自重固結(jié),具中～高壓縮性,均勻性較差,工程性能較差[1],易產(chǎn)生不均勻沉降變形.

2.2 軟土層

淤泥質(zhì)土:僅在工程區(qū)局部出現(xiàn),沖洪積而成,土質(zhì)均勻,粘性較好,高壓縮性,工程性能較差,易產(chǎn)生不均勻沉降變形.

2.3 殘積土及風(fēng)化巖

(1) 粉砂巖及泥巖殘積土. 土質(zhì)不均,粘性較好,但開挖擾動(dòng)、浸水狀態(tài)下,強(qiáng)度、承載力驟減.

(2) 花崗巖殘積土. 土質(zhì)不均,粘性較好[2],但開挖擾動(dòng)、浸水狀態(tài)下,極易.崩解,強(qiáng)度、承載力驟減.

(3) 全風(fēng)化巖. 巖芯呈堅(jiān)硬土狀及半巖半土狀、局部夾塊狀,具低壓縮性和較高強(qiáng)度,工程性質(zhì)良好.浸水狀態(tài)下,極易崩解,強(qiáng)度、承載力驟減.

(4) 強(qiáng)風(fēng)化巖. 巖芯呈堅(jiān)硬土狀及半巖半土狀、局部夾塊狀,具低壓縮性和較高強(qiáng)度,工程性質(zhì)良好.

3 基坑設(shè)計(jì)方案

新建截流管(W83～W86)平行龍大高速敷設(shè),采用明挖法施工.W 83～W 84,管徑為1 200 mm,長(zhǎng)度為26.93 m,坡度為3 ‰;W 84～W 85,管徑為1 200 mm,長(zhǎng)度103.19 m,坡度為0.8 ‰;W 85～W 86,管徑為1 200 mm,長(zhǎng)度91.99 m,坡度為0.8 ‰.截流管總長(zhǎng)約222.11 m,包括檢查井4座,最大開挖深度6.1 m,平均開挖深度5.8 m.管道支護(hù)情況見表2，拉森鋼板樁支撐見圖1，拉林鋼板樁和支撐大樣見圖2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置見圖3.

表2 管道支護(hù)情況Table 2 Pipeline support situation

圖1 拉森鋼板樁支撐圖Fig.1 Larsen steel sheet pile support diagram

圖2 拉森鋼板樁和支撐大樣圖Fig.2 Large drawing of Larsen steel sheet pile and support

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.3 Plan layout of enclosure

4 結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型的建立

為進(jìn)一步分析截流管(W 83～W 86)臨近龍大高速管槽支護(hù)方案的合理性,采取有限元數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行分析.本次數(shù)值模擬分析軟件采用MIDAS GTS NX進(jìn)行計(jì)算,該軟件目前廣泛應(yīng)用在巖土工程的各個(gè)領(lǐng)域[3].三維有限元模型建立的模型尺寸為:240 m(長(zhǎng))×60 m(寬)×24 m(高),三維計(jì)算模型共劃分為9.82萬個(gè)單元.

4.2 計(jì)算參數(shù)的取值

截流管(W 83～W 86) 臨近龍大高速管槽支護(hù)方案三維數(shù)值計(jì)算中的具體幾何參數(shù)為實(shí)際設(shè)計(jì)值,物理力學(xué)參數(shù)地勘和設(shè)計(jì)文件選取[4](見表3).

表3 物理力學(xué)參數(shù)取值Table 3 Physical and mechanical parameters

在計(jì)算過程中,各土層采用的模型為摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型,檢查井側(cè)壁和底板、截流管管壁、鋼管支撐、鋼腰梁、鋼板樁[5]采用彈性模型.其中,土體單位為三維實(shí)體單元;檢查井側(cè)壁、底板、截流管管壁及鋼板樁采用二維板單元;鋼管支撐、鋼腰梁用一維板單元.

4.3 數(shù)值模擬分析階段

4.3.1 第一個(gè)階段 施工鋼板樁,基坑開挖至第一道支撐底以下0.5 m

圖4為施工鋼板樁后,基坑開挖至第一道支撐底以下0.5 m時(shí),龍大高速的水平和豎向位移云圖.

圖4 第一階段水平與豎向位移云圖Fig.4 Horizontal and vertical displacement clouds in the first stage

從圖中可以看出,工況二施工階段,龍大高速最大豎向位移1.80 mm,最大水平位移0.56 mm.滿足規(guī)范要求(小于10 mm).管道基坑水平最大位移2.47 mm,管道基坑周邊地表豎向位移最大值為5.94 mm,基坑隆起最大值為6.64 mm,管道基坑變形均滿足規(guī)范要求.

4.3.2 第二個(gè)階段 施工第一鋼腰梁及鋼支撐

圖5為施工第一鋼腰梁及鋼支撐,龍大高速的水平和豎向位移云圖.

圖5 第二階段水平與豎向位移云圖Fig.5 Horizontal and vertical displacement clouds in the second stage

從圖中可以看出,工況三施工階段,龍大高速最大豎向位移1.87 mm,最大水平位移0.58 mm.滿足規(guī)范要求(小于10 mm).管道基坑水平最大位移2.57 mm,管道基坑周邊地表豎向位移最大值為6.19 mm,基坑隆起最大值為6.90 mm,管道基坑變形均滿足規(guī)范要求.

4.3.3 第三個(gè)階段

待第一道鋼腰梁和鋼支撐施工完,開挖至第二道支撐以下0.5 m. 圖6為待第一道鋼腰梁和鋼支撐施工完,開挖至第二道支撐以下0.5 m,龍大高速的水平和豎向位移云圖.

圖6 第三階段水平與豎向位移云圖Fig.6 Horizontal and vertical displacement clouds in the third stage

從圖中可以看出,工況四施工階段,龍大高速最大豎向位移1.61 mm,最大水平位移0.74 mm.滿足規(guī)范要求(小于10 mm).管道基坑水平最大位移2.81 mm,管道基坑周邊地表豎向位移最大值為4.28 mm,基坑隆起最大值為6.14 mm,管道基坑變形均滿足規(guī)范要求.

4.3.4 第四個(gè)階段 施工第二鋼腰梁及鋼支撐

圖7為施工第二鋼腰梁及鋼支撐,龍大高速的水平和豎向位移云圖.

圖7 第四階段水平與豎向位移云圖Fig.7 Horizontal and vertical displacement clouds in the fourth stage

從圖中可以看出,工況五施工階段,龍大高速最大豎向位移1.64 mm,最大水平位移0.75 mm.滿足規(guī)范要求(小于10 mm).管道基坑水平最大位移2.81 mm,管道基坑周邊地表豎向位移最大值為4.43 mm,基坑隆起最大值為5.99 mm,管道基坑變形均滿足規(guī)范要求.

4.3.5 第五個(gè)階段 待第二鋼腰梁及鋼支撐施工完,開挖至基坑底

圖8為待第二鋼腰梁及鋼支撐施工完,開挖至基坑底,龍大高速的水平和豎向位移云圖.

圖8 第五階段水平與豎向位移云圖Fig.8 Horizontal and vertical displacement clouds in the fifth stage

從圖中可以看出,工況六施工階段,龍大高速最大豎向位移1.57 mm,最大水平位移1.03 mm.滿足規(guī)范要求(小于10 mm).管道基坑水平最大位移5.41 mm,管道基坑周邊地表豎向位移最大值為2.44 mm,基坑隆起最大值為12.4 mm,管道基坑變形均滿足規(guī)范要求.

5 結(jié)論

截流管(W 83～W 86)段臨近龍大高速管槽支護(hù)方案采用鋼板樁+兩道內(nèi)支撐,該方案總體設(shè)計(jì)合理、思路清晰.通過以上計(jì)算分析,可以得出以下結(jié)論:

(1) 管槽深約6.0 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用拉森鋼板樁Ⅳ型(400×290×13),樁長(zhǎng)L=12 m;豎向采用兩道鋼支撐(Φ426,t=9).管道基坑施工階段,管槽周邊水平最大位移為5.41 mm,管槽周邊地表豎向位移最大值為6.19 mm,基坑隆起最大值為12.4 mm,變形均滿足規(guī)范要求.新建截流管管槽支護(hù)方案合理可行.

(2) 根據(jù)有限元計(jì)算分析,管槽施工階段龍大高速最大沉降約1.87 mm,最大水平位移約1.03 mm,滿足規(guī)范要求.

(3) 木墩河綜合治理工程新建截流管(W 83～W 86)段臨近龍大高速管槽支護(hù)方案總體設(shè)計(jì)布局和施工方案選擇合理,符合國(guó)家和廣東省相關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求.