羅桂軍,羅光財(cái),郭 庶

(中建五局土木工程有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引 言

近些年隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展,地鐵建設(shè)規(guī)模日益增大,地鐵建設(shè)成本高,施工難度大,因此在施工過(guò)程中有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)尤其重要。明挖地鐵車(chē)站深基坑工程開(kāi)挖深度深,土方開(kāi)挖量大,施工中對(duì)基坑的穩(wěn)定性以及周?chē)h(huán)境的安全提出了更高的要求。特別是在一些地下水較豐富、土質(zhì)較軟的基坑工程中,土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)指標(biāo)較低,土體多呈軟塑或半流塑狀態(tài),因此如果基坑設(shè)計(jì)不當(dāng)或施工出現(xiàn)偏差均容易造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移過(guò)大、周?chē)孛娉两导翱拥茁∑鸬痊F(xiàn)象,進(jìn)而影響基坑的穩(wěn)定及其鄰近設(shè)施的安全和正常使用[1]。

在地下水較豐富的軟體地區(qū)一些較復(fù)雜的基坑工程中,采用必要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐措施已經(jīng)不足以保證基坑開(kāi)挖時(shí)的穩(wěn)定性,因此對(duì)基坑被動(dòng)區(qū)土體采取加固措施非常重要[2-3]。根據(jù)大量工程實(shí)踐及理論分析,對(duì)基坑底部以及其他坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)的土體進(jìn)行加固能夠有效改善土體的物理力學(xué)性質(zhì),從而減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)向位移、周邊地表沉降及坑底隆起,進(jìn)而提高基坑穩(wěn)定性[4-5]。

在相關(guān)的已有研究中,陳興年等[4]從基坑變形的產(chǎn)生和傳播過(guò)程出發(fā),考慮了加固和基坑變形的相互影響,將軟體基坑分為被動(dòng)和主動(dòng)2種加固類型,并分析了這兩類軟土基坑加固的變形控制原理和設(shè)計(jì)思路;賈堅(jiān)[6]歸納了基坑工程中土體加固技術(shù)的應(yīng)用條件、工藝特點(diǎn)及加固形式;蔣建平[7]基于平面數(shù)值模擬方法對(duì)坑底加固體的剛度效應(yīng)進(jìn)行了探討;秦愛(ài)芳等[8-9]以卸荷試驗(yàn)為基礎(chǔ),研究了軟土地區(qū)基坑工程中坑底土體加固深度的問(wèn)題。

在以上理論研究的基礎(chǔ)上,本文將結(jié)合長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線月亮島路站基坑工程施工實(shí)際情況,分析基底加固對(duì)基坑變形的影響以及變形控制措施的合理性。本文使用ABAQUS有限元軟件根據(jù)月亮島路站基坑建立三維模型,分析在基底加固對(duì)變形風(fēng)險(xiǎn)的影響,找到合理的控制措施,進(jìn)一步得出基坑內(nèi)坑底加固對(duì)基坑變形的影響規(guī)律,為相關(guān)工程設(shè)計(jì)施工提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型

1.1 工程概況

本文研究選取長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線月亮島路站地鐵車(chē)站深基坑工程。月亮島路站位于規(guī)劃道路月亮島路與規(guī)劃道路銀杉路十字路口南側(cè),與10號(hào)線采用通道換乘,4號(hào)線站位沿規(guī)劃道路銀杉路南北向敷設(shè)。車(chē)站有效站臺(tái)中心里程為YDK15＋502.000,車(chē)站設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程YDK15＋424.825,車(chē)站設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程YDK15＋625.825,為地下兩層明挖車(chē)站。車(chē)站外包全長(zhǎng)201.00 m,標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬22.7 m,車(chē)站施工時(shí)基坑深約16.3 m,兩端盾構(gòu)井段基坑深約17.85 m。車(chē)站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻,厚度為0.8 m,插入深度為27 m;基坑豎向設(shè)有共有三道水平支撐,支撐的中心位置分別是－2,－6,－11 m,基坑底部采用袖閥管旋噴注漿進(jìn)行加固。車(chē)站兩端均接盾構(gòu)區(qū)間,設(shè)盾構(gòu)始發(fā)井、吊出井。

月亮島路站車(chē)站站位東側(cè)距離湘江約800 m,地表水位主要受降水和地表徑流補(bǔ)給,地下水分為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水(包括潛水和承壓水),場(chǎng)地大部分鉆孔均遇見(jiàn)地下水,潛水穩(wěn)定水位埋深3.0～8.0 m。月亮島路站地下水較豐富,基坑存在較大變形風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 幾何模型

本工程基坑采用明挖法圍護(hù)施工,側(cè)向隔水帷幕采用地下連續(xù)墻,坑底采用封底隔水帷幕。該工程具有基坑開(kāi)挖規(guī)模大、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大等特點(diǎn)。本工程利用有限元分析軟件建立月亮島西站三維模型,模擬不同加固措施下基坑變形情況。根據(jù)場(chǎng)地地層分布及水文地質(zhì)條件,建立計(jì)算區(qū)域水文地質(zhì)概念模型,按照基坑降水要求,對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行三維數(shù)值建模。

考慮到基坑開(kāi)挖影響寬度約為開(kāi)挖深度的3～4倍,影響深度約為開(kāi)挖深度的2～4倍,故本文所研究的基坑影響寬度和深度均取3倍的開(kāi)挖深度,根據(jù)對(duì)稱性,取基坑1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,故模型計(jì)算范圍取為100 m×10 m×60 m。

1.3 施工過(guò)程模擬步驟

為了簡(jiǎn)化計(jì)算,施工過(guò)程模擬步驟為：

(1)對(duì)計(jì)算范圍內(nèi)的土體進(jìn)行初始應(yīng)力分析;(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工,坑底土體加固;

(3)第1步開(kāi)挖,開(kāi)挖深度為2 m,然后安置第1道支撐;

(4)第2步開(kāi)挖,深度為4 m,然后安置第2道支撐;

(5)第3步開(kāi)挖,挖深度為5 m,然后安置第3道支撐;

(6)第4步開(kāi)挖,深度為5 m,開(kāi)挖到坑底。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 基底加固對(duì)坑底隆起的影響

利用有限元軟件構(gòu)建三維模型如圖1和圖2所示,其中圖1為基坑的坑底未加固時(shí)坑底隆起變形情況;圖2為基坑的坑底加固后坑底隆起變形情況,其中加固體深度取h＝(25 m＋7 m)(表示從深度15 m開(kāi)始,加固到深度25 m＋7 m處),加固體彈性模量取E＝150 MPa。

由圖1和圖2對(duì)比可以看出,在相同開(kāi)挖條件下,基坑坑底加固可以明顯抑制坑底土體的隆起,減小基坑的變形。

2.1.1 加固體剛度變化對(duì)坑底隆起的影響

為了進(jìn)一步分析加固體剛度變化對(duì)坑底隆起的影響,在模擬中分別取加固體彈性模量E＝75 MPa、E＝150 MPa、E＝300 MPa以及未采取加固的形式進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖3所示。

圖1 基底未加固坑底隆起變形云圖

圖2 基底加固后坑底隆起變形云圖

圖3 不同加固體剛度的坑底隆起曲線

從圖3中可以看出,加固體剛度對(duì)坑底土體的隆起有較大的影響,當(dāng)未加固時(shí),最大坑底隆起值為12.24 cm,當(dāng)加固體的彈性模量為150 MPa時(shí),坑底土體隆起值為8.96 cm,減小了26.80%。結(jié)果表明：加固體的剛度對(duì)抑制坑底隆起的作用比較顯著,能夠明顯減小坑底土體的隆起值。

當(dāng)加固體彈性模量E＝75 MPa、E＝150 MPa、E＝300 MPa時(shí),最大坑底隆起值分別為9.41,8.96,8.41 cm。而未加固時(shí),最大坑底隆起值為12.24 cm,分別減小了23.12%、26.80%、31.29%。結(jié)果表明：最大坑底隆起值隨加固體剛度的增大而減小,但加固體剛度達(dá)到一定值后,隨著加固體剛度的增大對(duì)減小最大坑底隆起值變化幅度的效果不明顯,即存在一個(gè)臨界加固剛度;當(dāng)加固體剛度過(guò)小時(shí),容易造成坑底隆起值過(guò)大,影響基坑的穩(wěn)定性;當(dāng)加固體剛度過(guò)大時(shí),又會(huì)造成一定的浪費(fèi),因此,對(duì)于抑制坑底的隆起,施工中需要選擇合適的施工剛度。

2.1.2 加固體厚度變化對(duì)坑底隆起的影響

為了分析坑底土體加固厚度對(duì)坑底隆起的影響,模擬中取加固體的剛度為E＝150 MPa,而基坑坑底加固體取的厚度,分別取4,7 m和10 m,得到不同加固厚度下坑底隆起變化曲線如圖4所示。

圖4 不同加固體厚度的坑底隆起曲線

從圖4中可以看出,加固體位置變化對(duì)坑底隆起有較大的影響,當(dāng)加固體厚度為4 m時(shí),坑底隆起值為9.82 cm;當(dāng)加固體厚度為10 m時(shí),坑底隆起值為7.58 cm;未加固時(shí),最大坑底隆起值為12.24 cm,兩者與未加固時(shí)相比,分別減小了19.77%、38.07%。結(jié)果表明：加固體的厚度對(duì)抑制坑底隆起的作用比較顯著,坑底隆起值隨加固體厚度增加而增加。綜合考慮施工實(shí)際,在保證施工安全的前提下,考慮減小施工成本和工期,選擇加固厚度7 m為合適方案。

2.2 注漿加固前后風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)以上模擬分析結(jié)果,選擇彈性模量為E＝150 MPa,加固厚度為7 m的加固體,在坑底10 m位置進(jìn)行水平止水加固,旨在分析采用以上加固措施后對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的控制作用。

加固前后基坑外側(cè)地表沉降如圖5所示,從圖5中可以看出,基坑周邊的地表沉降隨著基坑開(kāi)挖逐漸增大,加固前的地表沉降量最大值超過(guò)35 mm,遠(yuǎn)大于加固后的地表沉降最大值,說(shuō)明加固效果良好。

圖5 加固前后地表沉降最大值曲線

加固前后地連墻水平側(cè)向位移如圖6所示,從圖6中可以明顯看出,加固后地連墻最大側(cè)向位移明顯減小,說(shuō)明采取加固后有效地控制了基坑變形。

圖6 加固前后地連墻水平側(cè)向位移最大值曲線

加固前后坑外地下水位降深如圖7所示,從圖7中可以明顯看出,加固前坑外地下水位降深最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加固后,說(shuō)明采取基底加固措施后很好地控制了地下水滲流風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 加固前后地下水位降深最大值曲線

3 基底變形風(fēng)險(xiǎn)控制

針對(duì)月亮島路站基坑變形風(fēng)險(xiǎn),在基坑開(kāi)挖前對(duì)基坑采取了袖閥管注漿加固的措施,加固厚度7 m,平面范圍除基坑周圈采用兩排全孔雙液漿進(jìn)行封閉外,中間區(qū)域均采用雙液漿(加固深度3 m)＋單液漿(加固深度4 m),注漿加固示意圖如圖8所示。

圖8 月亮島西站基底注漿加固

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映,主要風(fēng)險(xiǎn)位置為月亮島西站南端頭盾構(gòu)井基坑及周邊地表,因此本節(jié)主要分析相應(yīng)位置的地下水位情況和地表沉降情況,并采取相應(yīng)保護(hù)措施。為了更好地分析施工過(guò)程中地下水位變化情況,結(jié)合實(shí)際情況選取部分風(fēng)險(xiǎn)值較大點(diǎn)進(jìn)行分析。月亮島西站南段盾構(gòu)井基坑周邊地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括 W10～W16(實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程 W14和W16被壓無(wú)法布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),以下分析降深較大的W10、W12以及 W15),地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取D12－1、D13－1和D14－1(月亮島路站監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意圖見(jiàn)圖9)。同樣將施工分成5個(gè)階段,將各個(gè)階段風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位水位以及地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制成曲線,見(jiàn)圖10和圖11。

圖9 月亮島路站監(jiān)測(cè)點(diǎn)位局部布置

圖10 實(shí)測(cè)地下水位累計(jì)下降量變化曲線

圖11 實(shí)測(cè)地表累計(jì)沉降量變化曲線

從圖10可以得出,月亮島西站的地下水位下降值超過(guò)了預(yù)警值,但始終沒(méi)有達(dá)到控制值,模擬結(jié)果一致。從圖11可以看出,月亮島西站地表沉降最大值小于20 mm,最大沉降量均沒(méi)有達(dá)到預(yù)警值。綜合兩個(gè)曲線可以得出,在實(shí)際施工過(guò)程中,由于采取了針對(duì)性的保護(hù)措施,車(chē)站有效地控制了地下水過(guò)高導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn),也說(shuō)明模擬結(jié)果將風(fēng)險(xiǎn)從高度降至低度的預(yù)測(cè)符合施工實(shí)際,在施工過(guò)程中起到很好的指導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

(1)基底加固能明顯減小坑底隆起,抑制效果隨加固體剛度和加固體厚度的增加而增加,而在實(shí)際地鐵深基坑中選擇彈性模量為E＝150 MPa,加固厚度為7 m的加固體為最合理方案。

(2)采取基底加固后,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)向位移、周邊地表沉降以及坑外地下水位降深都得到有效控制,低于施工預(yù)警值,符合施工預(yù)期。

(3)通過(guò)對(duì)月亮島路站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,采取了基底加固后的基坑坑外水位降深和周邊地表沉降量均控制在預(yù)警值以內(nèi),沒(méi)有安全風(fēng)險(xiǎn),說(shuō)明了控制效果的合理性。