砂卵石地層地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測與分析

鄧 娜,石洪超,薛曉武

(1.成都工業(yè)學院 土木工程系,成都 611730;2.中國鐵建大橋工程局集團有限公司,成都 610000;3.空軍研究院工程設(shè)計研究所,成都 610000)

地鐵作為人們出行的主要方式之一,很大程度上緩解了城市交通堵塞的情況[1]。伴隨大量的地鐵建設(shè),車站基坑的安全問題也日益突出[2-3]。為了保證基坑施工安全,國內(nèi)學者對車站基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計、數(shù)值模擬和監(jiān)測等進行了研究分析,蔡江寧等[4]采用Midas軟件分析武漢某基坑開挖過程中的支護結(jié)構(gòu)變形,并與監(jiān)測數(shù)據(jù)比較分析;王秀麗等[5]采用Ansys軟件對深圳某深基坑進行建模分析,對基坑支護變形和受力進行監(jiān)測,結(jié)果證明了支護設(shè)計的安全性;劉動[6]研究了深厚淤泥地質(zhì)條件下深基坑施工過程中,地表沉降、支護樁體水平位移、支撐軸力等的變化規(guī)律;王滔[7]對深厚軟土地質(zhì)條件下車站基坑施工時的地表沉降、支撐軸力、土體隆起及支護變形等進行分析,并提出相應(yīng)的控制措施;蘇莉莉[8]以蘭州市軌道交通一號線五里鋪車站深基坑工程為例,通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬,得出支護體系在降水開挖過程中的變形規(guī)律。以上關(guān)于深基坑支護結(jié)構(gòu)的研究主要集中于黏土地層、砂土地層、淤泥地層等地質(zhì)條件下,采用數(shù)值模擬再結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析支護結(jié)構(gòu)的受力和變形。關(guān)于砂卵石地層深基坑支護結(jié)構(gòu)的變形研究,有高勝君[9]針對成都某地鐵車站基坑工程,通過現(xiàn)場監(jiān)測和Midas/GTS軟件的數(shù)值模擬,分析基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律;童建軍[10]用顆粒離散元軟件分析卵石地層深基坑鋼支撐施工時效性和支護結(jié)構(gòu)的受力、變形規(guī)律,并評價其安全性;周松[11]以成都春熙路地鐵車站深基坑為例,采用Midas/GTS進行數(shù)值模擬,并將結(jié)果與監(jiān)測值、設(shè)計值進行對比分析,研究支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。相比軟土地區(qū),針對砂卵石的深基坑支護結(jié)構(gòu)研究相對較少,這與地層特點有關(guān),我國地鐵基坑位于砂卵石地層的地區(qū)主要是成都、北京、沈陽等[12],其中最典型的是成都,本文對成都某車站砂卵石地層中深基坑支護結(jié)構(gòu)進行研究,分析其變形規(guī)律為類似工程提供參考。

1 工程概況

成都某地鐵線中的1個換乘站是地下3層的島式車站,結(jié)構(gòu)形式為雙柱三跨現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu),總長度約為241 m。站臺中心部位上部覆土約為3.5 m,該站標準段寬為23.5 m,車站主體基坑深度為25.2 m。該區(qū)域地表建(構(gòu))筑物密集,地下管線分布復(fù)雜,人流量和車流量較大。

該車站所在區(qū)域地形地貌簡單,為岷江水系沖積平原Ⅱ級階地,地面高程為502.56～503.54 m,相對高差約1 m,地勢平坦,起伏小。車站區(qū)域地表大面積連續(xù)分布雜填土,往下有粉質(zhì)黏土(可塑、硬塑)、粉土、粉細砂(稍密)、卵石土(稍密)、粉細砂(密實)、卵石土(中密、密實),下伏基巖為白堊系灌口組泥巖。各巖土層參數(shù)指標如表1所示。

卵石(密實)22.50.1545.00.0048.00強風化泥巖22.00.1870.0——中等風化泥巖24.0————

場地范圍內(nèi)地表水不發(fā)育,主要為道路兩側(cè)雨水溝和污水溝內(nèi)的暫時性流水,無常水流,水量小。地下水主要賦存于砂、卵石土中,水量較豐富,為孔隙潛水,受地形和上覆土層控制影響,具有微承壓性。場區(qū)地下水埋深較深,一般介于4.1～6.7 m,水位起伏小,年平均水位變幅1.2～3.5 m。

2 支護方案

2.1 支護結(jié)構(gòu)形式

車站主體基坑的支護采用混凝土鉆孔灌注樁、臨時立柱支撐和鋼管支撐、混凝土支撐結(jié)合的方式,車站主體支護結(jié)構(gòu)剖面見圖1。車站端頭部分采用直徑為1.2 m、間距為1.6 m的玻璃纖維筋樁,中間部位采用直徑為1.2 m、間距為1.6～2.0 m的鉆孔灌注樁。樁間掛網(wǎng)錨噴支護,噴射C20混凝土,厚度平均為150 mm,掛網(wǎng)鋼筋采用Φ8@200×200 mm。

2.2 支撐系統(tǒng)

該車站基坑施工采用明挖法,深度方向設(shè)置直徑為609 mm、壁厚為16 mm的4道鋼管支撐,兩端盾構(gòu)井段采用邊長為800 mm的正方形混凝土支撐,支撐的水平間距一般為3 m,局部略有不同。最上面1道支撐撐在冠梁上,其余支撐撐在腰梁上,第2道支撐的腰梁為雙拼工45c組合腰梁,第3、4道支撐的腰梁為雙拼工56b組合腰梁,局部采用邊長為800 mm的正方形混凝土腰梁。鋼筋混凝土和鋼管支撐具體參數(shù)見表2。

表2 鋼筋混凝土和鋼管支撐參數(shù)

在基坑的各角部位設(shè)置混凝土板撐和鋼板撐與鋼管支撐共面。邊長為1 m、厚度為300 mm的等腰三角形混凝土板撐與冠梁整體澆筑。邊長為1 m、厚度為20 mm的等腰三角形鋼板撐,2層布置與鋼圍檁連接。

圖1 成都某地鐵車站主體支護結(jié)構(gòu)剖面圖

3 基坑支護數(shù)值計算

3.1 計算模型與參數(shù)

結(jié)合車站基坑開挖支護的施工現(xiàn)場情況,采用FLAC3D建立基坑三維模型對基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬。以該車站基坑標準段為主要研究對象和建模依據(jù),用空模型表示巖土體的開挖部分,用摩爾-庫侖模型模擬巖土體,用彈性模型模擬鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)。由于圍護排樁分布較密,且同時采用了腰梁、冠梁,可以將基坑支護結(jié)構(gòu)看作是一個連續(xù)的整體,因此采用等效厚度的地下連續(xù)墻來模擬排樁。樁墻的厚度按照抗彎剛度相等的原則等效計算:

(1)

(2)

式中:D為鉆孔樁樁徑;t為最大樁凈距;h為等效后的地下連續(xù)墻厚。

因此,連續(xù)墻等效厚度取值為915 mm,模型中基坑開挖土體的范圍為220.0 m×23.5 m×30.0 m,模型的側(cè)面、底面、頂面分別采用水平約束、固定約束和自由約束。模型尺寸確定好后,在軟件中輸入如表1和表2所示的材料屬性參數(shù),創(chuàng)建基坑開挖前和開挖后的數(shù)值模型如圖2和圖3所示。

圖2 未開挖狀態(tài)數(shù)值模型

圖3 開挖完狀態(tài)后數(shù)值模型

3.2 基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移模擬分析

數(shù)值模擬計算工況與實際施工過程的工況大體一致,從基坑開挖、設(shè)置支撐、支撐拆除至整個基坑施工完成,共分為9個工況。建立模型前進行開挖前初始地應(yīng)力的平衡運算,形成開挖前土體初始應(yīng)力場。數(shù)值模擬的具體實施步驟如表3所示。

表3 基坑施工步驟

基坑開挖后,樁身水平位移部分云圖如圖4～8所示,其中圖4為土體z方向的初始位移場。從圖中可以看出,樁身向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生水平位移,隨著基坑開挖深度的增加,水平位移逐漸增大,水平位移的峰值部位也逐漸下移。

通過FLAC3D計算得到,隨著樁身深度變化,其水平位移最終結(jié)果(部分)如表4所示。由計算結(jié)果可知,在樁深19.0 m左右,支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大水平位移為12.7 mm,且最大位移出現(xiàn)在工況9。當所有支撐都拆除完成后,變形增加,支護結(jié)構(gòu)水平位移向坑內(nèi)發(fā)展,出現(xiàn)累加效應(yīng),因此在第9工況出現(xiàn)了最大水平位移。

圖4 土體初始位移場

圖5 工況1水平位移

圖6 工況4水平位移

圖8 工況9水平位移

表4 樁身水平位移隨深度變化最終結(jié)果

4 支護結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案

該車站樁體水平位移監(jiān)測點平面布置如圖9所示,圖中○為樁體變形測量點。根據(jù)工程特點采用測斜管、測斜儀,每隔20～40 m在支護結(jié)構(gòu)內(nèi)測樁體水平位移。

圖9 成都某地鐵車站監(jiān)測點平面布置

基坑監(jiān)測頻率為:當基坑開挖深度不大于5.0 m時,每3天監(jiān)測1次;當基坑開挖深度為5.0～15.0 m時,每2天監(jiān)測1次;當基坑開挖深度為15.0～20.0 m時,每天監(jiān)測1～2次;當基坑開挖深度大于20.0 m時,每天監(jiān)測2次。樁體水平位移的監(jiān)測控制標準為:樁體水平位移單日變形量為3.0 mm;累計變形量為0.1%H和30.0 mm兩者中最小者(H為基坑開挖深度)。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

通過對實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理,該工程標準段的樁體主要測點CX06的水平位移部分監(jiān)測結(jié)果如表5所示。

表5 樁體水平位移部分監(jiān)測結(jié)果

通過實際監(jiān)測結(jié)果顯示:樁體的變形隨著開挖深度的增加,水平位移量由小變大再逐漸變小。在樁長為19.1 m處,出現(xiàn)向坑內(nèi)偏移的水平位移最大值是16.2 mm,在監(jiān)測控制標準以內(nèi)。

5 數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析

為了判斷數(shù)值模擬中基坑模型的選擇及參數(shù)的設(shè)置是否合理、可靠,將基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移的現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結(jié)果進行比較分析,其結(jié)果如圖10所示。

圖10 基坑支護樁水平位移曲線對比(CX06)

通過計算數(shù)據(jù)和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出:

1)樁體的實際最大水平位移為向基坑內(nèi)側(cè)偏移16.2 mm,計算值最大水平位移為向基坑內(nèi)側(cè)偏移12.7 mm,實際值超出計算值3.5 mm,均未超出控制范圍。2)樁體實際水平位移和計算水平位移最大值均出現(xiàn)在樁身19.0 m左右的深度,與工況9出現(xiàn)最大位移位置基本一致。3)樁體整體水平位移基本在控制范圍以內(nèi),沿樁身深度方向的水平位移均為先增大后減小,向基坑內(nèi)側(cè)方向變形,大致為拋物線分布。4)樁體水平位移計算結(jié)果在樁頂和樁端處均比監(jiān)測結(jié)果偏大。

由圖10可知,樁身水平位移曲線形狀和變形趨勢基本吻合,變形最大的地方深度一致,說明數(shù)值計算結(jié)果比較理想,由此驗證了數(shù)值模擬計算的可靠性和合理性。

6 結(jié)論

通過有限差分法軟件FLAC3D對成都某地鐵車站主體基坑標準段施工的9個工況進行數(shù)值模擬,主要研究了支護結(jié)構(gòu)的水平位移變化,將實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)和數(shù)值計算的結(jié)果進行比較分析,得出其水平位移變化具有一致性。隨著支護樁體深度的增加,向基坑內(nèi)發(fā)展的水平位移逐漸變大,在距離樁端約1/3的地方,其實際水平位移達到最大值16.2 mm。為控制支護結(jié)構(gòu)變形發(fā)展,應(yīng)盡量減少基坑暴露的時間,加強監(jiān)測頻率,及時掌握變形情況,且應(yīng)盡快按照施工要求嚴格施工封閉坑底。通過對支護結(jié)構(gòu)變形的數(shù)值分析和監(jiān)測分析,為類似工程提供參考。