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        軟土地鐵基坑安全監(jiān)控指標(biāo)體系研究

        2021-11-09 14:09:50上海三維工程建設(shè)咨詢有限公司上海200060
        建設(shè)監(jiān)理 2021年7期
        關(guān)鍵詞:工程分析施工

        張 君(上海三維工程建設(shè)咨詢有限公司, 上海 200060)

        1 概 述

        1.1 工程指標(biāo)體系的重要性

        地鐵施工處于城市環(huán)境中,其地質(zhì)條件和周邊環(huán)境復(fù)雜,施工方法較難模擬,因而人們對(duì)地鐵施工的工況研究及理論分析結(jié)果很難與實(shí)際情況完全相吻合。為了確保基坑工程施工進(jìn)展平順,有效實(shí)施安全監(jiān)控,避免發(fā)生安全事故,建立一個(gè)定量化的預(yù)報(bào)警指標(biāo)體系尤為重要。

        基坑工程指標(biāo)體系的建立,是指在基坑施工動(dòng)態(tài)下,通過監(jiān)測(cè)一些項(xiàng)目,采集不同階段的數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)的變化情況,并設(shè)定相應(yīng)的定量化警示值。若量測(cè)值在其規(guī)定范圍,則表示基坑狀態(tài)是正常的、安全的,周圍環(huán)境也處于正常狀態(tài);反之,若超出警戒值,則表示有可能會(huì)發(fā)生安全事故。

        工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),既能反映施工方法對(duì)工程的適用性,也能用來判斷工程風(fēng)險(xiǎn)狀況。在監(jiān)測(cè)中,一般將設(shè)計(jì)給定值設(shè)定為監(jiān)測(cè)指標(biāo)警戒值,以此作為安全警戒值的理論依據(jù)。這種定值方法雖然明確、簡(jiǎn)單,但多個(gè)工程實(shí)例表明,規(guī)范和規(guī)程所規(guī)定的指標(biāo)控制值較小、標(biāo)準(zhǔn)值偏高,在實(shí)際監(jiān)控量測(cè)過程中可執(zhí)行性差,量測(cè)結(jié)果超過警戒值的情況非常普遍,也就不能有效地對(duì)基坑施工進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管理。為了解決這一矛盾,有必要引入咨詢指標(biāo)值作為參照。咨詢指標(biāo)值源自對(duì)規(guī)范施工和安全性評(píng)判的綜合考慮和對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的深度挖掘,其數(shù)值在總體上要比設(shè)計(jì)給定的指標(biāo)值略大。

        1.2 研究現(xiàn)狀

        許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究人員運(yùn)用理論和實(shí)測(cè)等多種方法與手段,在地鐵隧道和基坑的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估方面做出了一定的貢獻(xiàn),取得了許多成果。例如:制定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證,提出安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)管控體系及采取相應(yīng)的措施;運(yùn)用理論和數(shù)值等方法與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn),給出在風(fēng)險(xiǎn)的定量分析上以及控制方面的一些建議;等等。

        1.3 制定原則

        (1)根據(jù)基坑跨度、設(shè)計(jì)深度及地質(zhì)與環(huán)境條件等諸多因素進(jìn)行綜合考慮。

        (2)基于規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

        (3)考慮施工水平的影響,借鑒已完成的同類工程經(jīng)驗(yàn)。

        1.4 研究?jī)?nèi)容

        (1)基坑本體支護(hù)結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)。圍護(hù)墻:墻頂?shù)呢Q向位移和水平位移。支撐:軸力日變化量和變化速率。

        (2)周邊環(huán)境控制指標(biāo)。地表沉降:沉降量和沉降速率。建(構(gòu))筑物沉降:沉降量、沉降速率和傾斜度。地下管線:位移和沉降。地下水位:變化量和變化速率。

        2 指標(biāo)值的制定

        2.1 具體步驟

        (1)收集和比較相關(guān)規(guī)范和規(guī)程。以國(guó)家及地區(qū)的規(guī)范和規(guī)程作為研究的理論基礎(chǔ),對(duì)基坑、周邊建筑物及周邊管線的安全控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的監(jiān)測(cè)指標(biāo)警戒值進(jìn)行比較和歸納。

        (2)調(diào)研和總結(jié)類似工程經(jīng)驗(yàn)。調(diào)研類似基坑工程的相關(guān)案例,總結(jié)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的影響因素,分析監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化與安全風(fēng)險(xiǎn)狀況的關(guān)系。

        (3)咨詢值的形成。運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法,對(duì)基坑施工過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類;結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算,分析數(shù)值變化特征,研究基坑變形將到達(dá)的安全邊界,并設(shè)定此時(shí)該變形指標(biāo)的警戒值,形成安全監(jiān)控指標(biāo)體系咨詢值方案。

        2.2 安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值的形成

        經(jīng)過以上步驟,建立本套基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值。具體如表 1~表 3 所示。

        表1 基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)體系的監(jiān)測(cè)結(jié)果

        表2 基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)體系的評(píng)定指標(biāo)

        表3 基坑工程安全監(jiān)控指標(biāo)體系的咨詢值

        3 指標(biāo)體系咨詢值的驗(yàn)證

        指標(biāo)體系咨詢值的驗(yàn)證步驟:制定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表格,收集施工過程中不同時(shí)期內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)歸類、分析,研究墻體測(cè)斜、地表沉降、管線、支撐軸力等數(shù)據(jù)的變化,繪制變化曲線,分析不同指標(biāo)之間的關(guān)系;通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析,選用模擬軟件,建立基坑的受力模型,分析基坑位移及墻體內(nèi)力等變形情況,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì),驗(yàn)證前文建立的指標(biāo)值。

        3.1 工程案例分析

        3.1.1 工程概況

        江蘇無錫軌道交通1號(hào)線新光路站車站主體長(zhǎng) 200.1 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬 19.20 m。頂板覆土 3 m,底板厚度 1 m,埋深15.91 m~17.61 m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑埋深16.7 m,采用明挖法施工工藝。圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式為地下連續(xù)墻,墻厚 800 mm。標(biāo)準(zhǔn)段共設(shè)置4道支撐并加設(shè) 1 道換撐,第一道采用 800 mm×800 mm 混凝土撐,其余 3 道加 1 道換撐,使用 Φ609 鋼管支撐,壁厚 t=16 mm?;幼冃慰刂票Wo(hù)等級(jí)為一級(jí)。

        (1)地形地貌。地貌單元屬太湖流域沖湖積平原。區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度大。范圍內(nèi)地層分布較穩(wěn)定,為中軟土。在勘察深度范圍內(nèi)可劃分成 8 個(gè)工程地質(zhì)層和 17 個(gè)工程地質(zhì)亞層。

        (2)地基水文情況。地表水:無錫地表水系發(fā)育旺盛,屬太湖水系,常年水位(黃海標(biāo)高)為 1.40 m~1.70 m,年變幅約 1.0 m,并受人控制,百年一遇洪水位達(dá)3.82 m。地下水:在場(chǎng)地深度范圍內(nèi)分淺層含水層、淺層承壓水層和深層承壓水層。

        3.1.2 墻體水平位移

        基坑開挖過程中墻體的最大水平位移,如圖 1 所示。累計(jì)位移值均未超過警戒值,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后可知測(cè)點(diǎn)最大水平位移值約是 1.87‰ 倍的基坑開挖深度,發(fā)生墻體最大水平位移的位置約在 0.85 H 處。

        圖1 墻體最大水平位移統(tǒng)計(jì)圖

        3.1.3 地表沉降

        基坑開挖過程中各監(jiān)測(cè)斷面最大地表沉降,如圖 2 所示。共有 5 個(gè)測(cè)點(diǎn)累計(jì)最大位移大于警戒值,最大沉降(D03-3)達(dá)到 -67.23 mm,各監(jiān)測(cè)斷面最大沉降量約為開挖深度的 0.5‰~4‰。

        圖2 各監(jiān)測(cè)斷面最大地表沉降統(tǒng)計(jì)圖

        由圖 3 可知,距基坑水平距離約 17 m 處,地表易出現(xiàn)最大沉降,此距離與基坑開挖深度大致相等。

        圖3 最大地表沉降與基坑相對(duì)位置關(guān)系圖

        圖4 揭示了基坑墻體最大水平位移與最大地表沉降的相對(duì)關(guān)系,除了 CXD09 斷面墻體最大水平位移遠(yuǎn)超地表沉降量以外,其余各監(jiān)測(cè)斷面墻體水平位移 與墻后地表沉降大致相等,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后可得出 。

        圖4 最大水平位移與最大地表沉降關(guān)系圖

        為了研究工程影響區(qū)表面基坑施工對(duì)周邊巖土體及環(huán)境的影響程度及影響范圍,可以對(duì)受施工影響的區(qū)域?qū)嵤┯行ПO(jiān)測(cè),在把控施工風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)做到經(jīng)濟(jì)合理。選取實(shí)測(cè)地表沉降點(diǎn) D11、D12 和 D17,對(duì)監(jiān)測(cè)斷面上各沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出此基坑的影響區(qū)范圍為 38 m,約為基坑開挖深度的 2.4 倍。

        3.1.4 支撐軸力分析

        警戒值為設(shè)計(jì)軸力值的 80%,由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),大約有 21% 的軸力實(shí)測(cè)值超過警戒值,平均支撐軸力值為警戒值的 70.1%。

        3.1.5 地下管線分析

        運(yùn)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)在工程施工階段沉降累計(jì)值最大及超過允許曲率半徑的管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析,結(jié)果表明:管子變形曲率半徑超過允許曲率半徑,其累計(jì)沉降值小,未超過指標(biāo)值;管子沉降累計(jì)值最大,超過指標(biāo)值,但其變形曲率半徑未超過允許曲率半徑,沉降均勻。

        3.2 基坑模擬計(jì)算分析

        3.2.1 基坑工程數(shù)值分析中的常用土體本構(gòu)模型

        通過數(shù)值分析法分析基坑工程的受力情況,是基坑工程研究的重要方法之一,常用的基坑開挖計(jì)算分析方法有規(guī)范公式計(jì)算取值、彈性抗力法和有限元法。在基坑工程數(shù)值分析中,土體本構(gòu)模型的選取及其參數(shù)的確定會(huì)對(duì)基坑工程數(shù)值分析的結(jié)果產(chǎn)生重要影響,目前雖然本構(gòu)模型的數(shù)量較多,但還沒有出現(xiàn)能夠模擬土體一切特性的萬能本構(gòu)模型,因而在基坑工程的計(jì)算分析中還需要根據(jù)土體的特性及實(shí)際的應(yīng)力路徑來確定。對(duì)于參數(shù)的確定,如果采用復(fù)雜的本構(gòu)模型,會(huì)增加參數(shù)確定的難度,因而需要進(jìn)行高精度的室內(nèi)試驗(yàn)和原位測(cè)試。

        3.2.2 土體本構(gòu)模型及其參數(shù)確定

        目前大多數(shù)的本構(gòu)模型以數(shù)學(xué)表達(dá)式方式體現(xiàn)。在巖土工程有限元的分析中,基于應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型及其參數(shù)多建立在三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,參數(shù)的選取對(duì)數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果非常重要。因此,有必要選用合理的本構(gòu)模型,將合理的參數(shù)應(yīng)用于本地鐵車站的基坑工程數(shù)值模擬中,以獲得正確的結(jié)論,指導(dǎo)施工單位合理施工。

        考慮到基坑土體的收縮回彈特性,采取土體的硬化模型進(jìn)行建模分析,各參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙取得。

        3.2.3 模擬計(jì)算

        運(yùn)用 Plaxis 軟件,建立平面受力模型,將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬分析結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)地堪資料取得本基坑土體參數(shù),由軟件計(jì)算出基坑開挖后的地下連續(xù)墻橫向位移、樁頂沉降和墻體軸力等。通過建模分析,證實(shí)本基坑開挖后的變形滿足安全控制要求。

        3.3 模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比

        3.3.1 深層水平位移

        圖5 為基坑開挖底板時(shí)墻體深層水平位移變化實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值的比較結(jié)果,圖線的變化趨勢(shì)基本吻合,實(shí)測(cè)水平位移最大值為 44 mm,模擬計(jì)算墻體最大水平位移為 38.21 mm。

        圖5 深層水平位移模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

        3.3.2 軸力值

        實(shí)測(cè)支撐最大軸力為 1 677.29 kN。按目前較為普遍的測(cè)試結(jié)果,圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐軸力的實(shí)測(cè)值往往超過設(shè)計(jì)預(yù)警值,甚至達(dá)到設(shè)計(jì)值的數(shù)倍之多,使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失去了指導(dǎo)工程施工及驗(yàn)證設(shè)計(jì)的作用。究其原因主要有以下 3個(gè)方面。

        (1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及支撐自重產(chǎn)生彎矩。支撐存在彎矩,導(dǎo)致同一截面鋼筋受力不均,實(shí)測(cè)值結(jié)果偏大。

        (2)混凝土的漸變。在長(zhǎng)時(shí)間的外力作用下,混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)漸變過程,而鋼筋不會(huì)。因此,混凝土的漸變會(huì)使鋼筋產(chǎn)生附加應(yīng)力,使實(shí)測(cè)值偏大。

        (3)溫度的附加應(yīng)力。溫度的改變直接對(duì)支撐產(chǎn)生影響,即金屬的熱脹冷縮。當(dāng)溫度上升時(shí),鋼管受熱膨脹,而地下連續(xù)墻會(huì)約束其變形,導(dǎo)致支撐受力增加。同時(shí)鋼筋的熱膨脹系數(shù)大于混凝土,更進(jìn)一步加劇了測(cè)試結(jié)果的偏高。

        在實(shí)際施工過程中,支撐軸力受諸多非荷載因素的影響,導(dǎo)致實(shí)測(cè)值大幅度超過設(shè)計(jì)值。而數(shù)值模擬往往是在未考慮上述非荷載因素的理想狀態(tài)下進(jìn)行的,因而模擬結(jié)果通常會(huì)比實(shí)測(cè)結(jié)果小得多??梢哉J(rèn)為,模擬結(jié)果準(zhǔn)確客觀地反映了支護(hù)體系的安全狀況,未出現(xiàn)因軸力測(cè)試結(jié)果偏大而出現(xiàn)不可控風(fēng)險(xiǎn),基坑整體仍處于安全狀態(tài)。

        4 結(jié)論與展望

        (1)由基坑施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示基坑位移基本在警戒值內(nèi),地表沉降最大的位置大致在與基坑開挖深度相等的地方,各指標(biāo)實(shí)測(cè)值與咨詢值方案預(yù)設(shè)基本吻合。通過計(jì)算機(jī)軟件輔助模擬基坑受力分析,基坑實(shí)測(cè)變形值與模擬情況基本一致。

        (2)從內(nèi)力和形態(tài)上看,基坑的變形過程是一個(gè)比較復(fù)雜的變化過程,變形程度受到許多因素的影響。本文引入基坑施工安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值,主要是以無錫地鐵1號(hào)線新光路站基坑工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析,所用的歸納方法及其研究成果雖經(jīng)該地區(qū)實(shí)踐檢驗(yàn)有效,但其局限性和適用性仍有待在其他地區(qū)同類工程施工實(shí)踐中做進(jìn)一步驗(yàn)證。

        (3)用 Plaxis 軟件模擬,只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的建模受力分析,對(duì)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和軟件模擬分析值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系未作進(jìn)一步探討,有待今后通過數(shù)值分析進(jìn)行深入研究。

        (4)設(shè)立基坑安全監(jiān)控指標(biāo)咨詢值,既可為工程施工過程中安全監(jiān)控提供依據(jù),又可對(duì)類似的基坑工程進(jìn)行指標(biāo)修正,對(duì)指導(dǎo)實(shí)際基坑工程施工具有積極意義。通過深入研究,實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)的形式定量化基坑工程的安全狀態(tài),從而為設(shè)計(jì)人員提供信息反饋,修正后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式,從節(jié)能降耗上達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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