濱海沼澤區(qū)地鐵車站深基坑開挖變形

任曉敏, 劉俊杰, 劉俊偉, 王 晨

(1. 中建八局軌道交通建設(shè)有限公司, 江蘇 南京 210046; 2. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 山東 青島 266033; 3. 潢川恒石市政建筑有限公司, 河南 信陽 465150; 4. 山東省高等學(xué)校藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 山東 青島 266033)

地鐵作為一種新興的地下交通工具已經(jīng)融入到了公共大眾的日常生活.深基坑的開挖伴隨著土方的大量卸載,原有的水土壓力平衡體系被打破,必然會對周邊環(huán)境造成一定的不利影響,因此對地鐵車站深基坑施工過程進行動態(tài)監(jiān)測是必不可少的,通過反饋并分析監(jiān)測信息,及時調(diào)整設(shè)計和施工方案,對保證基坑開挖安全和達到動態(tài)設(shè)計與信息化施工具有極其重要的意義.因此,很多學(xué)者和工程人員對基坑開挖開展研究.楊有海等[1]根據(jù)杭州地鐵車站基坑實際情況分析了軟土地區(qū)的基坑開挖變形規(guī)律;霍潤科等[2]結(jié)合施工監(jiān)測與數(shù)值模擬對比分析了基坑的開挖變形;張艷書等[3]通過數(shù)值模擬分析軟土地層厚度、埋深變化對基坑開挖變形的影響;Clough等[4]根據(jù)大量粘土與砂土中基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)得出圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移δhmax與系統(tǒng)剛度S的關(guān)系曲線;Finno等[5]對粘土地層某深基坑開挖進行三維效應(yīng)下的變形分析并提出一種預(yù)估墻后土體變形的計算模型;Goh等[6]使用有限元分析研究了影響基坑開挖引起地表沉降的主要參數(shù)并建立了用于預(yù)測地表沉降的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.

青島某濱海沼澤區(qū)地質(zhì)上軟下硬,土體含水量高,水位埋深淺,這種情況下深基坑的降水開挖支護難度大,易造成基坑底隆起變形和圍護結(jié)構(gòu)變形增大等,影響基坑的穩(wěn)定.因此在基坑施工過程中進行有效的實時監(jiān)測分析并及時發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定因素,保障基坑開挖的安全性是必不可少的.本文結(jié)合青島地鐵某站深基坑開挖分析上軟下硬富水土層深基坑在開挖與支護過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù),采用Midas GTS NX軟件建立三維數(shù)值模型,將計算數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比,系統(tǒng)分析總結(jié)相關(guān)規(guī)律,為基坑安全提供設(shè)計建議和技術(shù)指導(dǎo).

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

地鐵車站位于青島濱海沼澤區(qū),工程場地地質(zhì)分區(qū)主要為濱海沼澤帶區(qū),地貌類型主要為濱海堆積淺灘,地形較平坦,地面高程1.9～5.6 m.地鐵車站基坑長為212 m,寬為20 m,開挖深度平均18 m.根據(jù)場地勘察情況,該工程場地土、巖層自上而下物理力學(xué)指標如表1所示.地下水類型主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水,水位埋深0.10～1.80 m,水位標高1.62～3.25 m.

1.2 基坑支護及開挖方案

標準段基坑深度為17.11～18.65 m,寬度為20～25.3 m.主體圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁排樁墻,沿豎向設(shè)置三道內(nèi)支撐,第一道支撐采用800 mm×1 000 mm混凝土支撐,局部斜撐為600 mm×600 mm,水平間距為9 m,第二、三道支撐采用φ609 mm厚16 mm鋼管支撐,水平間距為3 m.基坑開挖的主要施工工況如表2所示,基坑開挖標準段豎向分層示意圖如圖1所示.

表2 基坑開挖主要施工工況

圖1 基坑開挖豎向分層示意圖

1.3 監(jiān)測項目及監(jiān)測點布置

對基坑進行行之有效的變形監(jiān)測是預(yù)知危險保障安全的重要手段,本文對基坑圍護樁深層水平位移、基坑周邊地表沉降、支撐軸力三個方面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析.基坑開挖平面為對稱矩形,基坑西側(cè)監(jiān)測點平面布置圖如圖2所示.

圖2 監(jiān)測點平面布置圖

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 圍護樁深層水平位移

圖3為基坑開挖各個時間節(jié)點監(jiān)測的圍護樁水平變形曲線,CX1位于基坑西側(cè)端頭井段,CX7位于基坑標準段北側(cè).由變形曲線可知,在整個基坑開挖過程中樁體深層水平位移隨深度的變化特征均為兩端變形小、中間變形大的“弓”形,即樁體水平位移隨深度的增加先逐步變大然后又逐漸減小,這與杭州軟土地區(qū)多個基坑工程的監(jiān)測結(jié)果相似[7-9].由圖3可知兩個測點的最大樁體深層水平位移均出現(xiàn)在約10 m樁體深度處(約為0.55H,H為最大開挖深度),最大水平位移分別僅為12 mm(0.067%H)和8 mm(0.033%H),上述結(jié)果同上海軟土深大型基坑相比,狹長型車站深基坑的最大水平變形量偏小[10],樁體的水平位移變化不大,說明該地區(qū)的車站基坑開挖采用排樁墻加內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)形式穩(wěn)定性很高,同時開挖土體前降水措施效果良好,并沒有因為地下富水對土體和支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響.

圖3 CX1和CX7圍護樁水平位移-深度關(guān)系曲線

圖4為CX1、CX7圍護樁最大水平位移隨基坑開挖時間的變化曲線,可以看出兩個測點的最大水平位移均隨著基坑開挖呈現(xiàn)線性增長,當基坑開挖完成后,最大水平位移趨于穩(wěn)定,同時端頭井處的變形相比于標準段發(fā)展更快一些,分析是端頭井部分開挖進程優(yōu)先支護系統(tǒng)尚未成形的原因.

圖4 圍護樁最大水平位移隨時間變化曲線

2.2 基坑周邊地表沉降分析

圖5分別為基坑南側(cè)標準段CJ1～CJ7測點與基坑西側(cè)端頭井段CJ8～CJ14測點的地表沉降量隨基坑邊緣距離的變化曲線.通過變化曲線可知:基坑南側(cè)與西側(cè)的地表沉降變化趨勢基本一致,即隨距離的增加先不斷增大后逐漸減小,基坑開挖導(dǎo)致的地表沉降影響范圍約在2H.地表沉降量存在最大值,基坑標準段南側(cè)最大沉降量位于坑外10 m左右,最大沉降量約為10.5 mm,基坑西側(cè)端頭井段最大沉降量也位于基坑外10 m左右,最大沉降量約為9.3 mm.其中,最大地表沉降點距離基坑邊緣0.6H,最大地表沉降量約為0.058%H,遠小于上海軟土地區(qū)平均值0.38%H[11],整體的地表沉降變化小,分析是因為該地區(qū)下部巖層在基坑開挖過程中的變形發(fā)展緩慢且小的原因,這些沉降規(guī)律與文獻[3]中所述的軟土地區(qū)狹長型地鐵車站深基坑開挖模擬得到的結(jié)果相似.Clough等[4]認為基坑的地表沉降曲線的分布形式取決于沉降量的大小,沉降量小時為拋物線形,沉降量大時為三角形,而本例中均為小沉降量的拋物線形,與其結(jié)論相吻合.Mana等[12]在統(tǒng)計各工況下多個基坑開挖的數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),基坑圍護墻最大水平位移δhmax與墻后地表最大沉降量δvmax之間存在δhmax>δvmax>0.5δhmax的關(guān)系,而本文工程監(jiān)測數(shù)據(jù)大致存在δvmax=0.88δhmax的關(guān)系,也符合Mana等總結(jié)的規(guī)律.

圖5 基坑南側(cè)、基坑西側(cè)地表沉降隨距離變化曲線

2.3 內(nèi)支撐軸力監(jiān)測分析

圖6為基坑標準段中部ZCL1處三道內(nèi)支撐軸力隨時間變化的曲線,根據(jù)軸力變化曲線可知,開挖深度較淺時,基坑側(cè)壁土壓力主要由第一道混凝土支撐承受,繼續(xù)開挖施加第二道鋼支撐后,第一道混凝土支撐的軸力逐漸下降,后趨于穩(wěn)定.第二道鋼支撐的軸力在施加第三道鋼支撐后不再繼續(xù)增加而呈現(xiàn)范圍波動.基坑開挖深度大時,土壓力主要由第二道鋼支撐承受,第三道鋼支撐軸力在短暫時間增長到一定范圍后趨于穩(wěn)定.總體來看,內(nèi)支撐的軸力受基坑開挖深度、施工工況的影響比較大,Zhang等[13]在基坑開挖實測與模擬分析中同樣發(fā)現(xiàn)基坑內(nèi)支撐軸力受土層條件、開挖形狀、內(nèi)支撐和圍護墻、開挖深度等各個因素的綜合影響.本工程中內(nèi)支撐軸力數(shù)值上與杭州地區(qū)類似富水軟黏土車站深基坑開挖相比較小[7],分析可能與施工工藝方法和沼澤區(qū)地質(zhì)環(huán)境存在密切關(guān)系.綜合分析,在施工過程中需要加強對第二、三道支撐的監(jiān)測,防止出現(xiàn)影響基坑穩(wěn)定的非正常波動變化.

圖6 內(nèi)支撐軸力隨時間變化曲線

3 基坑開挖數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

采用Midas GTS NX軟件建立的三維數(shù)值計算模型如圖7所示,通過模擬得到濱海沼澤區(qū)基坑開挖過程變形結(jié)果,并與工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析來驗證所建模型的合理性,以及該建模方法用于預(yù)測基坑開挖變形研究的可行性.模型土體本構(gòu)采用MC模型,支撐結(jié)構(gòu)為彈性模型,圍護樁墻按照等剛度轉(zhuǎn)換原則等效為地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu).根據(jù)圣維南原理,基坑開挖影響區(qū)域為開挖尺寸的3～5倍,所以建立模型尺寸為350 m×140 m×60 m(長×寬×高),三維數(shù)值模型網(wǎng)格劃分如圖7所示.各土層選用表1中具體參數(shù).根據(jù)實際施工工況將基坑開挖模擬分為6個步驟:1) 初始地應(yīng)力分析;2) 圍護樁墻施工;3) 基坑第一層土開挖及冠梁、混凝土支撐施工;4)基坑第二層土開挖及第二道鋼圍檁、第二道鋼管支撐施工;5) 基坑第三層土開挖及第三道鋼圍檁、第三道鋼管支撐施工;6) 開挖第四層土體直至結(jié)束.

圖7 三維數(shù)值計算模型

3.2 圍護樁墻變形分析

圖8為基坑圍護樁墻的變形云圖,從圖中可以看出圍護結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)向基坑內(nèi)部變形的“弓”形,即圍護樁墻中部變形大,上下部變形小,這與濱海沼澤區(qū)車站基坑圍護樁監(jiān)測得到的變形特征一致.對CX1和CX7點位置處的樁體水平位移實測值和模擬值進行對比分析,如圖9所示.從圖中可以看出,模擬值與實測值整體變化形式基本相同,數(shù)值也比較接近,最大水平位移均出現(xiàn)在約10 m深度處.對比分析說明數(shù)值模型的建立、參數(shù)選取等合理,用于濱海沼澤區(qū)基坑開挖的模擬計算比較成功.Zhang等[14]在軟黏土內(nèi)支撐深基坑開挖有限元模擬分析中考慮了小應(yīng)變硬化土模型本構(gòu),模擬結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)圍護墻體呈現(xiàn)“弓”形特征,隨著基坑開挖深度的增加,墻體最大撓度逐漸增加形成肚鼓形.

圖8 地下連續(xù)墻整體變形云圖

圖9 CX1、CX7測點圍護樁水平位移實測與模擬值對比

3.3 周邊地表沉降分析

圖10為模擬基坑開挖完成后地層豎直方向上的位移云圖,可以看出基坑周邊發(fā)生了明顯的沉降,最大沉降點距離基坑一定距離.對比基坑南側(cè)CJ1～CJ7測點和基坑西側(cè)CJ8～CJ14中最大地表沉降監(jiān)測值與模擬值分別如圖11所示,兩者數(shù)值相差不大,最大沉降點的沉降值和到基坑的距離也非常接近.王衛(wèi)東等[11]根據(jù)統(tǒng)計的眾多軟土地區(qū)基坑開挖數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),對于墻后地表沉降分布呈現(xiàn)凹槽形的基坑,緊鄰墻后處的地表沉降量一般處于0～0.5%H范圍,最大地表沉降一般發(fā)生于距離圍護墻0.3H～1.0H之間的位置,而在1.0H～4.0H的范圍內(nèi)沉降逐漸衰減至可以忽略的大小,墻后地表沉降的影響范圍一般不超過4.0H.1.0H范圍內(nèi)為沉降最大范圍,1.0H～4.0H范圍為沉降過渡區(qū)域.本文濱海沼澤區(qū)車站基坑的實測值與模擬值最大地表沉降值均出現(xiàn)在0.56H,緊鄰墻后的地表沉降量也均處于0～0.5%H范圍,與上海軟土地區(qū)基坑開挖地表沉降規(guī)律相一致[11].而Zhang等[15]根據(jù)新加坡上土下巖地層車站基坑開挖測量發(fā)現(xiàn)的最大地表沉降點發(fā)生在1.0H,存在一定差距,考慮與地下富水狀態(tài)存在較大關(guān)聯(lián).

圖10 土層總體變形云圖

圖11 CJ1～CJ7和CJ8～CJ14最大地表沉降實測和模擬值對比

4 結(jié)論

考慮濱海沼澤區(qū)工程環(huán)境的特殊性,對該地區(qū)車站深基坑開挖變形進行監(jiān)測分析,并建立有限元模型對比分析發(fā)現(xiàn):

1) 濱海沼澤區(qū)車站深基坑的圍護樁深層水平位移-深度曲線呈現(xiàn)膨脹的“弓”形,即兩頭小中間大的形態(tài).最大水平位移出現(xiàn)在0.55H(H為最大開挖深度),最大水平位移為0.067%H.

2) 基坑周邊地表沉降均表現(xiàn)為拋物線形,沉降影響范圍約為2H,周邊最大沉降點距離基坑約為0.56H,最大地表沉降量約為0.058%H,基坑標準段的最大沉降量比端頭井段稍大.

3) 基坑內(nèi)支撐的軸力隨施工工況的變化而變化,即每一道內(nèi)支撐在施加后其軸力會逐漸增大,而隨著下一道內(nèi)支撐的施加會降低或穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),該工況中第二道鋼支撐軸力要比其他兩道大.

4) 建立三維數(shù)值模型計算得到的樁體變形和地表沉降與實測值比較接近.濱海沼澤區(qū)車站深基坑與其他工程基坑呈現(xiàn)相似的開挖變形規(guī)律.