富水地層深基坑施工誘發(fā)鄰近建筑物變形分析: 以濟南地鐵R2線烈士陵園站深基坑為例

劉貴香, 劉毅, 馮新緒, 王勇, 馬少坤, 張加兵*

(1.中鐵北京工程局集團有限公司, 北京 100097; 2.濟南軌道交通集團有限公司, 濟南 250014; 3.廣西大學土木建筑工程學院, 南寧 530004)

隨著中國城市現(xiàn)代化軌道交通的快速發(fā)展,地鐵車站基坑工程面臨著開挖深度越來越大、周邊環(huán)境越來越復雜等問題。深基坑工程施工不可避免地會引起地表沉降,當影響范圍內存在建筑物時,可能導致其結構傾斜、開裂,甚至倒塌等,嚴重危及既有建筑物正常使用[1-2]。因此,在深基坑開挖過程中如何減小對鄰近建筑物及周邊環(huán)境的影響,是城市軌道交通建設的重中之重。

在深基坑施工過程中通常將坑外地表沉降作為鄰近建筑物沉降,Moormannn[3]基于大量監(jiān)測數(shù)據(jù),提出根據(jù)圍護結構位移預測坑外地表沉降的方法。楊敏等[4]采用數(shù)值模擬方法,得到坑外地表沉降曲線呈正態(tài)分布規(guī)律。但上述方法均未考慮坑外建筑物基礎剛度能有效抵抗土體變形,導致計算結果大于實測值。范凡等[5]、章紅兵等[6]認為,建筑物沉降主要來源于基礎下方軟臥土層的變形,并提出一種基坑施工誘發(fā)鄰近建筑物沉降的計算方法。后來研究發(fā)現(xiàn)基坑施工誘發(fā)鄰近建筑物變形不僅受土體開挖卸載影響,還與建筑物自身結構和地下水滲流等因素密切相關。Zhang等[7]研究認為,在基坑開挖過程中,地層沉降不僅受土體開挖影響,支護樁間滲水也會引起土體流失,從而造成地層損失,導致臨近建筑物沉降增加。Li等[8]通過現(xiàn)場監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)基坑開挖造成坑外兩側土體橫向應力釋放,會導致建筑物承重墻產(chǎn)生拱形變形。劉念武等[9]通過現(xiàn)場監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)建筑物基底壓力與變形之間存在關聯(lián),基坑附近樓層較高的建筑物沉降與地表土體沉降變化相差較大,而樓層較低則與地表土體沉降接近。Zheng等[10]分析了地下水回灌時基坑排水導致坑外地下水位深度變化和地表沉降規(guī)律,并提出地下水回灌措施能夠有效控制鄰近建筑物變形。目前,同時考慮降水、開挖、滲流和止水帷幕阻力等多因素作用下基坑施工引起周邊建筑物變形規(guī)律仍比較少見。

鑒于此,依托濟南軌道交通R2線烈士陵園站深基坑工程,采用現(xiàn)場監(jiān)控量測手段對深基坑施工誘發(fā)鄰近建筑物變形進行分析。再采用三維數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相互印證,分析深基坑施工對鄰近建筑物變形的影響,并探討不同鋼支撐間距、止水帷幕深度對鄰近建筑物變形的影響,以期為類似富水地層深基坑鄰近建筑物施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

濟南軌道交通烈士陵園站位于規(guī)劃飛躍大道與鳳凰路交叉口,為R2線與M1線呈“L”型換乘車站。其中,R2線沿規(guī)劃飛躍大道東西向布置,M1線沿規(guī)劃鳳凰路南北向布置,烈士陵園站平面布置如圖1所示。R2線烈士陵園站為地下兩層島式車站,結構型式為鋼筋混凝土箱型,站臺寬度為14 m,有效站臺長120 m。M1線烈士陵園站為地下三層島式車站,結構型式為鋼筋混凝土箱型,站臺寬度為14 m,有效站臺長140 m。車站周邊建筑物密布,全部為條形淺基礎框架結構樓房,A1～A2為濟南市小企業(yè)創(chuàng)業(yè)輔導基地,A3～A8為濟鋼第三工業(yè)小區(qū)宿舍,其中與基坑最為接近的建筑物為轉角區(qū)濟鋼工業(yè)小區(qū)第三宿舍A4,樓層高度為18 m,為六層混凝土鋼筋結構樓房,與R2線基坑垂直距離為15.73 m,與M1線基坑垂直距離為42.22 m。

圖1 烈士陵園站平面圖Fig.1 Plan of martyr cemetery station

場地覆蓋層主要由第四系全新統(tǒng)沖洪積～中上更新統(tǒng)坡洪積黏性土、碎石土組成,上覆新近人工填土,下伏燕山晚期閃長風化層和奧陶系石灰?guī)r、大理巖。場地地下水位為地表以下10 m深,主要類型為第四系松散層孔隙潛水和巖漿巖裂隙水。考慮巖漿巖裂隙水和碳酸鹽巖溶裂隙水具承壓性,殘積土分布區(qū)、裂隙發(fā)育帶及局部風化深槽處施工時可能會發(fā)生地下水突涌情況。此外,場區(qū)內碎石層分布較多,地下水可相互連通,水力聯(lián)系密切,因此需要設置止水帷幕來阻斷坑內外地下水的聯(lián)系。

1.2 依托工程監(jiān)測及結果分析

根據(jù)文獻[11]研究成果可知,建筑物到基坑的水平間距越近,其影響效應越大。因此,僅對距離基坑開挖三角區(qū)最近的建筑物A4進行分析,并對烈士陵園站基坑施工過程中圍護樁體水平位移、建筑物沉降和地下水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,監(jiān)測點布置圖如圖2所示。

圖2 建筑物A4鄰近監(jiān)測點平面布置圖Fig.2 Layout plan of monitoring points adjacent to building A4

1.2.1 圍護樁體水平位移分析

建筑物與基坑之間的圍護樁體為主要監(jiān)測對象,選取樁體水平位移監(jiān)測點CX1～CX5進行研究,基坑完全開挖至底部時圍護樁體水平位移隨開挖深度的變化規(guī)律如圖3所示。圍護樁體水平位移呈“弓”形,即圍護樁中間向坑內凸出,水平位移最大,上部向坑外產(chǎn)生較小水平位移,其下部基本不產(chǎn)生水平位移。監(jiān)測點CX1～CX5最大水平位移不相同,其最大水平位移分別為22.0、21.8、4.8、3.0、2.5 mm,圍護樁體CX1、CX2水平變形比CX3、CX4和CX5更大,這是由于基坑三角轉角區(qū)采用了密集的鉆孔灌注樁進行加固。另外,由于坑角效應[12],接近坑角處樁體水平位移會變得更小,因此樁體CX3、CX4和CX5相對其他測點的圍護樁體水平位移更小。

圖3 圍護樁水平位移Fig.3 Horizontal displacement of retaining pile

1.2.2 建筑物變形分析

1.2.3 地下水位分析

選取DW1、DW2和DW3三個監(jiān)測點的地下水位進行監(jiān)測,三點都位于坑外,其地下水位最終變化量分別為+532、-231、+142 mm,如圖4所示?？梢钥闯?t=0時刻開始降水,地下水位不斷下降,降水一段時間后,在t=15 h的時候在坑外進行回灌,坑外地下水位又開始回升,直到t=40 h之后水位開始趨于穩(wěn)定。當滲流量與注入量保持平衡時,回灌水位就不再繼續(xù)上升而穩(wěn)定下來,此時在回灌井周圍形成一個水位的上升錐,其形狀與抽水的下降漏斗十分相似,只是方向正好相反。DW1和DW3監(jiān)測點的地下水位最終不降反升,這是因為回灌井兩側的水頭較高,而DW1、DW3與回灌井的距離較近,在回灌作用下水位反而上升。

Rc為回灌影響半徑;hc為回灌水位;Sc為水位升幅;h為地下水位圖4 地下水位變化Fig.4 Changes in groundwater level

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型及材料參數(shù)

建立考慮地下水滲流的三維數(shù)值計算模型,模型取基坑開挖深度3～5倍范圍,即模型長200 m,寬180 m,高50 m,基坑轉角處存在六層高的建筑物,為天然條形淺基礎框架結構,埋深2.0 m,尺寸61 m(長)×12 m(寬)×18 m(高)。為提高計算效率和準確模擬實際工況,對基坑區(qū)域的網(wǎng)格進行加密,整個模型共劃分215 647個單元,156 065個節(jié)點,如圖5所示。地層采用實體單元模擬,建筑物的條形基礎、樓板和柱子均采用彈性實體單元。計算模型四周邊界采用滾軸約束,下表面采用固定約束,上表面采用自由約束,初始應力場僅考慮自重應力?；拥膰o墻采用各向同性彈性模型,并在基坑圍護墻兩側添加接觸面,以便模擬土體和墻體之間的摩擦。建筑物材料參數(shù)如表1[13]所示。

表1 建筑物材料參數(shù)[13]Table 1 Material parameters of buildings[13]

圖5 基坑和建筑物模型Fig.5 Foundation pit and building models

2.2 本構模型

(1)

E50為割線剛度;Eur為卸載再加載剛度;qf為破壞應力;qa為漸近強度圖6 剪切荷載下雙曲線應力-應變關系Fig.6 Hyperbolic stress-strain relationships under shear loads

(2)

(3)

深基坑開挖時,MC模型由于土體卸載后坑底隆起,土體與圍護墻之間的摩檫力使得墻后土體也有上升的跡象,抵消了一部分沉降,因此MC模型的總體沉降值較小,其墻后影響區(qū)域也小于PH模型。為選取合理的本構模型,通過選取不同本構模型進行數(shù)值模擬計算,土層參數(shù)如表2所示。對比計算結果和實測結果發(fā)現(xiàn),無論是從地表沉降規(guī)律(圖7)還是建筑物沉降規(guī)律(圖8)來看,發(fā)現(xiàn)PH模型在深基坑中更符合實際情況,故采用PH模型進行模擬。

表2 土層參數(shù)Table 2 Soil parameter

圖7 不同模型下地表沉降Fig.7 Building subsidence under different models

圖8 不同模型下建筑物沉降Fig.8 Building subsidence under different models

2.3 數(shù)值模擬方案

烈士陵園站圍護結構采用鉆孔灌注樁,樁孔直徑為1 000 mm,樁長25 m,在樁外設置800@450 mm高壓旋噴樁止水帷幕。為簡化計算,鉆孔灌注樁簡化為600 mm厚度的地下連續(xù)墻,采用實體單元模擬并設置為不透水。為反映基坑開挖過程,將R2線和M1線分為五層進行開挖,先開挖R2線基坑第一層,施做橫撐;后開挖M1線第一層,施做橫撐,以此類推,當開挖到地下水時,先將水位降低至開挖面以下1.5 m,之后再進行開挖。

3 數(shù)值模擬結果及對比分析

3.1 地表沉降分析

數(shù)值模型選取的監(jiān)測線位置和平面布置與圖2一致,如圖9所示。L1、L2、L3及L4為測點位置,其中L1地表上無建筑物,而L2、L3和L4的地表上均有建筑物。可以看出,地表沉降曲線在建筑物基礎的影響下,由圓滑的倒“C”型出現(xiàn)了折線形區(qū)域,而其區(qū)域恰恰就在建筑物的覆蓋范圍之中。對比L1～L4可以發(fā)現(xiàn),越靠近東側的地表沉降越小,這是由于東側靠近基坑轉角三角區(qū),該區(qū)域圍護樁數(shù)量加密以及坑角效應,使得土體的變形相對較小。同時,可以發(fā)現(xiàn)地表最大沉降位置基本不變,位于圍護結構樁后13.6 m附近,存在建筑物和不存在建筑物對比時,存在建筑物的地表曲線最大沉降值有所減小,這是因為建筑物基礎和土體結合相對提高了該區(qū)域的土體剛度,使得基坑墻后的建筑區(qū)域范圍的沉降量有所減小。同時說明建筑物基礎的存在與地表沉降曲線確實相互關聯(lián),即建筑物改變了地表沉降曲線,地表沉降導致了建筑物的變形。此外,天然地表曲線L1與實測數(shù)據(jù)的Gauss擬合曲線相差不大,基本符合沉降特征,也反映了數(shù)值模擬的準確性。

圖9 模擬條件下地表沉降Fig.9 Surface subsidence under numerical simulation conditions

3.2 圍護結構水平位移分析

圍護結構的水平位移和坑外地表沉降存在線性關系,而地表沉降又對鄰近建筑物產(chǎn)生影響,說明圍護結構變形和建筑物沉降兩者存在關聯(lián),因此,對圍護結構的變形進行分析是很有必要的。

圖10為數(shù)值模擬條件下圍護樁水平位移,可以發(fā)現(xiàn)隨著圍護樁越接近長條基坑中部,圍護樁的水平位移也隨之增大,呈現(xiàn)向坑內凸出趨勢,最大位移處于樁身中部,樁頂端產(chǎn)生較小的位移,樁底部位移基本不變,CX1樁身產(chǎn)生的水平位移最為顯著,最大水平位移為22.9 mm。樁身頂端水平位移較小的主要原因是因為基坑安裝了冠梁以及鋼支撐,其能夠顯著地約束圍護樁的水平變形,但隨著基坑開挖到深處,其約束作用開始變小,因而在樁身中部產(chǎn)生的較大的變形,又由于樁底的巖層為風化的巖石,抗變形能力較強,所以樁的底部水平位移基本不變。對比圍護結構水平位移監(jiān)測值(圖3),數(shù)值模擬反應的規(guī)律和實測值大體一致,但模擬值略大于實測值,這是因為一方面由于開挖過程的場地限制,無法完全按照施工組織設計進行施工;另一方面,坑外布置了回灌井,當坑外地下水大量流失時能夠得到及時的補充,降低了由于地下水流失而造成的土體變形,而數(shù)值模擬沒有考慮到回灌措施、降雨等?？傮w來說,盡管數(shù)值上存在誤差,但模擬值的曲線發(fā)展趨勢還是和實測值基本一致。

圖10 數(shù)值模擬條件下圍護樁水平位移Fig.10 Horizontal displacement of retaining pile under numerical simulation

3.3 建筑物變形分析

建筑物的位置點不同,其產(chǎn)生沉降值也有所不同,故會造成不均勻沉降和傾斜,建筑傾斜度通常分為水平傾斜和垂直傾斜,由于基坑開挖產(chǎn)生的豎向位移遠大于水平位移,故只考慮垂直傾斜,不考慮水平傾斜。

數(shù)值模型建筑物的測點與實際監(jiān)測點一致,為JZ1～JZ8,其沉降過程圖如圖11所示,累計沉降值如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn),基坑一開始開挖深度較淺時,建筑物的沉降值較小,隨著基坑降水和開挖深度的增大,建筑物的沉降也隨之增大,基坑開挖與降水所造成建筑物的沉降大致相當。建筑物總體往基坑方向傾斜,沉降差異的最大兩個點為JZ8和JZ4,建筑物的最大傾斜度為0.000 12,與實測值大致相同。對比實測建筑物沉降值,模擬值比實測值偏大,這是因為數(shù)值模擬沒有考慮到坑外進行地下水的回灌措施,從而導致了這一結果,同時也說明地下水的回灌能夠降低鄰近建筑物的沉降值。

表3 建筑物實測與數(shù)值計算沉降值Table 3 Actual settlement value of the building and the numerical calculation settlement value

圖11 建筑物沉降隨計算時間的變化規(guī)律Fig.11 Settlement variation of buildings with calculation time

4 不同因素對建筑物沉降規(guī)律影響

4.1 鋼支撐間距

從土體卸載方面看,圍護結構的水平變形與建筑物沉降關聯(lián)密切,因此需要控制圍護結構的變形,分析不同鋼支撐間距對建筑物沉降產(chǎn)生的影響,來進一步探討建筑物的變形規(guī)律。由實測數(shù)據(jù)和模擬結果可知,圍護樁的變形主要在中部最為凸出,所以僅對第二道鋼支撐的間距進行加密,以此來探討建筑物沉降情況的變化。

基坑第二道鋼支撐間距原設計值為3.0 m,以每0.2 m的變量控制剛支撐間距,對其進行三維數(shù)值模型計算,得到不同鋼支撐間距條件下建筑物的沉降規(guī)律,如圖12所示?？梢钥闯?隨著鋼支撐間距的減小,建筑物的沉降值也逐漸減小,靠近基坑一側從最大值9.16 mm減小至6.85 mm,遠離基坑一側最大值從6.08 mm減小至5.45 mm,此外,可以看出建筑物的傾斜度也逐漸減小。當鋼支撐間距從3.0 m減小至2.8 m時,可以發(fā)現(xiàn)建筑物的沉降值顯著減小,最大沉降值從9.16 mm減小至7.78 mm,沉降值減小了15%;但鋼支撐間距從2.8 m減小至2.6 m,最大沉降值從7.78 mm減小至7.21 mm,沉降值僅減小了7%,鋼支撐對減小建筑物沉降的效果開始降低;鋼支撐間距為2.6～2.0 m時,沉降值分別減小了2.8%、1.6%、0.7%,可以發(fā)現(xiàn)鋼支撐對減小建筑物沉降的效果已經(jīng)很小了。因此,在工程造價和保護鄰近建筑物兩方面的因素下綜合考慮,基坑施工時第二道鋼支撐間距可適當減小,建議選擇2.6～2.8 m。

圖12 不同鋼支撐間距條件下建筑物沉降變化Fig.12 Settlement changes of buildings under different steel support spacings

4.2 止水帷幕深度

為保證鄰近建筑物安全,富水地層基坑往往需要阻斷坑內外地下水的聯(lián)系,止水帷幕在基坑施工中起到重要作用,過短的止水帷幕不能起到完全隔斷地下水的作用,容易導致地下水滲漏。而過長的止水帷幕造價成本較高,容易形成浪費,因此探究合適的止水帷幕深度能夠對施工起到優(yōu)化作用。

由于基坑開挖深度為22 m,一般來說止水帷幕深度應大于開挖深度,因此,模型中的止水帷幕深度分別設置為25、27.5、30、32.5、35、37.5、40 m以及無止水帷幕。經(jīng)過計算,得到不同止水帷幕深度條件下鄰近建筑物的沉降規(guī)律,如圖13所示?？梢钥闯?建筑物沉降隨著止水帷幕插入深度增加出現(xiàn)減小的趨勢,從25 m開始,止水帷幕插入度每增加2.5 m,建筑物最大沉降值分別減少0.11、0.49、0.14、0.09、0.05、0.04 mm。當止水帷幕插入度為25～27.5 m時,對減小建筑物沉降值效果較小;當止水帷幕插入度為27.5～30 m時,對減小建筑物沉降值效果較明顯;當止水帷幕插入度為30～40 m時,對減小建筑物沉降值效果又開始降低;當坑外無止水帷幕時,建筑物的沉降量最大為-10.21 mm。主要原因為:由于地表以下25 m處為全風化閃長巖,可視作隔水層,止水帷幕插入地下25 m形成封閉式止水帷幕,切斷了坑內外地下水聯(lián)系,此時止水帷幕能夠起到減小建筑物沉降的作用。但全風化巖石存在許多裂隙,不能完全阻斷坑內外地下水聯(lián)系,直到止水帷幕插入到地表下30 m處,此時止水帷幕到達了強風化閃長巖,相對全風化閃長巖隔水性更好,所以起到降低建筑物沉降的效果更明顯。地表30 m再往下為隔水性更好的閃長巖,此時坑內外地下水聯(lián)系已絕大部分阻斷,止水帷幕深度再增加對減小建筑物沉降的效果已開始降低。因此,建議止水帷幕的深度控制在27.5～30 m。

圖13 不同止水帷幕深度下建筑物沉降變化Fig.13 Settlement variation of buildings under different waterproof curtain depths

5 結論

以濟南地鐵烈士陵園站深基坑為工程背景,采用現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬相結合分析深基坑施工對鄰近建筑物變形規(guī)律的影響,并探討不同因素對鄰近建筑物變形的影響,得出如下結論。

(1)建筑物與地表沉降曲線之間相互關聯(lián),建筑物的存在不會改變地表的沉降趨勢,但在建筑物覆蓋的地表會因為建筑物基礎的剛度比土體大而產(chǎn)生折線形的地表曲線;坑外建筑物的變形主要是由于地表沉降而導致的。

(2)基坑開挖和降水引起建筑物的沉降量大致相當;基坑外設置回灌井進行回灌能夠降低建筑物的沉降值,由于施工時進行了回灌措施,因此地表沉降、圍護結構變形和建筑物沉降的監(jiān)測值均符合規(guī)范要求。

(3)建筑物沉降隨著鋼支撐間距減小而減小,當間距減小到2.6 m時,其效果開始降低,因此選擇2.6～2.4 m的鋼支撐間距,可以起到對周邊建筑物較好的保護作用。

(4)建筑物沉降隨著止水帷幕深度增加而減小,當止水帷幕插入到30 m時,其效果開始降低,建議選擇27.5～30.0 m的止水帷幕深度,能夠降低施工成本,獲得較好的經(jīng)濟效益。