基坑開(kāi)挖方式與施工順序?qū)︵徑淼兰暗貙幼冃斡绊懛治觯?/h1>

2023-02-14 04:06:48葉愛(ài)軍尚傳凱

甘肅科技訂閱 2023年12期 收藏

關(guān)鍵詞：分區(qū)土體基坑

葉愛(ài)軍，尚傳凱，趙 凱，楊 桃

（1.中國(guó)鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司，云南 昆明 610040；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.四川都金山地軌道交通有限責(zé)任公司，四川 成都 611830；4.四川蜀道新制式軌道集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610023）

0 引言

地鐵作為城市內(nèi)交通工具正處于快速發(fā)展階段。地鐵施工過(guò)程中風(fēng)井結(jié)構(gòu)是其不可缺少的附屬設(shè)施[1]。風(fēng)井基坑開(kāi)挖具有危險(xiǎn)性，如廣州海珠城廣場(chǎng)基坑坍塌和百色市百東新區(qū)一基坑發(fā)生塌方事故，造成數(shù)名施工人員傷亡及鄰近房屋受損。如何控制地下連續(xù)墻施工及基坑開(kāi)挖所引起的地表沉降及周?chē)Y(jié)構(gòu)變形成為此類(lèi)工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。

針對(duì)風(fēng)井基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變形問(wèn)題，李蕊[3]通過(guò)增加基坑支撐及圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、增加基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度、適當(dāng)縮小基坑開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)土體尺寸的技術(shù)手段，達(dá)到降低基坑支護(hù)變形程度的目的。曹浪等[4]采用預(yù)加固技術(shù)及后加固技術(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬手段，驗(yàn)證了預(yù)加固技術(shù)明顯比后加固技術(shù)更有利于控制基坑變形，確保基坑周邊建構(gòu)筑物安全。倪茜等[5]基于FLAC3D模型選取分區(qū)分層開(kāi)挖和邊退邊挖兩種開(kāi)挖方式對(duì)基坑進(jìn)行開(kāi)挖模擬，分析開(kāi)挖過(guò)程中基坑自身和周?chē)h(huán)境的變形規(guī)律，并比較兩種開(kāi)挖方式的優(yōu)劣。結(jié)果表明：分層倒退開(kāi)挖和分層跳挖相對(duì)于分層大開(kāi)挖都有明顯的優(yōu)勢(shì)。隧道位于基坑周?chē)鳛橹饕芯繉?duì)象，一些學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬的方式研究隧道在各種不同工況下，所受擾動(dòng)時(shí)引起的變形特征[6-8]。也有學(xué)者通過(guò)分區(qū)開(kāi)挖[9-13]的方式進(jìn)行優(yōu)化，但對(duì)于基坑施工順序及變化過(guò)程分析較少。

為此，以某隧道風(fēng)井基坑施工為例，建立基坑開(kāi)挖三維有限元模型，通過(guò)改變基坑開(kāi)挖方式和施工順序，以此分析不同開(kāi)挖方式及順序?qū)Φ乇沓两?、隧道水平與豎向位移和地連墻水平位移的影響，以期為同類(lèi)型基坑的開(kāi)挖方式及順序選取提供參考。

1 工程概況

某地鐵風(fēng)井基坑位于河流南岸，基坑地連墻邊緣距離河流45.5 m，地鐵隧道位于基坑?xùn)|部8.1 m，埋深16.6 m位置處。根據(jù)相應(yīng)地勘報(bào)告，基坑附近包含素填土、淤泥質(zhì)黏土、黏性土、中風(fēng)化巖四層土體。

基坑整體支護(hù)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，基坑支護(hù)措施為地連墻與混凝土圍檁的支護(hù)體系。外圍為1.2 m厚地連墻布置，地連墻埋深至地下41.25 m處，地上6.55 m?；娱_(kāi)挖深度21.7 m，自上而下設(shè)置五道混凝土圍檁，每道支撐圍檁豎向間距按基坑實(shí)際工程確定?；油翆臃治鍖舆M(jìn)行整體開(kāi)挖，開(kāi)挖厚度按照圍檁豎向間距設(shè)計(jì)。

2 有限元模型

2.1 模型概況

采用有限元軟件，建立風(fēng)井基坑施工對(duì)鄰近隧道與地層的變形特性數(shù)值分析模型?；娱_(kāi)挖平面尺寸為14 m×37.6 m，開(kāi)挖深度為22.9 m。為便于分析基坑周?chē)馏w累積沉降變化，同時(shí)考慮周?chē)淼篮秃恿鞯挠绊?，模型與基坑的邊界距離為基坑尺寸的2倍。模型側(cè)向邊界距離基坑邊地連墻80 m，底部邊界向下延伸50 m。主要結(jié)構(gòu)為基坑支護(hù)體系和隧道，三維模型尺寸為200 m×176 m×50 m，形狀盡量規(guī)則并適當(dāng)加密，以防止計(jì)算的收斂和結(jié)果精度受到影響?；炷羾鷻_為便于建立模型分析，尺寸設(shè)置為800 mm×1000 mm，基坑整體三維有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

2.2 模型參數(shù)及邊界條件

隧道位于地下16.6 m處，圓形斷面，斷面直徑尺寸6.2 m，隧道襯砌管片厚0.3 m。土體采用摩爾-庫(kù)倫模型，混凝土采用C30級(jí)別。地鐵隧道采用2D板單元模擬，基坑襯砌底板采用2D板單元，混凝土圍檁采用1D梁?jiǎn)卧??；油翆雍椭ёo(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。主要計(jì)算內(nèi)容為基坑影響范圍內(nèi)地連墻、隧道和土體的變形情況，因此要對(duì)模型施加相應(yīng)約束，以限制無(wú)關(guān)變形，在模型側(cè)面設(shè)置水平約束，底面設(shè)置豎向約束，頂部不設(shè)置約束。

表1 基坑土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.3 基坑施工模擬

基坑在實(shí)際工程中，采用整體開(kāi)挖方式，基坑沿著豎向開(kāi)挖21.7 m?；幽M施工過(guò)程中，按照實(shí)際工況采用逆作法施工順序。基坑開(kāi)挖過(guò)程主要體現(xiàn)為3個(gè)階段，第1階段，在地連墻支護(hù)作用下，整體開(kāi)挖土層；第2階段，在新開(kāi)挖土層底部地連墻位置處，施工修建混凝土圍檁；第3階段，在基坑各土層施工完成后，基坑底部施工襯砌底?；舆吘壍剡B墻作為主要支護(hù)結(jié)構(gòu)，隧道作為已有建筑物，在基坑施工前就已存在，將隧道和地連墻作為初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移清零，只考慮基坑施工過(guò)程的影響。

3 數(shù)值模擬分析

在實(shí)際工程中，沿著基坑周?chē)贾帽O(jiān)測(cè)點(diǎn)，23個(gè)沉降測(cè)量標(biāo)志位于施工現(xiàn)場(chǎng)地表，以南風(fēng)井為開(kāi)挖中心分布在基坑周?chē)D3和圖4分別為C2-1～C2-8測(cè)點(diǎn)和C3-1～C3-8測(cè)點(diǎn)的累積沉降模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況。從圖3中可以看出在基坑開(kāi)挖的整個(gè)施工階段，無(wú)論是數(shù)值模擬數(shù)據(jù)還是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，地表累積沉降量均隨施工階段而增加。

圖3 C2-1～C2-8測(cè)點(diǎn)的累積沉降模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況

圖4 C3-1～C3-8測(cè)點(diǎn)的累積沉降模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，地表累積沉降量最大值為16 mm，數(shù)值模擬中，地表累積沉降量最大值為18 mm。數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變形趨勢(shì)相同，最大沉降值相差11%。在數(shù)值模擬中第7施工階段，進(jìn)行第4段4.85 m開(kāi)挖過(guò)程中，地表沉降變化最大，應(yīng)著重注意這一段的施工安全。沉降變化趨勢(shì)與圖4中實(shí)測(cè)結(jié)果[14]類(lèi)似。

在風(fēng)井基坑開(kāi)挖的整個(gè)階段，地表累計(jì)沉降逐漸增加，累計(jì)沉降量最大值在允許變化范圍內(nèi)。通過(guò)地層沉降分析模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，可以判斷出有限元模型結(jié)果與施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果較為符合，可進(jìn)行后續(xù)的對(duì)比分析。

4 不同優(yōu)化方式對(duì)比

4.1 整體與分區(qū)對(duì)比

為減少風(fēng)井基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)翆迎h(huán)境及隧道的影響，可以通過(guò)分區(qū)開(kāi)挖的方式進(jìn)行優(yōu)化，將整體基坑劃分為若干個(gè)小基坑，合理避開(kāi)受影響區(qū)域，優(yōu)先施工遠(yuǎn)離隧道的安全區(qū)域，確保施工連續(xù)，節(jié)約施工工期，保證施工節(jié)點(diǎn)。隧道風(fēng)井基坑開(kāi)挖前，先在劃分出的基坑中間修建臨時(shí)隔墻，再進(jìn)行遠(yuǎn)離隧道區(qū)土體開(kāi)挖和主體結(jié)構(gòu)的區(qū)域施工，施工及支護(hù)結(jié)束后，再依次進(jìn)行其余區(qū)域的施工。

基坑位于臨河軟土地區(qū)，土質(zhì)軟弱且基坑面積較大，基坑開(kāi)挖過(guò)程所引起的地層變形較大。為減小基坑開(kāi)挖的影響，可將大基坑分為2個(gè)或者3個(gè)小基坑。因此，為對(duì)比分析不同開(kāi)挖方式及順序?qū)Φ乇沓两?、隧道水平與豎向位移和地連墻水平位移的影響，共設(shè)立3個(gè)工況，具體工況見(jiàn)表3。

表3 基坑不同開(kāi)挖方式

選取工況1、2、3研究整體開(kāi)挖與分區(qū)開(kāi)挖的不同。基坑南側(cè)較為平坦且所受其余結(jié)構(gòu)影響較小，地表的變形也較為明顯，適于用來(lái)布設(shè)測(cè)點(diǎn)。基坑周?chē)鷾y(cè)點(diǎn)從距地連墻邊緣向外圍布置，以3 m為間隔布置在基坑長(zhǎng)邊側(cè)地層表面。圖5為不同開(kāi)挖方式下的地表沉降值對(duì)比。

圖5 不同開(kāi)挖方式下地表沉降值

基坑采用整體開(kāi)挖時(shí)，周?chē)馏w向下沉降，最大沉降量17.51 mm，且變化幅度較大；分區(qū)開(kāi)挖時(shí)，基坑周?chē)馏w沉降變形減小，在分2區(qū)與3區(qū)情況下，最小值分別為5.58 mm、4.99 mm。在距離基坑周邊50 m范圍外，土層表面位移近乎保持不變?？捎玫乇碜冃瘟颗袛嗖煌_(kāi)挖方式所引起的基坑周?chē)馏w變形起伏情況。工況1、2、3地表變形量分別為27.14 mm、14.85 mm、14.17 mm，采用分2區(qū)和3區(qū)開(kāi)挖方式，地表變形量分別減小45%、48%。可以明顯看出分區(qū)開(kāi)挖相比于整體開(kāi)挖更有利于控制基坑周?chē)乇碜冃巍?/p>

不同開(kāi)挖方式下隧道的最大豎向位移相差較小便不進(jìn)行分析，最大水平位移結(jié)果如圖6所示。由圖可以看出，工況1中隧道水平位移最大值為1.65 mm；工況2中隧道水平位移最大值為0.33 mm；工況3中隧道水平位移最大值為0.18 mm。

圖6 不同開(kāi)挖方式下隧道最大水平位移

對(duì)比可以看出采用分2區(qū)和3區(qū)開(kāi)挖的基坑，鄰近隧道在豎直方向上的位移值變化不大；水平方向上的最大位移分別減小80%、89%?？煽闯龇謪^(qū)開(kāi)挖方式可減小對(duì)于同一層土體水平向擾動(dòng)效果。

從圖5、圖6中可以看出，基坑采用分區(qū)開(kāi)挖的方式，各施工步驟開(kāi)挖面面積減小，有利于控制地表沉降變形，地表最大豎向位移出現(xiàn)在距基坑10 m位置處；隧道豎向位移處于土體隆起位置，受不同開(kāi)挖方式的影響較??；由于基坑為水平向分區(qū)，豎直向每一施工階段開(kāi)挖深度相同?；娱_(kāi)挖時(shí)水平向擾動(dòng)減小較多，豎直向擾動(dòng)減小較少。因此，分區(qū)開(kāi)挖對(duì)于隧道水平位移的控制效果更顯著。

4.2 不同施工順序?qū)Ρ?/h3>

為對(duì)比分析3區(qū)開(kāi)挖基坑在不同施工順序下對(duì)周?chē)Y(jié)構(gòu)變形與地層沉降的影響，設(shè)3個(gè)不同施工順序工況見(jiàn)表4。

表4 基坑不同施工順序

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，采用不同開(kāi)挖方式所引起的地表最終變形值近乎相同，最大位移量變化趨勢(shì)如圖7所示。由于分3區(qū)開(kāi)挖，基坑設(shè)置內(nèi)部地連墻分隔土體，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度增大，周?chē)馏w受施工開(kāi)挖的影響而向上隆起?？拷舆吘壨馏w變形最大，土體沿著遠(yuǎn)離基坑方向變形逐漸減小。3種開(kāi)挖方式所引起的地表的最大位移均為9.2 mm左右，出現(xiàn)在基坑邊緣位置處。地表隆起變形量為9.2 mm。在施工階段中，兩側(cè)同時(shí)開(kāi)挖的工況5變化率最大，施工結(jié)束較早，應(yīng)著重關(guān)注其施工過(guò)程中的安全問(wèn)題。而采用跳挖方式的工況4與采用順序開(kāi)挖的工況3最終位移結(jié)果相同，但在第6施工階段開(kāi)始跳挖之后，所引起的地表位移均小于按順序開(kāi)挖。

圖7 基坑邊緣土體最大豎向位移變化過(guò)程

基坑周?chē)淼乐饕苤車(chē)馏w的作用而向上隆起，向遠(yuǎn)離基坑外側(cè)擠壓。改變施工順序?qū)τ谒淼镭Q向位移最終結(jié)果影響較小，對(duì)于水平位移影響較大。圖8中在3種施工順序下，隧道最大豎向位移為2.54 mm，出現(xiàn)在臨近基坑處隧道左拱腰位置。跳挖施工時(shí)先開(kāi)挖靠近隧道基坑，隧道豎向位移變化趨勢(shì)比按順序開(kāi)挖更明顯；兩側(cè)同時(shí)開(kāi)挖能縮短施工工期，位移變化趨勢(shì)與跳挖類(lèi)似。

圖8 隧道最大豎向位移變化過(guò)程

5 結(jié)論

（1）基坑整體開(kāi)挖時(shí)，基坑周?chē)乇沓两党尸F(xiàn)先減小后增大的拋物線型，最大沉降集中出現(xiàn)在距基坑邊緣10 m附近，距基坑越遠(yuǎn)，地表產(chǎn)生的沉降變形越小。地表沉降最大值出現(xiàn)在基坑長(zhǎng)邊側(cè)。地連墻變形為中間大、上下兩側(cè)小，隧道隆起變形集中發(fā)生在鄰近基坑附近的隧道中部。

（2）基坑采用分區(qū)開(kāi)挖的方式由于水平向分區(qū)，豎直向開(kāi)挖階段不變，對(duì)于地表及鄰近隧道的水平位移控制效果更顯著。分3區(qū)開(kāi)挖比分2區(qū)相比位移控制效果更好。但分3區(qū)施工工期較長(zhǎng)，對(duì)于施工技術(shù)要求更高。

（3）改變施工順序，對(duì)于最終變形結(jié)果影響較小，但有利于控制施工過(guò)程中的變形。分3區(qū)跳挖中的兩側(cè)同時(shí)開(kāi)挖卸載可有效縮短施工周期，但對(duì)于施工技術(shù)及過(guò)程中的變形控制有較高要求。

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