鄰近密集管線深基坑開挖地層變形分析*

胡 運(yùn),周立成,蘇悅琦

(1.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測(cè)所有限責(zé)任公司,北京 100037; 2.北京北投置業(yè)有限公司,北京 100029; 3.北京市市政工程研究院,北京 100037)

0 引言

地鐵車站深基坑周邊一般建(構(gòu))筑物密集、管線繁多,環(huán)境保護(hù)要求很高,呈現(xiàn)出“深、大、近、緊、難”的特點(diǎn)[1]。鄰近密集管線下深基坑的開挖施工難度大,給深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工及周圍環(huán)境帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)基坑工程設(shè)計(jì)方法和理論的認(rèn)識(shí)逐步提高,基坑工程的設(shè)計(jì)原則正從強(qiáng)度破壞極限狀態(tài)向變形極限狀態(tài)控制發(fā)展[2]。地下管線變形控制一直以來都是深基坑工程的建設(shè)難點(diǎn),主要的研究方法包括理論分析[3]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[4]和數(shù)值模擬[5]。鄰近密集管線下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及對(duì)周邊環(huán)境的影響一般很難通過解析的方法求解,而數(shù)值分析及信息化監(jiān)測(cè)的方法為解決這類問題提供了有力的工具。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面,隋海波等[6]設(shè)計(jì)了一套基于BOTDR的新型基坑工程分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可對(duì)管線的變形和泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè),了解地下管線位移和變形動(dòng)態(tài)。Wu等[7]提出了一種基于無人機(jī)圖像的基坑施工安全快速監(jiān)測(cè)方法,通過分析基坑的局部變形來評(píng)價(jià)其安全狀態(tài)。在數(shù)值模擬方面,杜金龍等[8]運(yùn)用FLAC3D有限差軟件研究了不同管徑大小對(duì)管線位移及地層變形的影響。趙平等[9]利用MIDAS-GTS研究了基坑開挖過程中,管線材質(zhì)、管線位置對(duì)其自身位移的影響。金祎等[10]運(yùn)用PLAXIS有限元軟件模擬了基坑開挖對(duì)大直徑管線的影響,分析了管線豎向位移與水平位移的差異變化。焦寧等[11]基于數(shù)值模擬研究了管線與基坑間距、管線埋深等因素對(duì)管線變形的影響規(guī)律,結(jié)果表明管線豎向位移和水平位移與管線埋深、管線與基坑間距成負(fù)相關(guān),與基坑開挖深度成正相關(guān)。上述研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)單一土層或軟弱土層的小型基坑開挖對(duì)鄰近管線的影響進(jìn)行研究[12],對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下,地鐵深基坑開挖對(duì)鄰近管線的影響研究較為缺乏。同時(shí),現(xiàn)有研究主要調(diào)查了基坑開挖過程對(duì)既有管線豎向位移的影響,而對(duì)管線水平向附加變形的關(guān)注較少。本文以北京地鐵17號(hào)線與10號(hào)線的換乘站太陽宮站深基坑工程為背景,對(duì)開挖過程中的地表沉降及管線變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),利用有限元軟件MIDAS/GTS對(duì)基坑周邊地表沉降、地下連續(xù)墻水平位移和既有管線變形進(jìn)行分析,以期對(duì)北京地區(qū)今后的地鐵車站建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

太陽宮站為北京地鐵17號(hào)線與10號(hào)線的換乘站,位于太陽宮中路和太陽宮南街交叉口北側(cè)。車站沿太陽宮中路南北向布置,位于太陽宮中路西側(cè)輔路及太陽宮地產(chǎn)地塊下方。車站為地下4層雙柱三跨箱形框架結(jié)構(gòu),16 m島式站臺(tái),總長(zhǎng)220 m,中心里程處頂板覆土厚約3.4 m,底板底埋深約為28.63 m,軌面絕對(duì)標(biāo)高13.222 m。車站土體采用明挖法施工,主體基坑小里程下沉段寬38.45 m,深約30.5 m;標(biāo)準(zhǔn)段寬26.1 m,深約28.8 m;大里程下沉段寬30.2 m,深約30.0 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、基坑變形控制等級(jí)均為一級(jí)。車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚的地下連續(xù)墻,標(biāo)準(zhǔn)幅寬為5 m或6 m,采用工字鋼柔性接頭,C35鋼筋混凝土灌注。地下連續(xù)墻標(biāo)準(zhǔn)段嵌固深度為11.0 m,盾構(gòu)下沉段嵌固深度為12.0 m,墻底均位于粉質(zhì)黏土層。基坑小里程段和盾構(gòu)段豎向設(shè)置6道鋼支撐+1道換撐,標(biāo)準(zhǔn)段豎向設(shè)置5道鋼支撐,如圖1所示。第1道和第2道支撐采用φ800,t=16 mm,Q235B鋼支撐,其余均采用φ800,t=20 mm,Q235B鋼支撐。鋼腰梁采用雙拼I56b,設(shè)臨時(shí)立柱,臨時(shí)立柱采用500 mm×500 mm綴板式格構(gòu)柱,臨時(shí)立柱底部灌注樁采用φ1 000鉆孔灌注樁。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段剖面Fig.1 Profile of standard section

2 工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境

車站擬建場(chǎng)地位于北京市朝陽區(qū),屬平原地貌,地形較為平坦,地面高程為38.500～41.500 m。根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果,本場(chǎng)地地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。太陽宮車站基坑周圍既有地下管線情況復(fù)雜,已探明的各類地下管線近10種,其中車站范圍內(nèi)控制性管線主要有:車站南端東西延伸的3.6 m×4.2 m熱力隧道,管內(nèi)底埋深約11 m,距離主體基坑最近距離約10.8 m;車站南端東西向φ800雨水管,管內(nèi)底埋深2.0 m;車站南端東西向φ500燃?xì)夤?管內(nèi)底埋深2.0 m。

表1 地層物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)Table 1 Physical and mechanical calculation parameters of formation

3 監(jiān)測(cè)方案及數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方法及測(cè)點(diǎn)布置

本車站基坑開挖深度大,根據(jù)GB50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》判定基坑風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí),監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí),確定施工監(jiān)測(cè)范圍為2H(H為基坑開挖深度)范圍內(nèi)均需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用Trimble DINI03型電子精密水準(zhǔn)儀(精度±0.3 mm/km),對(duì)基坑開挖過程中的周邊地表沉降和管線沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析深基坑施工對(duì)原始地層的影響程度及可能產(chǎn)生失穩(wěn)的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)該基坑工程明挖順作法的具體情況,在基坑四周距坑邊10 m范圍內(nèi)沿坑邊布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn),排距3～8 m,點(diǎn)距20 m。同時(shí)對(duì)基坑南側(cè)沿東西向延伸的熱力隧道、雨水管、燃?xì)夤懿荚O(shè)地下管線沉降測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)間距依據(jù)基坑開挖對(duì)其影響程度的不同進(jìn)行調(diào)整,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置如圖2所示。

圖2 基坑監(jiān)測(cè)平面布置及基坑周邊環(huán)境Fig.2 Foundation pit monitoring layout and surrounding environment

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

考慮到開挖基坑與鄰近管線的相對(duì)位置關(guān)系,將坑邊地表沉降測(cè)點(diǎn)按區(qū)域劃分為基坑長(zhǎng)邊遠(yuǎn)離管線側(cè)(BC段)、基坑長(zhǎng)邊鄰近管線側(cè)(AD段)、基坑短邊側(cè)(AB,CD段),在每側(cè)選取特征位置處的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?；又苓叺貙与S施工階段變化的沉降曲線如圖3所示,基坑開挖引起的地表沉降由于受到時(shí)空效應(yīng)和施工荷載的影響,地表沉降曲線并非呈單一變化趨勢(shì),而是呈上下起伏的波動(dòng)狀態(tài)。在BC段選取1,4,9,13測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖3a所示,隨著開挖深度和開挖時(shí)間的增加,基坑長(zhǎng)邊遠(yuǎn)離管線側(cè)的地表沉降隨之增大。與圍護(hù)樁相比,地下連續(xù)墻的整體性和支護(hù)剛度更好,基坑開挖引起的周邊地表沉降較小,最終穩(wěn)定值在-2.18～-5.71mm。1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于基坑小里程下沉段,此處基坑開挖深度最深,隨著基坑逐步開挖,坑邊測(cè)點(diǎn)具有明顯的沉降趨勢(shì),1號(hào)測(cè)點(diǎn)地表沉降穩(wěn)定值達(dá)到-12.24 mm,為基坑長(zhǎng)邊遠(yuǎn)離管線側(cè)的最大沉降點(diǎn)。

圖3 基坑周邊地表沉降曲線Fig.3 Surface settlement curve around foundation excavation

圖3b為基坑長(zhǎng)邊鄰近管線側(cè)地表沉降,在AD段選取18,21,25,27測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。與BC段相比,由于基坑與管線的相互作用,地表變形的沉降趨勢(shì)更加明顯,地表沉降的最終穩(wěn)定值在-2.57～-7.85 mm,其中21號(hào)測(cè)點(diǎn)位于基坑中部位置,是整個(gè)基坑支護(hù)剛度的薄弱位置,基坑開挖引起的地表沉降最大,最大沉降值為-11.43 mm。圖3c為基坑短邊側(cè)(AB,CD段)地表沉降,在AB段選取15,16,在CD段選取29,30測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。與BC,AD段相比,基坑開挖后短邊側(cè)的臨空面較窄,圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受水平土壓力范圍小于基坑長(zhǎng)邊側(cè),基坑支護(hù)體系構(gòu)建完成后,基坑兩側(cè)短邊的地表沉降穩(wěn)定值在-3.28～-6.24 mm。

隨著坑內(nèi)土體挖出,基坑周邊土體將會(huì)產(chǎn)生卸載過程。卸載將會(huì)導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)收斂、下沉;圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍土體產(chǎn)生壓力差,從而引起土體由外向中心的水平移動(dòng),再帶動(dòng)地面下沉,引起周邊建筑物及地下管線的沉降。為分析基坑開挖對(duì)周圍地層的影響范圍,在基坑長(zhǎng)邊遠(yuǎn)離管線側(cè)(BC段)布置5列測(cè)點(diǎn),提取2-1～2-3,7-1～7-3,10-1～10-3,12-1～12-3的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析,如圖4所示。各測(cè)點(diǎn)的地表沉降均隨施工階段呈增大趨勢(shì),2-1～2-3測(cè)點(diǎn)位于基坑小里程下沉段與標(biāo)準(zhǔn)段的銜接處,此處的地表沉降值較其他位置更大。測(cè)點(diǎn)距基坑越近,開挖引起的地層變形越劇烈,基坑開挖對(duì)周邊地層的影響范圍在0～24 m。

圖4 不同坑邊距離的地表沉降Fig.4 Surface subsidence at different excavation edge distances

基坑開挖會(huì)引起鄰近密集管線的沉降,圖5為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合后,基坑南側(cè)熱力隧道、燃?xì)夤?、雨水管的沉降穩(wěn)定值。不同種類的管線均因基坑開挖而產(chǎn)生了不均勻沉降,由于熱力隧道斷面尺寸最大,距離坑邊最近,其產(chǎn)生的管線沉降最大,最大管線沉降位于熱力隧道中部RL-7測(cè)點(diǎn),最大管線值沉降為8.9 mm,與基坑長(zhǎng)邊鄰近管線側(cè)(AD段)的最大地表沉降位置對(duì)應(yīng),所有管線的沉降值均小于監(jiān)控量測(cè)的控制指標(biāo)要求。

圖5 基坑周邊管線沉降值Fig.5 Settlement value of pipeline around foundation excavation

4 有限元計(jì)算模擬與分析

4.1 數(shù)值模型建立

運(yùn)用MIDAS/GTS有限元分析軟件模擬分析施工的全過程。因基坑開挖前已經(jīng)完成降水施工,地下水水位維持在坑底以下1.0 m,故在模擬中不再考慮地下水的影響。模型尺寸為長(zhǎng)399 m,寬217 m,高70 m。模型上部取至地表,基坑兩側(cè)及底部距模型邊界長(zhǎng)度均為3～5倍的基坑開挖深度。運(yùn)用MIDAS/GTS有限元分析軟件的激活和鈍化功能來實(shí)現(xiàn)基坑的開挖和支護(hù)的施作。模型上部地表為自由邊界不設(shè)約束,下部為豎向位移約束,左右兩側(cè)為水平位移約束。土體采用實(shí)體單元,地下連續(xù)墻及管線襯砌采用板單元,鋼支撐、鋼腰梁、格構(gòu)柱都采用梁?jiǎn)卧M。土體本構(gòu)關(guān)系采用修正莫爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,地層計(jì)算參數(shù)如表1所示。地下連續(xù)墻、管線襯砌、鋼支撐、鋼腰梁、格構(gòu)柱采用彈性本構(gòu)關(guān)系,支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。建立的三維數(shù)值分析模型如圖6所示,該模型共有130 891個(gè)節(jié)點(diǎn),211 853個(gè)單元?；娱_挖遵循“縱向拉坡、橫向開槽、分段開挖、隨挖隨撐、量測(cè)反饋”的原則,全面采用分層開挖,主要施工步驟如表3所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 2 Material parameters of supporting structure

表3 主要施工步驟Table 3 Main construction steps

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

4.2 坑周地層位移模擬分析

坑內(nèi)土體開挖后,打破了原有的初始應(yīng)力平衡條件,由于基坑的開挖卸荷作用,地應(yīng)力進(jìn)行重分布,坑周地層產(chǎn)生沉降,如圖7所示。隨著基坑開挖深度逐漸增大,產(chǎn)生的沉降越來越大,形成了沿基坑底部斜向上方擴(kuò)展的沉降槽。地表沉降隨著距坑邊距離的增大而逐漸降低,直至在較遠(yuǎn)處為0,而坑底有明顯的隆起?；娱_挖完成后沉降達(dá)到最大值,最大沉降位于基坑長(zhǎng)邊鄰近管線側(cè)(AD段)中部,最大沉降值為-15.23 mm。同時(shí)隨著開挖深度的增加,坑內(nèi)土體的開挖使得坑壁的法向約束消除,坑周土體向坑內(nèi)的水平位移也逐步增大,由于受到既有管線的影響,基坑長(zhǎng)邊鄰近管線側(cè)地層的水平向變形程度顯著大于基坑長(zhǎng)邊遠(yuǎn)離管線側(cè)。

圖7 開挖完成后基坑位移云圖Fig.7 Cloud diagram of foundation excavation displacement after excavation

為驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性,選取21號(hào)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同,結(jié)果基本吻合。數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的最大誤差為13.3%,說明模型的建立和參數(shù)的選取是合理的,通過數(shù)值模擬計(jì)算分析該深基坑工程是合理可行的。

圖8 監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.8 Comparison of monitored and calculated values

提取基坑各側(cè)邊中線處的地表沉降曲線對(duì)比分析,如圖9所示?；娱_挖完成后AB,BC,CD,AD段的最大地表沉降分別為-5.01,-11.94,-2.52,-15.17 mm,最大地表沉降位于基坑長(zhǎng)邊鄰近管線側(cè),最小地表沉降位于基坑右短邊側(cè)?；娱L(zhǎng)邊側(cè)的沉降范圍整體大于基坑短邊側(cè),長(zhǎng)邊側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生懸臂形變形,最大地表沉降位于基坑邊界,而短邊側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生弓形變形,最大地表沉降位于基坑邊界后4.5 m處?；娱L(zhǎng)、短邊側(cè)的地表沉降影響范圍均在距基坑邊界25.0 m范圍內(nèi),與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

圖9 基坑各側(cè)邊地表沉降曲線Fig.9 Surface settlement curves of each side of foundation excavation

4.3 地下連續(xù)墻水平位移模擬分析

為評(píng)估基坑不同位置處地下連續(xù)墻的支護(hù)效能,提取基坑長(zhǎng)邊遠(yuǎn)離管線側(cè)(BC段)、基坑長(zhǎng)邊鄰近管線側(cè)(AD段)、基坑短邊側(cè)(AB,CD段)中線處墻體水平位移曲線對(duì)比分析。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知基坑長(zhǎng)邊鄰近管線側(cè)中部是整個(gè)基坑支護(hù)剛度的薄弱位置,基坑開挖引起的地表沉降最大,提取不同施工階段下此處墻體水平位移進(jìn)行分析,如圖10a所示。由于地下連續(xù)墻自身的剛度較大,首道內(nèi)支撐及第2道內(nèi)支撐架設(shè)后,墻體并未產(chǎn)生顯著的水平位移。當(dāng)基坑開挖至-14 m時(shí),墻體最大水平位移約6.58 mm,發(fā)生部位位于樁頂;當(dāng)基坑開挖至-20 m,即開挖深度約為整體深度的2/3時(shí),墻體水平位移趨于收斂;由于4～6道內(nèi)支撐的支護(hù)作用,墻體埋深約-20 m以下的水平位移較小,開挖至基坑底部時(shí),墻體最大水平位移約15.17 mm。

圖10 地下連續(xù)墻水平位移對(duì)比Fig.10 Horizontal displacement contrast of underground diaphragm wall

如圖10b所示,開挖完成后,基坑不同位置處地下連續(xù)墻的水平位移曲線區(qū)別較大?；娱L(zhǎng)邊遠(yuǎn)離管線側(cè)的最大水平位移為11.63 mm,由于既有管線與基坑的相互作用,基坑長(zhǎng)邊鄰近管線側(cè)的最大水平位移為15.17 mm,較遠(yuǎn)離管線側(cè)增大30.4%;基坑短邊側(cè)地下連續(xù)墻的水平變形程度均小于基坑長(zhǎng)邊側(cè),由于基坑左短邊側(cè)屬車站小里程下沉段,其開挖深度更大,產(chǎn)生的墻體水平位移較基坑右短邊側(cè)增大46.4%。

4.4 既有管線變形分析

基坑開挖完成后,支護(hù)結(jié)構(gòu)及各地下管線的變形如圖11所示。深基坑開挖會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng),而鄰近基坑的地下管線也會(huì)因開挖存在的時(shí)空效應(yīng)形成管線位移,提取開挖完成后各地下管線的變形曲線,如圖12所示。鄰近管線不僅產(chǎn)生水平方向的位移,基坑開挖同樣會(huì)引起管線的豎向位移,其豎向位移范圍較水平位移更大;不同種類管線的位移分布存在明顯的空間效應(yīng),各管線都呈現(xiàn)出在基坑中心處位移大而兩端位移小的特點(diǎn)。這是因?yàn)榈叵鹿芫€受到基坑開挖的影響,開挖卸荷改變了坑周土體的位移場(chǎng),而基坑兩端的管線受到土體的約束作用,并沒有產(chǎn)生明顯的位移。熱力隧道的斷面尺寸最大,且與基坑的間距最近,其受基坑開挖的影響最大,開挖完成后,熱力隧道的最大豎向位移為-4.57 mm,最大水平位移為1.96 mm,均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

圖11 開挖完成后支護(hù)結(jié)構(gòu)及管線變形云圖Fig.11 Deformation cloud map of supporting structure and pipeline after excavation

圖12 開挖完成后地下管線變形曲線Fig.12 Deformation curve of underground pipeline after excavation

5 結(jié)語

1)熱力隧道的斷面尺寸最大,距離坑邊最近,其產(chǎn)生的管線沉降最大。最大管線沉降位于熱力隧道中部,與基坑長(zhǎng)邊鄰近管線側(cè)的最大地表沉降位置對(duì)應(yīng)。所有管線的沉降值均小于監(jiān)控量測(cè)控制指標(biāo)。

2)通過數(shù)值模擬分析基坑支護(hù)剛度的薄弱位置可知,當(dāng)開挖深度約為整體深度的2/3時(shí),地下連續(xù)墻的水平位移趨于收斂;由于4～6道內(nèi)支撐的支護(hù)作用,墻體埋深約-20 m以下的水平位移較小。

3)鄰近基坑管線的豎向位移范圍較水平位移更大,開挖卸荷改變了坑周土體的位移場(chǎng),管線的位移分布存在明顯的空間效應(yīng),呈現(xiàn)出在基坑中心處位移大而兩端位移小的特點(diǎn)。