近接高鐵橋樁的深基坑不同開挖方案對比

楊 波,肖凱成,王長健

(1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 常州 213164 ;2.中國鐵路上海局南京南站工程建設(shè)指揮部,江蘇 南京 210012)

深基坑工程對近接樁基的影響是相對復(fù)雜的三維過程,主要包括基坑開挖過程對周圍土體沉降變形、對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響、對樁基變形的影響、基坑開挖過程控制和監(jiān)測等。劉國彬等[1]結(jié)合在建地鐵車站基坑開挖現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù),對比分析了不同工況下坑底土體暴露時(shí)間所對應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。李小青等[2]總結(jié)了基坑開挖理論中周圍土體豎向變形的計(jì)算方法,利用指數(shù)曲線對基坑周圍地表沉降變形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,構(gòu)建了坑外土體沉降變形的計(jì)算方法。徐中華等[3]利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,綜合分析了上海地區(qū)93例采用地連墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深全過程變形監(jiān)測資料。馮虎等[4]通過建立深基坑工程數(shù)據(jù)庫,收集整理了上海地區(qū)58例19m以上深度的基坑開挖變形數(shù)據(jù),得到了上海地區(qū)超深基坑圍護(hù)墻體的一般變形規(guī)律和變形控制要點(diǎn)。俞建霖等[5]針對狹長型基坑的特點(diǎn),提出了基坑坑底抗隆起穩(wěn)定分析方法,對比了常用的4種坑底抗隆起穩(wěn)定分析方法,結(jié)合2個(gè)實(shí)際工程進(jìn)行了相關(guān)算例分析,提出了考慮基坑寬度影響的坑底抗隆起穩(wěn)定計(jì)算方法。江杰等[6]在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中引入冗余度理論,對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。龔倫等[7]采用大型有限元軟件ANSYS建模計(jì)算,分析了樁基近接隧道施工過程,得到橋梁樁基與既有隧道影響范圍按照影響大小劃分為強(qiáng)影響區(qū)約、弱影響區(qū)、無影響區(qū)。于素慧等[8]通過對明挖法施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,研究地下工程施工對土體沉降和鄰接既有構(gòu)筑物沉降等的影響;樊飛、夏鵬等[9-10]結(jié)合工程實(shí)例,開展了基坑監(jiān)測與分析預(yù)警研究。這些研究對認(rèn)識深基坑變形與控制有指導(dǎo)作用,但是,揚(yáng)州南站深基坑工程近接橋樁承臺具有基坑深大、富水、近接等其工程特點(diǎn),需要開展針對性的研究工作。

本文依托新建連云港至鎮(zhèn)江鐵路揚(yáng)州南站市政配套工程,著重研究長江漫灘軟土地質(zhì)條件下地鐵深基坑施工過程中的基坑支護(hù)及變形控制。通過數(shù)值模擬分析,對比兩種不同施工方案的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及坑外土體沉降,為工程施工總體方案的制定以及合理基坑開挖技術(shù)措施的確定提供依據(jù),并進(jìn)行施工監(jiān)測與驗(yàn)證。

1 工程概況

揚(yáng)州地鐵1號線下穿連鎮(zhèn)鐵路揚(yáng)州南站地鐵深基坑工程,為富水軟土地區(qū)近接開挖、深大基坑工程,安全等級為一級。該基坑區(qū)間自西向東垂直穿越連鎮(zhèn)鐵路股道、揚(yáng)州南站站中心南側(cè)第四跨橋跨間?；涌傞L127 m、寬25 m,最大開挖深度約24 m,分三節(jié)段施工:中間節(jié)段和左右兩側(cè)基坑節(jié)段,中間節(jié)段長度為62 m,兩側(cè)節(jié)段長各33 m,見圖1。其主體結(jié)構(gòu)采用雙層三跨的矩形斷面暗埋結(jié)構(gòu)形式,基坑工程采用明挖法施工,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻(厚1 m)加內(nèi)支撐圍護(hù)形式。左右兩側(cè)基坑的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)豎向共五道(詳見圖2(a))。中間基坑的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)豎向共六道(詳見圖2(b))。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Schematic plan of foundation pit

(b)圖2 基坑支撐立面圖Fig.2 Elevation of foundation pit support

本基坑工程位于長江下游灘涂地區(qū),西面約300 m處有一長江支流、為擬建廠區(qū)地下水補(bǔ)給源之一。場區(qū)周邊100 m范圍內(nèi)不存在地表水。地下水類型為第四系孔隙水潛水,百年洪水位為7.32 m。土體大部分由粉土、砂性土組成,透水性較強(qiáng),地質(zhì)構(gòu)造較為簡單。該工程地連墻與擬建高鐵橋樁的凈距僅為0.7 m,周圍土體強(qiáng)度較低,其地連墻與地鐵主體結(jié)構(gòu)外墻采用疊合墻形式,故對圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻的垂直度及變形要求極高。土體參數(shù)如表1所示。

表1 土體參數(shù)表Tab.1 Parameter table of soils

2 施工方案的數(shù)值模擬分析

為控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻的變形,根據(jù)工程建設(shè)實(shí)際,考慮兩種施工方案:一是先施工中間基坑,后再施工高鐵橋樁承臺,然后施工兩側(cè)基坑的施工方案(下面簡稱方案1);二是將基坑整體開挖施工完成后再進(jìn)行高鐵橋樁施工(下面簡稱方案2)。

本文采用MIDAS GTS有限元分析軟件對這兩種施工方案進(jìn)行模擬計(jì)算及效果分析。

2.1 計(jì)算假定

通過理論分析得知,長江漫灘軟土深基坑工程中,影響開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體變形的因素較多,實(shí)際施工過程的各種條件也較為復(fù)雜。為便于分析,需要對建模條件的考慮因素預(yù)先予以規(guī)定,以便確定主要影響因素,在確保可行性的基礎(chǔ)上建立較為貼合實(shí)際的模型。因此,作出以下假設(shè):

(1)采用彈塑性模型進(jìn)行模擬土體,采用線性彈性模型模擬地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。

(2)對基坑開挖過程的兩個(gè)關(guān)鍵過程和結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬分析:一是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及基坑周邊土體變形過程,二是基坑開挖對臨近高鐵橋樁施工影響的過程。

2.2 參數(shù)及模型選擇

模型尺寸100 m×250 m×100 m,其中采用四面體網(wǎng)格形式,網(wǎng)格控制參數(shù)為基坑內(nèi)部3 m、外部為6 m。整個(gè)模型劃分為55 421個(gè)節(jié)點(diǎn),119 909個(gè)單元。土體結(jié)構(gòu)選擇修正摩爾庫倫模型,地連墻及支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇彈性體模型,模型見圖3。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型圖Fig.3 Numerical model

2.3 兩種方案的對比分析

開挖方案1和開挖方案2的前期是一致的,均為中間基坑開挖,區(qū)別在于后期高鐵橋樁和左右基坑的前后順序:方案1是先施工高鐵橋樁承臺,后施工左右基坑;方案2是先施工左右基坑,后施工高鐵橋樁承臺。下面從圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、土體變形、高鐵橋樁承臺變形三個(gè)方面進(jìn)行對比分析。

2.3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的對比分析

因左基坑相對較深,對比左右基坑開挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形時(shí)選取左基坑冠梁上一點(diǎn)分別對比方案1、2中不同工序下X、Y、Z軸方向的變形(如圖4)?？梢缘弥?左基坑冠梁在TY和TZ方向上的變形較大,說明該方向?yàn)橹饕冃慰刂品较?。由圖可知,在主要變形控制方向上,方案1的變形均小于方案2。

工況(a) TX方向變形圖

工況(b) TY方向變形圖

工況(c) TZ方向變形圖圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形對比圖Fig.4 Deformation comparison diagram of retaining system

2.3.2 土體變形的對比分析

(1)基坑外土體變形

對左右基坑在方案1、2施工期間坑外土體沉降變形,選取沉降值最大的工況進(jìn)行對比(如圖5)。對比得知,方案1地面土體沉降數(shù)值要小于方案2、但相差較小。

距離/m(a) 左基坑

距離/m(b) 右基坑圖5 左右基坑方案1、2土體最大沉降對比Fig.5 Comparison about maximum settlement of soil mass between left with right foundation schemes I and Ⅱ

對比左右基坑開挖過程坑內(nèi)土體的最大變形,方案1最大變形分別是左基坑-6.12 mm、右基坑-1.44 mm;方案2最大變形分別是左基坑-3.18 mm、右基坑0.69 mm。方案2的基坑坑底土體隆起較小。

2.3.3 高鐵橋樁承臺變形的對比

方案1、2在施工期間高鐵橋樁承臺最大變形如表2。

表2 高鐵橋樁承臺最大變形對比表Tab.2 Comparison about maximum deformation of High speed railway bridge piles cap

對比最大變形模擬結(jié)果表得知,方案1、2下的橋樁承臺變形差別不大,方案2沉降變形控制較好。

2.3.4 對比結(jié)論

根據(jù)兩種不同開挖方案模擬結(jié)果的綜合分析,從基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地面沉降、施工期間降水和氣象原因、施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)控制難度等方面進(jìn)行考慮,建議采用方案2進(jìn)行施工。

3 施工監(jiān)測與分析

為了確保揚(yáng)州南站地鐵深基坑開挖的順利進(jìn)行,動態(tài)監(jiān)控和評估施工安全風(fēng)險(xiǎn)和地連墻結(jié)構(gòu)變形、制定詳細(xì)基坑監(jiān)控并實(shí)施尤其重要,須通過監(jiān)測及時(shí)預(yù)測分析支護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐體系、地表及建筑物動態(tài)變化,及時(shí)調(diào)整施工進(jìn)度和調(diào)整控制措施,確保施工安全有序可控。

下面選取典型監(jiān)測結(jié)果,與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形對比

在對基坑測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn),在中間基坑第三階段開挖時(shí)臨近橋樁側(cè)出現(xiàn)了變形最大值1.6 mm。為了對比,選取計(jì)算模型上對應(yīng)時(shí)間和位置的地連墻變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對比結(jié)果如圖6所示。

如圖5所示,在基坑開挖20 m之前,實(shí)測數(shù)據(jù)基本接近計(jì)算數(shù)據(jù)變化,說明計(jì)算具備相應(yīng)的代表性;20 m之后計(jì)算值與實(shí)測值出現(xiàn)分布偏移,可能由于模型建立時(shí)為了降低運(yùn)算量沒有考慮墻體與土體的接觸作用。

深度/m圖6 中間基坑地連墻計(jì)算值與實(shí)測值對比Fig.6 Comparison between calculated value and measured value on diaphragm wall of middle foundation

3.2 沉降變形對比

選取沿高鐵橋樁X軸、Y軸方向距離2、10、18、26 m左右基坑開挖結(jié)束時(shí)基坑變形值和理論計(jì)算值進(jìn)行對比。沉降值如表3,變形對比如圖7。計(jì)算值分布規(guī)律基本能夠符合實(shí)際沉降值,但實(shí)測值比計(jì)算值略大,說明實(shí)際開挖過程沉降變形控制受多方面影響,但變化規(guī)律仍然符合基坑開挖對地面影響計(jì)算的規(guī)律。

表3 計(jì)算值和實(shí)測值對比表Tab.3 Comparison of calculated value and measured value

距離/m(a) 基坑Y軸方向 距離/m(b) 基坑X軸方向

4 結(jié)論

本文依托揚(yáng)州南站地鐵深基坑工程,通過數(shù)值建模和有限元分析工程開工過程,對比了兩種不同施工方案,綜合考慮施工條件和安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)后選擇先施工基坑后施工高鐵橋樁的順序。對施工過程中的監(jiān)控量測,并與計(jì)算值進(jìn)行了對比研究,得出以下結(jié)論。

1)根據(jù)兩種不同開挖方案模擬結(jié)果的綜合分析,從基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地面沉降、施工期間降水和氣象原因、施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)控制難度等方面進(jìn)行考慮,建議采用方案2進(jìn)行施工。

2)地下連續(xù)墻位移監(jiān)測的累計(jì)變形位于中間基坑Y側(cè)最左邊緣處,變形最大值為1.6 mm,變形相對較小,均未超預(yù)警值;周邊地表沉降監(jiān)測累計(jì)變形最大點(diǎn)X方向臨近基坑位置、為-38.7 mm,Y方向?yàn)榫嚯x基坑約18 m位置附近、為-28.9 mm,監(jiān)測點(diǎn)變形相對較大但均未超預(yù)警值。

3)通過對比數(shù)值計(jì)算值和實(shí)測值發(fā)現(xiàn),圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地面沉降的變形計(jì)算值基本符合實(shí)測值,說明模型計(jì)算是有效的?；娱_挖施工和降水作業(yè)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周圍土體沉降的影響均未超過預(yù)警值,基坑開挖過程均處于可控范圍內(nèi),地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形較小,為后續(xù)高鐵橋樁施工提供了條件。

4)基坑水平支撐結(jié)構(gòu)對保證基坑開挖及坑內(nèi)外土體變形極其重要。根據(jù)模型模擬結(jié)果,地連墻變形最大值出現(xiàn)在地連墻上部。因此,第一、二道內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要保證,要加強(qiáng)支撐軸力監(jiān)測頻次,施工期間要做好支撐結(jié)構(gòu)狀態(tài)保護(hù)。

5)因高鐵橋樁設(shè)計(jì)位置緊鄰中間基坑,為確保在高鐵橋樁施工期間橋樁、承臺、基坑的相對位移保持穩(wěn)定,建議中間基坑第一道支撐結(jié)構(gòu)于高鐵橋樁施工完成后進(jìn)行拆除。