楊忠華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

1.1 研究背景

城市地鐵基坑工程逐漸呈現(xiàn)出“超大、超深、超近距離近接施工”等特點[1]。深基坑的開挖卸載必然導(dǎo)致坑周地表沉降和地層移動,基坑圍護結(jié)構(gòu)在坑外水土壓力的作用下發(fā)生指向基坑內(nèi)部的水平位移[2],基坑底部易發(fā)生隆起變形。侯學(xué)淵等認為：基底隆起是豎向應(yīng)力釋放的結(jié)果,可能危害周圍既有構(gòu)筑物的安全。[3]

當邊界條件較為復(fù)雜,地層變化多樣或地下水作用明顯時,開挖引起的自由場位移無法用經(jīng)驗公式或解析解來進行描述,此時以往的理論方法就難以勝任了。而目前已經(jīng)開展的數(shù)值模擬工作主要側(cè)重于分析基坑開挖對鄰近樁基的影響規(guī)律,沒有考慮基坑降水及開挖過程中地下水與土體的流固耦合作用，針對各種工程加固措施(如隔離樁、主動區(qū)加固、被動區(qū)加固等)對鄰近樁基的變形控制效果及控制規(guī)律的研究還較少見。

1.2 工程概況

某地鐵車站總長183.114 m,底板埋深20.5 m,基坑底位于4-1粉砂層和4-2粉細砂層上。車站處于某市解放大道與京漢大道之間的江漢路正下方,平行于江漢路布設(shè),車站西側(cè)為一既有地下通道,東側(cè)為京漢大道上的高架橋梁,西南側(cè)距離基坑3.5 m左右處有地上3層、地下1層的大型商場(基礎(chǔ)類型為筏片基礎(chǔ)),車站東北側(cè)有28層世紀大廈大樓(為樁基),距基坑約13 m。

1.3 工程地質(zhì)條件及水文條件

(1)地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭露,工程區(qū)表層分布人工填土層,其下呈現(xiàn)典型的二元結(jié)構(gòu),上部為黏性土,局部夾淤泥質(zhì)土,中下部為稍密—中密粉細砂、密實中粗砂,底部局部分布礫卵石,下伏基巖除局部分布白堊系—第三系東湖群(K-Edh)礫巖、砂巖外,主要為志留系中統(tǒng)墳頭組泥巖和粉砂巖,地質(zhì)分布見圖1。

(2)水文條件

場區(qū)地下水按埋藏條件主要為上層滯水和層間承壓水兩種類型。一是上層滯水：上層滯水主要賦存于人工填土層中,含水與透水性不一,地下水位不連續(xù),無統(tǒng)一的自由水面,水位埋深為0.5～2.0 m；二是承壓水：承壓水為本區(qū)主要地下水,主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積粉砂(4-1)、粉細砂和中粗砂礫石層(4-3)中,與上覆粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層(3-5)構(gòu)成統(tǒng)一承壓含水層。長江水是地下水動態(tài)變化的主要因素,承壓水頭與長江水位漲落密切相關(guān),年變幅為3～4 m。大氣降水的入滲補給對承壓水影響較小。

1.4 地鐵車站總體施工方案及施工順序

本工程車站主體結(jié)構(gòu)采用基坑圍護、坑內(nèi)降水、內(nèi)設(shè)鋼管支撐或混凝土支撐的方式施工。下穿高架橋墩處采取蓋挖順作法施工,并預(yù)先對高架橋墩進行加固,其余段均采用明挖順作法施工。橋墩處基坑剖面如圖1。

圖1 高架橋墩處基坑剖面(單位：cm)

圖2 高架橋墩加固平面

(1)高架橋墩加固施工

先對高架橋墩樁基進行注漿加固,后進行直徑為800 mm間距為1 m的隔離樁施工。為防止隔離樁施工中發(fā)生串孔和塌孔,樁基施工前先進行取芯抽樣檢查再施工隔離樁,樁基施工采取跳躍施工順序。橋墩加固與地下連續(xù)墻位置關(guān)系如圖2。

(2)基坑主體結(jié)構(gòu)施工

主體圍護結(jié)構(gòu)形式采用80 cm厚地下連續(xù)墻,地下連續(xù)墻采用剛性工字鋼接頭。圍護結(jié)構(gòu)支撐：頂板抬高段設(shè)置5道支撐,其中第一道采用鋼筋混凝土支撐,2～5道設(shè)置鋼支撐,第4道為雙拼鋼支撐；蓋挖段設(shè)5道支撐,除第2道支撐采用鋼支撐外,其余均采用鋼筋混凝土支撐。

在大型商場及既有地下通道等構(gòu)筑物離基坑較近處,為防止和減少基坑開挖造成的影響,在連續(xù)墻外側(cè)施做高壓旋噴樁；車站橫穿高架橋墩段(蓋挖段)基底采用φ1 200旋噴樁被動區(qū)土體加固,加固厚度3 m?；觾?nèi)降水采用深井降水技術(shù)。本車站主體基坑共布置12口降水井,設(shè)置成1排,縱向間距15 m左右。降水井直徑800 mm,內(nèi)設(shè)直徑400 mm鋼套管,降水井深入基坑底板下部約為14 m。

在完成連續(xù)墻圍護、抗拔樁、臨時立柱及冠梁且降水達標后,開始進行基坑土方開挖。土方開挖遵循“縱向分段、豎向分層、由上至下、邊開挖邊支護、先支后挖”的施工原則,豎向從上至下分層進行。。

當基坑成型長度達到40 m以上,則開始主體結(jié)構(gòu)施工。采取縱向分段,豎向分層的跳段施工方式，施工順序也是從東向西推進，豎向從車站底板開始自下而上施做,即：底板→地下二層墻、柱及中板→地下一層墻、柱及頂板。

2 基坑降水開挖數(shù)值計算模型

2.1 計算范圍、單元類型及材料參數(shù)的選取

O’Rourke[4]和Cording[5]等人對影響圍護結(jié)構(gòu)水平變形的主要參數(shù)進行了深入的研究,Clough[6]及Wong[7]等率先采用平面整體有限元方法探討了有內(nèi)支撐的深基坑開挖問題。Blackburn[8]對福特設(shè)計中心深基坑工程進行了三維彈塑性數(shù)值模擬,上述工作對本工程有很重要的參考價值。

在對本工程進行數(shù)值仿真分析過程中,著重對蓋挖段周圍一定范圍內(nèi)的土體及構(gòu)筑物和標準段的部分基坑進行了三維建模。具體分析范圍如圖3所示,以地鐵車站標準段中心位置為起點,沿基坑長度方向往高架橋延伸220 m,沿基坑寬度方向兩側(cè)延伸各115 m,豎向取至地表以下60 m的深度(基巖面以下約12 m),總計算模型尺寸為220 m×230 m×60 m。

分析中,鋼筋混凝土支撐、鋼支撐、混凝土冠梁及圍檁等采用梁單元進行模擬，高架橋墩基礎(chǔ)樁、隔離樁采用實體單元模擬,抗拔樁采用樁單元進行模擬,土體(包括旋噴樁加固體和注漿加固體)采用六面體單元進行模擬。

基坑降水開挖階段涉及的對象主要有：土體、基底旋噴樁加固體、鋼支撐、混凝土撐、冠梁、圍檁等,其力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料主要物理力學(xué)參數(shù)

2.2 邊界條件及荷載

模型的力學(xué)邊界條件為：高架橋墩上表面為垂直荷載邊界(應(yīng)力邊界),四側(cè)為法向約束,底面固定(位移約束)。

同時,在基坑降水開挖階段,基坑需要進行降水和開挖,存在明顯的地下水流動問題。因此,模型中考慮地下水與土體的流固耦合作用。由于地下連續(xù)墻及止水帷幕已隔斷承壓水進入基巖,且由現(xiàn)場抽水試驗可知,降水井內(nèi)水位恢復(fù)相當緩慢,這表明深入基巖的止水帷幕和地下連續(xù)墻對地下水的阻隔效果較好,滲漏量很小。因此，對基巖、連續(xù)墻的透水邊界條件進行適當簡化,即假定基巖、連續(xù)墻為不透水介質(zhì)。在模型的右、前、后三側(cè),由于地下水受長江的水力補給,設(shè)定為定水頭邊界；由于基坑為狹長矩形,模型左側(cè)截斷邊界處基本不會有地下水流入(出),故設(shè)置為不透水邊界；降水井側(cè)壁處設(shè)置為定流量的泄漏邊界。

2.3 計算模型的網(wǎng)格劃分

整個模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。其中共有24.25萬個實體單元,27.62萬個網(wǎng)格點,3 212個結(jié)構(gòu)單元(梁單元和樁單元)。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.4 施工過程模擬及分析

具體模擬過程為：形成初始應(yīng)力場；施工高架橋墩及樁基,并施加Q2墩及Q3墩墩頂荷載,形成基坑施工前的應(yīng)力場；設(shè)置地下連續(xù)墻、隔離樁等,并進行注漿加固和旋噴樁加固；位移場歸零(本文只分析基坑降水開挖引起的位移,不考慮隔離樁成孔及地下連續(xù)墻成槽引起的地層和樁基變形規(guī)律),進行基坑降水(一次性將基坑內(nèi)部水位降至地表以下22.80 m)；挖除第一層土體,施做第一道支撐；開挖第二層土體,施做第二道支撐……；依次施工,直至土方開挖完成；施做底板及部分側(cè)墻、中柱,拆除第五、四道支撐；施做中板及部分側(cè)墻、中柱,拆除第三、二道支撐；施做頂板,拆除第一道撐,并回填至地表。其中,在進行每層土體的開挖和支撐時,還考慮到基坑縱向的分段開挖(計算域內(nèi)分為5個節(jié)段),整個過程共有44個計算步。

2.5 計算結(jié)果分析

由于Q3墩側(cè)地下連續(xù)墻性狀較為規(guī)則,條件較為簡單,在此主要以Q3墩側(cè)模型為研究對象。以下若無特別說明,所列出結(jié)果均為Q3墩側(cè)的計算結(jié)果。

(1)坑外地表沉降

不同施工步下標準段及蓋挖段坑外地表沉降隨距離的變化曲線如圖4所示。

圖4 不同施工步下基坑外地表沉降分布曲線

由圖4可知：基坑外地表沉降呈拋物線分布,隨著基坑降水開挖的進行,坑外地表沉降逐漸增大,且最大值出現(xiàn)的位置距地下連續(xù)墻的距離也有一定程度的增長。從各施工步引起的地表沉降量的大小來看,基坑降水的影響是最為明顯的,對于標準段和蓋挖段而言,基坑降水引起的地表沉降占總沉降量的比例分別達到了39.1%和37.7%。因此,在進行基坑變形分析時,考慮降水引起的土體滲流固結(jié)是必不可少的?；娱_挖完成后,標準段和蓋挖段坑外最大地表沉降分別為31.9 mm和16.2 mm。蓋挖段坑外地表沉降只有標準段的一半。其原因是：①由于隔離樁、主動區(qū)注漿加固及被動區(qū)旋噴樁加固等工程措施的加固作用,大大提高了土體的力學(xué)性能。②蓋挖段基坑寬度比標準段小很多,坑底土體的隆起程度及降水引起的坑內(nèi)土體壓縮變形也會小很多,相應(yīng)地,坑外土體的地表沉降也就大幅度降低了。

進一步比較圖4(a)和圖4(b),可以發(fā)現(xiàn),除了數(shù)值上有較大差異之外,標準段與蓋挖段坑外地表沉降的分布形態(tài)也略有差別,主要表現(xiàn)為：①由于受到隔離樁及主動區(qū)注漿加固體的“遮攔”作用,蓋挖段坑外地表沉降最大值發(fā)生的位置要更靠外一些。②由于主動區(qū)注漿加固體與外側(cè)土體的剛度差異,蓋挖段坑外地表沉降在6 m位置處出現(xiàn)拐點。

(2)地下連續(xù)墻水平位移

圖5給出了不同施工步下標準段及蓋挖段地下連續(xù)墻水平位移分布曲線。地下連續(xù)墻的水平位移大體上呈現(xiàn)出兩端小、中間大的變形形態(tài)。同樣,由于基坑采用的是一次性降水方案(降至基底下2 m),隨著降水的進行,地下連續(xù)墻內(nèi)外產(chǎn)生了較大的水頭差,且在整個降水過程中基坑內(nèi)支撐尚未施做,不能發(fā)揮作用,因而導(dǎo)致降水引起的地下連續(xù)墻水平位移占最終水平位移的比重很大(標準段達到了41.0%,蓋挖段達到了42.2%)。另外,隨著開挖深度的增加,地下連續(xù)墻最大水平位移逐漸增大,最大水平位移發(fā)生的位置也不斷下移。在基坑降水及表層土體開挖時,基坑尚未施做第一道橫撐,地下連續(xù)墻最大水平位移發(fā)生在墻頂附近。隨著后續(xù)開挖的進行,最大水平位移發(fā)生的位置也逐漸轉(zhuǎn)移到坑底開挖面下3 m的位置處。

圖5 不同施工步下地下連續(xù)墻水平位移分布曲線

(3)高架橋墩變形

Q2墩及Q3墩距離地下連續(xù)墻的中心間距均不超過6 m,由圖4可知,在此范圍內(nèi),地表沉降非常小(不超過4 mm)。相應(yīng)地,橋墩的沉降相對于其撓曲變形而言,基本可以忽略。在此情況下,樁基對地層不均勻水平位移更為敏感,樁身彎矩往往起控制作用。因此,本文僅給出高架橋墩的水平響應(yīng)(以下列出的樁身響應(yīng)均為同一群樁基礎(chǔ)內(nèi)四根單樁響應(yīng)的平均值)。

圖6給出了不同施工步下Q2墩及Q3墩群樁基礎(chǔ)內(nèi)4根單樁的平均水平位移分布曲線。不難看出,橋墩樁基的水平位移分布規(guī)律與蓋挖段地下連續(xù)墻的水平位移分布規(guī)律非常類似,只是數(shù)值上要略小一些。當基坑施工完成后,Q2墩樁基的最大水平位移為23.3 mm,Q3墩樁基的最大水平位移為24.4 mm。

圖6 不同施工步下橋墩樁基水平位移分布曲線

3 橋墩變形控制措施的效果分析

對于城市高架等重要建構(gòu)物而言,其樁基礎(chǔ)對地層變形是相當敏感的,其控制標準相當嚴格。在正常施工條件下無法滿足其地層變形控制標準時,應(yīng)采取必要的變形控制措施。一般來講,變形控制措施可以分為兩類：①采取額外的工程措施對樁基進行防護,如蓋挖段采用的隔離樁、主動區(qū)注漿加固及被動區(qū)旋噴樁加固等。②通過調(diào)整優(yōu)化降水方案、開挖順序及每步開挖尺寸等。

3.1 優(yōu)化降水方案對樁基位移的控制效果分析

如前所述,基坑降水(一次性降水方案)引起的地層位移及樁身變形占總變形量的比重非常顯著。因此,在深大基坑的實際施工過程中,往往采用分層降水方案,即每次將水位降至各層土體開挖面下1～2 m,然后進行相應(yīng)層土體開挖,降水與土體開挖交替進行。圖7給出了不同降水方案下Q2墩及Q3墩最終樁身水平位移分布曲線。由圖7可知,相對于一次性降水方案,分層降水方案所對應(yīng)的樁身最大水平位移有一定幅度的降低,尤其是中上部,樁身水平位移降低幅度非常大。其中,Q2墩及Q3墩樁身最大水平位移降低的幅度分別為15.2%和13.7%,Q2墩及Q3墩承臺頂部水平位移降低的幅度分別達到了50.3%和58.6%。因此,通過優(yōu)化降水方案來控制基坑施工對鄰近樁基影響的效果還是比較明顯的。

圖7 不同降水方案下橋墩樁身水平位移分布曲線

3.2 各種加固措施對樁基的位移控制效果分析

在很多情況下,僅通過調(diào)整優(yōu)化降水方案和土體開挖方案并不一定能滿足環(huán)境保護的需要,此時便需要一些工程加固措施(如本基坑蓋挖段涉及的隔離樁、注漿加固和旋噴樁加固等)。圖8給出了五種不同加固方案下Q2墩和Q3墩最終樁身水平位移分布曲線。其中,工況A表示無任何加固措施；B表示只有被動區(qū)旋噴樁加固；C表示只有主動區(qū)注漿加固；D表示只有隔離樁加固；E表示同時有隔離樁、主動區(qū)注漿加固和被動區(qū)旋噴樁加固等三種措施。計算結(jié)果顯示：相對于無加固措施(即工況A),工況B～E情況下Q2墩(Q3墩)樁身最大水平位移分別降低了22.1%(19.8%),12.0%(13.2%),14.2%(15.6%)和50.7%(51.3%)。總體上看,在基坑降水開挖階段(不包括地下連續(xù)墻成槽階段),隔離樁、主動區(qū)注漿加固和被動區(qū)旋噴樁加固三種措施中,被動區(qū)旋噴樁加固的效果最為明顯。在同時采用三種加固措施的情況下,其組合位移控制效果基本上就是三者各自位移控制效果的線性累加。

需要說明的是,由于隔離樁和主動區(qū)注漿加固在地下連續(xù)墻成槽之前已完成,在地下連續(xù)墻成槽階段已經(jīng)發(fā)揮了一定的作用,因此本節(jié)給出的計算結(jié)果只體現(xiàn)了隔離樁和主動區(qū)注漿加固的部分加固效果。

圖8 不同加固方案下橋墩樁身水平位移分布曲線

4 結(jié)論

各施工步驟中,基坑降水對環(huán)境的影響最為明顯,應(yīng)特別關(guān)注。隨著降水開挖的進行,坑外最大地表沉降出現(xiàn)的位置逐漸外移,地下連續(xù)墻最大水平位移發(fā)生的位置也不斷下移。至基坑開挖完成后,地下連續(xù)墻最大水平位移發(fā)生在基底以下3 m位置處。

通過優(yōu)化降水方案來控制基坑施工對鄰近樁基影響的效果還是比較明顯的。相對于一次性降水方案,分層降水方案能一定程度地降低鄰近樁基的變形,尤其是降低樁基承臺頂部的水平位移。

隔離樁、主動區(qū)注漿加固和被動區(qū)旋噴樁加固都能一定程度地抑制鄰近樁基的水平位移。相比而言,在基坑降水開挖階段,被動區(qū)旋噴樁加固的效果最為明顯。另外,三種加固措施的“組合位移控制效果”基本上就是三者各自控制效果的線性累加。

[1]徐至鈞,趙錫宏.逆作法設(shè)計與施工[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002

[2]張 羽.基坑開挖與鄰近樁基礎(chǔ)的相互影響分析[D].上海:同濟大學(xué),2007

[3]劉建航,侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997

[4]O’Rourke T D. A Study of Two Braced Excavations in Sand and Interbedded Stiff Clay [Ph.D. Dissertation]. University of Illinois at Urbana-Champaign, 1975

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[6]Clough G W, Duncan JM. Finite element analyses of retaining wall behavior. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, 1971,97(12):1657-1673

[7]Wong L H. Analysis of Braced Excavation [Ph.D. Dissertation]. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, 1971

[8]Blackburn J T. Automated Remote Sensing and Three Dimensional Analysis of Internally Braced Excavations [Ph.D. Dissertation]. Northwestern University, 2005