趙志孟,鄭偉鋒,劉慧芬
(1、廣州創(chuàng)易巖土工程有限公司 廣州510663;2、佛山科學技術學院交通與土木建筑學院 廣東佛山528225)
關鍵字:基坑支護;數值模擬分析;修正摩爾庫侖;隧道變形;近接隧道;
近幾年大中小城市地下空間資源的大力發(fā)掘,基坑設計由簡單的控制自身變形到不影響周圍建筑的使用。由于地下建筑錯綜復雜,一個深基坑的開挖必然會對周圍的其他建筑產生不可忽略的影響,尤其是地鐵隧道,對變形要求極為嚴格,需要控制在十幾毫米甚至幾毫米以內?;又ёo設計不僅要保證基坑的穩(wěn)定性與變形要求,對周圍建筑的影響也極為重要,要保證不影響周圍建筑的正常使用。左殿軍[1]針對招商銀行深圳分行大廈深基坑開挖工程進行數值模擬,認為基坑開挖會對隧道襯砌位移產生影響,內支撐間距過大會使得位移增加速率較快;楊貴生[2]以土與支護結構相互作用穩(wěn)定性為對象進行理論分析和數值模擬,基坑開挖會引起土體位移增加,支護結構產生變形;孟祥箏[3]運用PLAXIS 軟件分析了某基坑在開挖過程中,鄰近地鐵區(qū)間的土體位移和管片變形的發(fā)展規(guī)律,得出在開挖過程中,基坑底部產生底層最大豎向位移,基坑頂部產生最大水平位移,地鐵隧道處的低層位移變化較小;張保存等人[4-6]以基坑開挖對近接既有地鐵線進行模擬分析,基坑開挖對既有線的影響主要表現在水平位移,豎直位移很小,可忽略不計;于升才[7]運用PLAXIS 3D 有限元軟件對基坑開挖對鄰近地鐵結構進行模擬,得出長大基坑分成多個小基坑開挖時,鄰近地鐵結構基坑的開挖對以有地鐵產生較大的位移;曹順等人[8-10]認為基坑開挖越深對臨近地鐵隧道的變形影響越明顯,變形主要以豎向隆起為主,采取合理的施工措施可以有效的控制隧道變形,本文對深基坑支護與開挖進行模擬,分析該種支護方式用在近臨地鐵隧道的基坑開挖中對隧道的影響程度。
某工程位于深圳市福田區(qū),本工程設置5 層地下室,項目用地面積約6 262 m2,場地北側為一已施工封頂完成的塔樓,有5層地下室,本工程北側設置有9.2 m寬通道聯通南塔地下室;場地西、南側為一條道路,路下有燃氣、雨水、污水、給水、電力、通訊等管線,東側基坑邊24 m外有一條客運線盾構隧道,場地周圍環(huán)境布置如圖1所示。
圖1 基坑及地鐵位置關系Fig.1 The Relationship between the Foundation Pit and the Subway (m)
基坑周邊現狀地面標高約6.0~6.8 m,基坑底標高分-15.65 m 和-16.65 m 兩個區(qū)域,故基坑開挖深度為22.25~25.25 m,基坑周長約304.8 m,面積約6 262.1 m2?;娱_挖主要揭露土層為雜填土、粘性土、中粗砂、礫質粘性土、全風化花崗巖等。場地無地表水,地下分為孔隙水和基巖裂隙水2 類,孔隙水主要賦存在粗砂層中,其透水性較好,含水量較豐富,基巖裂隙水主要賦存在強、中風化帶的裂隙中,水量一般,呈弱~中等透水性。
基坑分3層開挖,地面清表后在標高6.6 m處施工第1 道支撐;第1 層開挖至標高-0.3 m 處,施工第2 道支撐;第2 層開挖至標高-7.8 m 處,施工第3 道支撐;第3 層直接開挖至坑底,如圖2 所示?;影踩燃壎ㄎ灰患?。為保證地鐵隧道的安全,設計采用地連墻加3 道內環(huán)撐的支護方式,并擬采取分層對稱開挖方法。本文運用MIDAS有限元軟件建立二維模型分析。
圖2 臨近隧道基坑剖面Fig.2 Section of the Adjacent Tunnel Foundation Pit (m)
基坑支護采用地下連續(xù)墻+內支撐支護,地下連續(xù)墻外側貼用地紅線,兼作地下室外墻;豎向布置3道內支撐。施工地下連續(xù)墻之前先施工導槽,地下連續(xù)墻在地面施工,現狀地面至地下連續(xù)墻頂部分以導槽支護。通道采用咬合樁+內支撐支護,如圖3所示。
圖3 支護結構平面Fig.3 Supporting Structure Plan
采用地下連續(xù)墻作為擋土止水結構,墻入坑底12 m,采用C40 等級混凝土澆筑,抗?jié)B等級P12,預埋在地下連續(xù)墻的鋼筋和直螺紋接頭在地下連續(xù)墻中部往上彎折,以防止預埋件在墻體厚度方向貫通形成滲水路徑。地下連續(xù)墻接頭采用工字鋼接頭,增加水的滲透路徑;澆筑基礎底板時,在地下連續(xù)墻與底板接觸面位置設置遇水膨脹橡膠止水帶和止水鋼板。
本次建模采用MIDAS軟件里的修正摩爾-庫倫硬化土本構模型,作為以經典塑性理論為基礎的屈服面模型,其彈性部分采用了合理的雙剛度,加卸載模量分別定義,考慮了土體壓硬性。塑性部分采用非相關聯流動法則和各向同性的硬化準則。修正摩爾庫倫模型能模擬土體發(fā)生塑性剪切應變和塑性體積應變,該模型的剪切屈服面與摩爾-庫倫模型相同,是1 個六面錐形,壓縮屈服面是帽子形狀的屈服面,并且2個屈服面是相互獨立的,而應變硬化土模型的屈服面隨著產生的塑性變形不斷擴大,能反映出土體的應力路徑。其體積屈服面和剪切屈服面如圖4所示。
圖4 修正摩爾庫倫本構的體積屈服面和剪切屈服面Fig.4 Modified Volume Yield Surface and Shear Yield Surface of Moore Coulomb Constitutive
模擬所采用的土體參數由本工程場地勘察報告里面的數據所提供,具體計算參數如表1 所示。其他材料根據實際情況選取,如表2所示。
表1 主要巖土物理力學參數Tab.1 Main Geotechnical Physical and Mechanical Parameters
表2 結構材料計算參數Tab.2 Structural Material Calculation Parameters
對斷面4-4(見圖1)進行有限元分析,采用MI?DAS 土工有限元軟件,建立2D 有限元模型,計算模型長度取108 m,深度取80 m,網格采用四邊形和三角形混合網格劃分,共8 710 個單元?;觾戎尾捎?D線彈性梁單元,支撐立柱采用1D 植入式梁單元,基坑地下連續(xù)墻、高鐵隧道襯砌等假設二維彈性板單元,各土層則假設為彈塑性體,材料本構模型準則采用修正摩爾-庫倫硬化土本構模型,對模型左、右、下三邊界施加約束,其中下部邊界采取全自由度約束,側面兩邊界采取X,Z兩方向約束。建立模型如圖5所示。
圖5 計算模型Fig.5 Calculation Model
為驗證基坑支護的情況,查看基坑開挖對隧道的影響程度,進行了2 種情況下的基坑支護開挖全過程模擬分析,①基坑正常支護情況下隧道位移的模擬,共有8個工況:[工況1]地連墻+立柱施工,[工況2]開挖第1層土,[工況3]布置第1道支撐,[工況4]開挖第2 層土,[工況5]布置第2 道支撐,[工況6]開挖第3 層土,[工況7]布置第3 道支撐,[工況8]開挖至坑底。②最不利情況下即基坑坍塌時隧道發(fā)生的位移模擬。如此,可驗證本支護設計下隧道是否安全。
3.3.1 基坑正常支護的隧道位移
8個工況最大位移發(fā)生在第6工況,開挖第3層土時,X 方向最大位移為2.16 mm,Y 方向最大位移為0.98 mm,如圖6所示。
圖6 工況6位移Fig.6 Working Condition 6 Displacement
從位移量大小來說,其值遠小于深圳市地鐵有限公司發(fā)布的《城市軌道交通安全保護區(qū)施工管理辦法》對于地鐵隧道結構絕對沉降量與水平位移小于10 mm的規(guī)定,所以該支護方式安全可行。
在隧道所受應力方面,當基坑開挖至坑底時,土體卸載量達到最大,此時,彎曲應力計算結果如圖7所示,隧道的彎曲壓應力值為-18.76 MPa(-代表壓力),拉應力為7.74 MPa。
圖7 彎曲應力Fig.7 Bending Stress
3.3.2 基坑坍塌時的隧道位移
由于客運地鐵安全事故的重大性,若因基坑的坍塌而導致地鐵變形過大,其后果無法設想,因此,本文從基坑坍塌這一最不利工況下分析隧道的位移,來確定本設計的最終可行性。
基坑支護失效,即為基坑周邊土體滑坡,按照基坑周邊土體主要是礫質黏土,礫質黏土穩(wěn)定坡率為1∶1,建立基坑滑坡后的土體模型?;釉赬方向最大位移11.8 mm,在Y方向的最大位移為21.4 mm,如圖8所示。
圖8 基坑坍塌時位移Fig.8 Displacement when Foundation Pit Collapses
根據計算模擬結果如圖9 可知,盾構隧道在X 方向的最大位移7.21 mm,在Y方向的最大位移為4.6 mm。地鐵隧道位移值遠小于深圳市對于地鐵隧道結構絕對沉降量與水平位移小于20 mm 的規(guī)定,所以即使該支護方式失效,也不會引起地鐵隧道發(fā)生安全事故。
圖9 基坑坍塌時隧道位移結果Fig.9 Results of Tunnel Displacement when the Foundation Pit Collapses
隧道應力模擬計算結果如圖10 所示,隧道的彎曲壓應力為-18.90 MPa(-代表壓力),拉應力為10.57 MPa。
圖10 基坑坍塌時隧道的彎曲應力Fig.10 Tunnel Bending Stress when Foundation Pit Collapses
⑴對于該地區(qū)的類似土層可以采用“地連墻+3道內環(huán)撐”作為深基坑的支護方式,能夠有效控制變形,滿足設計規(guī)范要求。
⑵近鄰隧道的變形除了與基坑土層的開挖有關之外,還與基坑的支護強度有關,需要加強支護結構的施工監(jiān)測,防止坍塌。
⑶利用數值模擬分析軟件,可模擬出整個施工過程中的危險工況下的應力、位移,用數據來形象地顯示出對基坑周圍建筑的影響大小,為基坑設計的可行性提供參考,對于周圍建筑的安全性評判也可以起到一定的作用。