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        沿江地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)測研究

        2021-08-05 02:01:36寧茂權(quán)肖明清賀湘靈呂春波關(guān)振長
        關(guān)鍵詞:施作偏壓軸力

        寧茂權(quán),肖明清,賀湘靈,呂春波,關(guān)振長

        (1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430064; 2.海峽(福建)交通工程設(shè)計(jì)有限公司,福州 350004; 3.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福州 350116)

        引言

        在城市環(huán)境中開挖地鐵車站基坑,通常緊鄰建筑物及地下管線,周邊環(huán)境極其復(fù)雜,未知因素較多,由此引發(fā)工程事故的案例已屢見不鮮[1-3]。尤其是受地形或地層不對稱的影響,基坑兩側(cè)容易形成偏壓,對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性狀與變形模式產(chǎn)生更加不利的影響[4]。許多學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測等手段,對偏壓條件下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)特性展開系列研究。

        理論研究方面,史吏等[5]采用多種理論方法計(jì)算偏壓工況下軟土地區(qū)基坑抗隆起安全系數(shù),發(fā)現(xiàn)Terzaghi法高估了偏壓基坑的抗隆起穩(wěn)定性,而Bjerrum法和規(guī)范法則偏保守。袁宗浩等[6]提出了一種考慮偏壓作用的基坑抗隆起穩(wěn)定性極限上限分析方法,在公式推導(dǎo)中考慮了土體各向異性、偏壓荷載范圍和坑邊距等因素的影響。龐小朝等[7]針對偏壓基坑,結(jié)合工程實(shí)例,提出一種偏壓基坑多點(diǎn)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

        數(shù)值模擬研究方面,林剛等[8]和XU[9]基于PLAXIS數(shù)值平臺和土體HS本構(gòu)模型,在基坑兩側(cè)施加不同超載,得到圍護(hù)墻彎矩隨基坑兩側(cè)偏壓狀況的變化規(guī)律。張杰等[10]利用MIDAS有限元軟件,對臨河基坑分步開挖進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)基坑兩側(cè)水平位移差值隨基坑臨河距離呈指數(shù)變化關(guān)系。劉繼強(qiáng)等[11]在FLAC平臺上建立了二維數(shù)值模型,研究偏壓荷載作用位置與圍護(hù)樁變形量之間的關(guān)系,并提出兩者之間的近似關(guān)系式。孫武斌[12]在FLAC3D平臺上建立三維數(shù)值模型,探討了基坑與建筑物距離、建筑物荷載及基坑開挖深度對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)最大側(cè)移之比的影響。雷崇[13]運(yùn)用PLAXIS有限元軟件模擬臨河大偏壓深基坑開挖全過程,發(fā)現(xiàn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力與普通基坑存在較大差異,并提出加固措施。方浩[14]利用MIDAS有限元軟件對某臨近鐵路路基偏壓基坑進(jìn)行開挖模擬擬合,推導(dǎo)出路基最大水平位移和最大沉降的簡化計(jì)算公式。劉守花等[15]采用數(shù)值軟件分析了半蓋挖法偏壓基坑中立柱受力與變形特征,其向地形較低側(cè)發(fā)生水平變形,且沿豎向呈鼓肚形變形模式,承受彎矩和壓力的共同作用。GUO[16]使用有限差分方法分析了非對稱堆載基坑圍護(hù)墻受力特性,發(fā)現(xiàn)超載效應(yīng)引起主應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn),墻體位移在最終開挖底部稍高的位置達(dá)到最大值。

        現(xiàn)場實(shí)測研究方面,姚愛軍等[17]通過對某車站基坑實(shí)測數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)偏壓基坑兩側(cè)出現(xiàn)不對稱沉降,支撐受力由軸心受壓變?yōu)槠氖軌?,其預(yù)緊力損失嚴(yán)重。劉波等[18]通過現(xiàn)場監(jiān)測資料分析,發(fā)現(xiàn)基坑偏壓側(cè)的各項(xiàng)變形值均大于另一側(cè),基坑長邊中部是其最薄弱區(qū)域。石鈺鋒等[19]通過對緊鄰鐵路基坑的實(shí)測分析,探討了偏壓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力特征,對圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作出評價。汪東林[20]對鄰近高速公路偏壓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,路基偏壓對圍護(hù)樁頂?shù)呢Q向位移影響不大,偏壓側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移約為非偏壓側(cè)的3倍。

        在FLAC3D數(shù)值平臺上,對福州市地鐵5號線農(nóng)林大學(xué)站基坑開挖全過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析,對依山沿江不對稱地形條件下地鐵車站偏壓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性開展深入研究,以期為類似偏壓基坑的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒和參考。

        1 工程概況

        福州市地鐵5號線全長約27.3 km,共設(shè)20座車站,19個區(qū)間,全線采用地下線方式敷設(shè),是福州市軌道交通線網(wǎng)中心環(huán)的組成線路之一。農(nóng)林大學(xué)站位于倉山區(qū)上下店路道路下方,呈南北走向;車站基坑全長170 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬24.1 m,端頭井寬28 m,現(xiàn)狀場地高程11.5~12.50 m。車站周邊較復(fù)雜,建筑物密集分布;車站西北側(cè)為成片民房,車站西側(cè)、西南側(cè)為福建農(nóng)林大學(xué)及福建工業(yè)學(xué)校,車站東側(cè)緊鄰閩江,閩江河堤岸距基坑11~25 m。

        1.1 工程地質(zhì)條件

        車站場地屬剝蝕殘丘地貌單元與海陸交互相沖淤積平原地貌單元,上覆第四紀(jì)地層,從上到下分別為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、殘積砂質(zhì)黏性土及全風(fēng)化花崗巖。各類土層的主要物理及力學(xué)指標(biāo)詳見表1,其中,土層的黏聚力及內(nèi)摩擦角通過固結(jié)快剪獲得,全風(fēng)化花崗巖層則為經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值[21]。基坑底板位于殘積砂質(zhì)黏性土層中,連續(xù)墻端部位于全風(fēng)化花崗巖中。

        表1 各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)

        淺部孔隙性潛水主要賦存于上部填土層及粉質(zhì)黏土層中,補(bǔ)給來源為大氣降水及地表水,實(shí)測初見穩(wěn)定水位埋深1.90~3.10 m。深部承壓水含水層主要分布于深部花崗巖和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化帶中,承壓水對工程影響較小。

        1.2 支護(hù)與開挖方案

        車站采用半蓋挖法施工,基坑端頭井深25.2 m,標(biāo)準(zhǔn)段深23.4 m,最大寬度26.0 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻+5道內(nèi)支撐體系,其中,第1、第3道為截面800 m×1 000 mm混凝土支撐,其余均采用φ609 mm鋼管支撐。圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

        圖1 標(biāo)準(zhǔn)段基坑支護(hù)剖面(尺寸單位: mm;高程單位:m)

        基坑開挖與支護(hù)過程分11種工況:(1)施作地下連續(xù)墻;(2)施作第1道支撐;(3)基坑開挖至-7.9 m;(4)施作第2道支撐;(5)基坑開挖至-14 m;(6)施作第3道支撐;(7)基坑開挖至-17.4 m;(8)施作第4道支撐;(9)基坑開挖至-20.4 m;(10)施作第5道支撐;(11)基坑開挖至-23.4 m。

        2 數(shù)值模擬

        針對上述設(shè)計(jì)方案,運(yùn)用數(shù)值仿真手段,分析依山沿江不對稱地形條件下,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及其對周邊地層的變形影響。

        選取車站標(biāo)準(zhǔn)段中部里程DK15+912斷面為研究對象。利用FLAC3D軟件對該斷面附近里程DK15+906~DK15+918內(nèi)開挖與支護(hù)全過程進(jìn)行模擬。數(shù)值模型整體尺寸為222 m×12 m×123.4 m(長×寬×高),局部模型如圖2所示。模型頂面取自由邊界,在沿江一側(cè)模型上表面施加等效均布力以代替江水壓力。模型側(cè)面為法向約束邊界,底面為全約束邊界。模擬基坑開挖與支護(hù)全過程工況與前述設(shè)計(jì)方案保持一致。

        圖2 基坑數(shù)值模型局部示意

        巖土體采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元模擬,共計(jì)1 478 589個單元。土體(包括粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、殘積砂質(zhì)黏性土)采用修正劍橋彈塑性本構(gòu)模型;巖體(全風(fēng)化花崗巖)采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。根據(jù)地勘報(bào)告和巖土工程手冊,巖土體的主要物理性能參數(shù)如表2所示。

        表2 巖土體主要物理性能參數(shù)

        基坑圍護(hù)墻采用shell單元模擬,混凝土支撐與鋼支撐采用beam單元,冠梁與鋼圍檁則簡化為局部加厚的shell單元。上述3種結(jié)構(gòu)單元均采用線彈性本構(gòu),其主要物性參數(shù)如表3所示。

        表3 結(jié)構(gòu)單元物理性能參數(shù)

        3 施工力學(xué)特性分析

        3.1 圍護(hù)墻水平位移

        車站中部里程DK15+912斷面兩側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移的變形曲線如圖3所示,規(guī)定向閩江側(cè)發(fā)生水平位移為正向,以確?;觾蓚?cè)圍護(hù)墻變形曲線的坐標(biāo)方向一致。

        圖3 圍護(hù)墻水平位移分布曲線

        隨著基坑開挖,圍護(hù)墻水平位移逐漸增大,挖至坑底后,變形基本趨于穩(wěn)定。兩側(cè)圍護(hù)墻變形曲線沿深度均呈中間大、兩端小的弓形分布,最大水平位移(及發(fā)生位置)隨開挖步不斷增大(及加深)。靠山側(cè)圍護(hù)墻開挖至坑底時最大位移達(dá)到59 mm(發(fā)生在15 m深度處),而對應(yīng)沿江側(cè)最大水平位移值為34 mm(發(fā)生在16 m深度處)。

        基坑兩側(cè)水平位移出現(xiàn)明顯非對稱性,沿江側(cè)明顯小于靠山側(cè)(約為后者的57%)。尤其需要說明的是,受兩側(cè)不對稱地形的影響,沿江側(cè)圍護(hù)墻淺部變形模式與常規(guī)基坑不一致,其并未發(fā)生朝向坑內(nèi)部的水平位移,相反發(fā)生了朝向坑外(閩江側(cè))的輕微水平位移,隨開挖深度的增大而增大,這使得圍護(hù)墻整體變形趨于更加不利的狀態(tài),對地鐵車站基坑施工及后續(xù)車站運(yùn)營都構(gòu)成了潛在威脅。

        進(jìn)一步將兩側(cè)深層水平位移相加,得到基坑圍護(hù)墻的整體偏移曲線,如圖4所示。圍護(hù)墻整體向閩江側(cè)發(fā)生偏移,隨著開挖深度的增加,整體偏移量不斷增大,當(dāng)開挖至坑底時,其最大偏移量達(dá)到27 mm(發(fā)生在12 m深度處)。上述整體偏移變形結(jié)果表明,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在向閩江側(cè)發(fā)生傾覆的趨勢。

        圖4 圍護(hù)墻整體偏移分布曲線

        農(nóng)林大學(xué)站基坑于2018年3月初進(jìn)行圍護(hù)墻施工,至2019年5月下旬開挖至坑底并完成墊層澆筑,歷時14個月。配合現(xiàn)場施工進(jìn)度,對其圍護(hù)墻水平位移進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)測。開挖至坑底時,圍護(hù)墻水平位移及其整體偏移的實(shí)測值見圖3、圖4。

        現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的整體規(guī)律基本一致。單論圍護(hù)墻水平位移絕對值,實(shí)測值略小于10%~15%;若論圍護(hù)墻整體偏移,其淺部墻體實(shí)測值略大4~8 mm,其深部墻體實(shí)測值略小3~4 mm,即圍護(hù)墻整體傾覆的趨勢更加明顯。究其原因,可能是因?yàn)槭┕ぼ囕v及堆載等因素對基坑整體偏移及傾覆結(jié)果產(chǎn)生了更加不利影響。因此,在依山沿江不對稱地形中開挖基坑時,需充分考慮這些因素,保證基坑安全穩(wěn)定。

        3.2 支撐軸力

        由數(shù)值模擬所得5道支撐軸力隨開挖工況變化曲線如圖5(左側(cè))所示。施作第3道混凝土支撐后,在工況9時其軸力達(dá)到最大值7 453 kN,遠(yuǎn)大于其他4道支撐,在整個支撐體系中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。配合現(xiàn)場施工進(jìn)度,課題組也對5道支撐軸力進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)測,圖5(右側(cè))所示支撐軸力實(shí)測值也反映了類似的規(guī)律。

        圖5 支撐軸力隨開挖工況發(fā)展曲線

        相應(yīng)地,從圍護(hù)墻整體偏移(圖4)可以看出,施作第三道混凝土支撐后,該支撐以下圍護(hù)墻的整體偏移得到明顯抑制,說明混凝土支撐增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性,尤其在依山沿江不對稱地層條件下,是十分必要的。

        3.3 圍護(hù)墻背后土壓力

        圍護(hù)墻背土壓力(主動土壓力)隨開挖過程變化曲線如圖6所示。在深度0~8 m內(nèi),基坑兩側(cè)土壓力基本相等;但在基坑中下部(10~23 m內(nèi)),沿江側(cè)土壓力為70~100 kg,靠山側(cè)土壓力為80~160 kg,整體比沿江側(cè)偏大30%~50%,表現(xiàn)出明顯的偏壓效應(yīng)。另一方面,圍護(hù)墻背土壓力均隨土體開挖而略有減小,尤其在坑底以下部分,受到圍護(hù)墻整體向沿江側(cè)偏移的影響,靠山側(cè)圍護(hù)墻土壓力顯著減小。

        圖6 圍護(hù)墻背土壓力分布

        4 鋼支撐與混凝土支撐對比

        為進(jìn)一步探討第3道混凝土支撐在支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵作用,在原數(shù)值模型基礎(chǔ)上,將第3道混凝土支撐替換為鋼支撐(其他條件均不變);重點(diǎn)關(guān)注支撐軸力隨開挖工況的發(fā)展規(guī)律(圖7)和圍護(hù)墻整體偏移的分布規(guī)律(圖8)。

        圖7 支撐軸力發(fā)展曲線(混凝土支撐與鋼支撐對比)

        圖8 圍護(hù)墻整體偏移分布曲線(混凝土支撐與鋼支撐對比)

        第3道支撐采用鋼支撐時,其最大軸力僅為4 808 kN(與第2道鋼支撐相當(dāng)),遠(yuǎn)小于采用原方案的軸力7 453 kN。相應(yīng)地,坑底以上圍護(hù)墻的整體偏移量比原方案增大15%~20%,即圍護(hù)墻整體傾覆角度也隨之增大,對基坑的安全穩(wěn)定構(gòu)成了威脅。上述結(jié)果佐證了第3道支撐選用大剛度混凝土支撐的合理性,即混凝土支撐能有效增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性,尤其在依山沿江不對稱地層條件下是十分必要的。

        5 結(jié)論與建議

        以福州市地鐵5號線農(nóng)林大學(xué)站為工程背景,對依山沿江地鐵車站不對稱地形條件下的深基坑開挖及支護(hù)全過程開展了細(xì)致的數(shù)值模擬分析。并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)測數(shù)據(jù),探討了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體偏移規(guī)律及基坑兩側(cè)圍護(hù)墻背后土壓力分布規(guī)律,得到以下結(jié)論。

        (1)計(jì)算結(jié)果表明,不對稱地形條件使得基坑兩側(cè)圍護(hù)墻體產(chǎn)生了明顯的不對稱變形,圍護(hù)墻整體發(fā)生了向江一側(cè)偏移,其最大偏移量可達(dá)27 mm。相應(yīng)地,基坑中下部靠山側(cè)圍護(hù)墻背土壓力整體比沿江側(cè)偏大30%~50%。

        (2)實(shí)測結(jié)果表明,圍護(hù)墻整體變形趨勢與計(jì)算結(jié)果保持一致,均沿基坑深度方向呈兩端小、中部大的弓形分布,其圍護(hù)墻的整體偏移量也與計(jì)算結(jié)果大致吻合。

        (3)若將第3道支撐改為常規(guī)鋼支撐,圍護(hù)墻整體偏移量和傾覆角度明顯增大,可見混凝土支撐能有效增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性,尤其在依山沿江不對稱條件下是十分必要的。

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