考慮巖面埋深的地鐵基坑支護(hù)分析

吳俊峰 徐淼升 郭劍鋒

摘 要：浙中紅層地區(qū)具有典型的土巖組合地質(zhì)條件，經(jīng)調(diào)查，在金華軌道交通深基坑工程中普遍存在地質(zhì)條件和支護(hù)結(jié)構(gòu)相似，但巖面埋深變化較大的情況，大部分基坑開挖深度范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化巖體占到總量的50%以上。鑒于土、巖物理力學(xué)特性差異明顯，為分析不同巖面埋深對基坑支護(hù)工程的影響，本文以金華軌道典型土巖基坑支護(hù)工程為例，使用理正軟件建立模型，分析了巖面埋深對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、支撐軸力和地表變形的影響。取得的成果可為區(qū)域內(nèi)類似工程設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)建議。

關(guān)鍵詞：巖面埋深;基坑支護(hù);穩(wěn)定性;地表變形

0 引言

隨著地鐵、管廊等城市地下空間建設(shè)的廣泛開展，深基坑工程在我國已不是難題，但如何對不同地質(zhì)條件下的基坑設(shè)計(jì)、施工進(jìn)行優(yōu)化一直是研究的熱點(diǎn)。很多學(xué)者通過總結(jié)上海、杭州、寧波等地區(qū)的多種支護(hù)形式的基坑，來分析地質(zhì)環(huán)境與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系，提出豐富的優(yōu)化成果[1]。雷剛[2]等依托青島地鐵1號線對土巖組合地層明挖基坑樁撐體系的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。黃敏[3]、鄭學(xué)東[4]等使用有限元對土巖組合地層深基坑的開挖變形性狀進(jìn)行了研究。蔡景萍[5]、李淑[6]、李少波[7]、徐洪鐘[8]對青島、北京、廈門、南京等地土巖組合深基坑的嵌巖深度和地表變形進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，成果豐富。金華等浙中城市具有典型的粉砂巖上覆粘土層的紅層土巖組合結(jié)構(gòu)，金義東軌道交通建設(shè)涉及到多個大型土巖組合深基坑項(xiàng)目，它們大都使用灌注樁加內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，施工方便、支護(hù)效果較好，本文在此基礎(chǔ)上使用數(shù)值計(jì)算對不同巖面埋深的深基坑穩(wěn)定性和變形進(jìn)行分析。

1 案例模型概況

1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡介

金華軌道某地下三層11 m島式站臺車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐形式，樁徑1 m，樁間距1.2 m，樁體嵌固深度為5 m，開挖深度約24 m，共設(shè)4道內(nèi)支撐。第一道為砼支撐，第二、三、四道為鋼支撐，各支撐間距分別為6.8 m、6.5 m、5.5 m。隨基坑開挖，樁間土采用掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，典型圍護(hù)剖面如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)條件

場地地層由上至下依次為：①素填土，層厚1.4 m～6.8 m;②粉砂，層厚0.6 m～1.3 m;③圓礫，層厚1.9 m～4.9 m;④強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，層厚0.4 m～2.0 m;⑤中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，層厚6.0 m～34.0 m。中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層頂面在地表以下約9 m處（土巖分界面），各土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

場地內(nèi)水系屬錢塘江水系范疇，地表水體發(fā)育不明顯，距離最近的武義江約為400 m～500 m，武義江與本場地地下水水力聯(lián)系一般?？碧缴疃确秶鷥?nèi)地下水類型主要可分為潛水和基巖裂隙水，水位埋深2.70 m～6.50 m。地下水位埋深和變化幅度受季節(jié)和大氣降水的影響，動態(tài)變化大，水位變幅一般在1.0 m～3.0 m。

1.3 模型基本信息

本次使用理正深基坑軟件建立分析模型，相關(guān)參數(shù)見表2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)按平面問題進(jìn)行分析，取“荷載-結(jié)構(gòu)”模式，采用彈性有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。在施工階段，按施工過程進(jìn)行受力計(jì)算，開挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為支擋結(jié)構(gòu)，承受全部的水土壓力及路面荷載。其受力分析模擬了施工過程，遵循“先變位，后支撐”的原則，在計(jì)算中計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移值及支撐變形。

2 巖面埋深模擬分析

該案例實(shí)際巖面埋深為9.2 m，現(xiàn)假設(shè)巖面埋深分別為6 m、15 m、20 m、25 m，其它條件不變，分別計(jì)算得到了不同巖面埋深條件下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、地面沉降、軸力、樁中彎矩和整體穩(wěn)定性系數(shù)。

2.1 巖面埋深對整體穩(wěn)定性的影響分析

總體上巖面埋深與穩(wěn)定性系數(shù)成反比關(guān)系（見圖2），當(dāng)巖面埋深在15 m以內(nèi)時(shí)，整體穩(wěn)定性系數(shù)變化不大，在1.78～1.8之間，曲率較小;若巖面埋深超過15 m，則穩(wěn)定性迅速降低，埋深25 m時(shí)僅為1.47;若巖面埋深低于坑底標(biāo)高，則整體穩(wěn)定性系數(shù)小于1，支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2.2 巖面埋深對圍護(hù)樁深層水平位移的影響分析

由圖3可見，樁的深層水平位移隨著巖面埋深增加而增大，兩者大致呈線性正比關(guān)系。當(dāng)巖面埋深為15 m時(shí)，樁位移20.4 mm，近實(shí)測位移的2倍;當(dāng)巖面埋深25 m時(shí)，樁位移達(dá)到40.4 mm，處于危險(xiǎn)狀態(tài)，所以當(dāng)巖面埋深位于坑底及以下時(shí)，應(yīng)增加支護(hù)措施，如增加樁體和支撐結(jié)構(gòu)剛度、增加支撐道數(shù)、增加錨索支護(hù)或者采取其他加固措施，以減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移，保證結(jié)構(gòu)安全。

2.3 巖面埋深對地表沉降的影響分析

總體上兩者成正比關(guān)系，地表沉降量隨著巖面埋深的增加而增大（見圖4），大致呈線性增加，當(dāng)巖面埋深為20 m時(shí)，地面沉降量達(dá)到46 mm，已超過該項(xiàng)監(jiān)測控制值6 mm，須引起重視。此時(shí)基坑整體穩(wěn)定性較好，但為更好的控制地表沉降量，減少施工對周邊環(huán)境的影響，建議在巖面埋深為基坑開挖深度的0.6～0.8倍時(shí)，優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐布置，增加支撐道數(shù)、加強(qiáng)支撐或者樁體剛度以減少地表沉降。

2.4 巖面埋深對支撐軸力的影響分析

根據(jù)支撐軸力與巖面埋深的關(guān)系曲線圖，各道支撐軸力均隨著巖面埋深增加而增大，但各有不同。第一道支撐的軸力隨深度變化不大，均在2 000 kN以內(nèi);第三道支撐的軸力最大，當(dāng)巖面位于坑底時(shí)，軸力超過5 000 kN;第四道支撐的軸力增速最快。分析為第一道支撐在地表以下2 m處，主要承受上部淺層側(cè)向土壓力，其它支撐部位的則向土壓力隨巖面埋深增加，變化較大，導(dǎo)致支撐軸力響應(yīng)敏感，該現(xiàn)象與實(shí)測情況相符。在實(shí)際案例中第一道采用1 000 mm×

1 200 mm砼支撐，第二、三、四道支撐為φ609，t=16 mm鋼支撐，該類型鋼支撐極限承載能力一般上設(shè)為3 600 kN，因此當(dāng)巖面埋深超過20 m時(shí)鋼支撐存在失穩(wěn)可能，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮增加支撐道數(shù)，增加支撐水平間隔，或?qū)⒉糠咒撝翁鎿Q為砼支撐，以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2.5 巖面埋深對樁中彎矩的影響分析

從關(guān)系曲線可以看出，隨著巖面埋深的增加，圍護(hù)樁中彎矩不斷增加，設(shè)計(jì)需要增加配筋以增加抗彎能力。在巖面埋深9.2 m時(shí)，算得彎矩為358 kN.m，實(shí)際情況下灌注樁+四道支撐圍護(hù)是合理的，但如果巖面埋深增加，特別是超過25 m時(shí)，必須增加支撐道數(shù)或者支撐的水平、豎向間距以減小圍護(hù)樁的彎矩和位移。

3 結(jié)論

通過理論分析、模擬計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，對假定巖面埋深的軌道深基坑工程的穩(wěn)定性和變形開展分析，得出了如下結(jié)論：（1）隨著巖面埋深的增加，基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)減小，巖面埋深在15 m以內(nèi)，穩(wěn)定性系數(shù)變化較緩，大于15 m，特別是巖面位于坑底及以下，整體穩(wěn)定性系數(shù)迅速降低。（2）當(dāng)巖面埋深位于坑底及以下時(shí)，應(yīng)采取加強(qiáng)樁體和支撐結(jié)構(gòu)剛度、增加支撐道數(shù)、增加錨索等其他措施進(jìn)行加固，以減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移。（3）各道支撐軸力隨著巖面埋深的增加而增加，第一道支撐軸力變化不大，第三道支撐軸力數(shù)值最大，第四道支撐軸力增加最快。（4）開挖25 m左右的深基坑，當(dāng)巖面埋深15 m以內(nèi)及淺埋時(shí)，使用4道撐是可行的，可以優(yōu)化支撐豎向和水平向間距，以保證基坑和周邊環(huán)境的安全。

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