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        考慮施工荷載作用的軟弱地層深基坑穩(wěn)定性研究

        2022-04-20 10:42:02夏國(guó)松
        鐵道建筑技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:蓋板圍護(hù)結(jié)構(gòu)限值

        夏國(guó)松

        (中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

        1 引言

        隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平不斷提高,為滿足人民日趨增長(zhǎng)的出行需求,城市地鐵建設(shè)總量急增。然而,地鐵基坑施工極大限制了地面交通及施工作業(yè)[1]。在此背景下,半蓋挖法兼具明挖法與蓋挖法的優(yōu)點(diǎn)又克服了兩者缺點(diǎn),在工程中得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。

        基坑上臨時(shí)蓋板的敷設(shè)有效解決了明挖法不利于交通導(dǎo)流的缺點(diǎn),滿足了施工期的行車(chē)及機(jī)械運(yùn)輸要求。然而,無(wú)論是施工車(chē)輛通行或是大型施工機(jī)械的運(yùn)輸均會(huì)使得臨近基坑路面以及臨時(shí)蓋板承受一定的行車(chē)荷載,在這些施工荷載作用下,深基坑的穩(wěn)定性將面臨重大挑戰(zhàn)。尤其是對(duì)于淤泥地層中的深基坑工程,其所處地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜,坑底淤泥層深厚,地層自穩(wěn)能力差,強(qiáng)度低,極易受施工因素干擾而產(chǎn)生過(guò)量的擾動(dòng)引發(fā)嚴(yán)重的坍塌事故[5-7]。顯然,在此地層條件下,臨時(shí)蓋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)基坑的安全起著重要作用。

        針對(duì)臨時(shí)蓋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題,眾多學(xué)者做了許多研究工作。胡漢德[8]依托上海軌道交通真南路站基坑工程,對(duì)考慮臨時(shí)蓋板下端無(wú)支撐立柱樁工況進(jìn)行了細(xì)致分析與驗(yàn)算。張茜珍等[9]詳細(xì)介紹了蓋板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算過(guò)程,并對(duì)工程施工效果進(jìn)行了系統(tǒng)分析。劉守花等[10]依托長(zhǎng)沙地鐵砂子塘站基坑工程,分析了蓋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的受力及變形情況。方燾等[11]綜合考慮蓋板剛度、地連墻變形、支撐軸力及立柱承載力等多種因素,系統(tǒng)研究了臨時(shí)蓋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在限值荷載作用下的變形及受力特征。現(xiàn)有研究多集中于施工過(guò)程中臨時(shí)蓋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性,而較少涉及臨時(shí)蓋板承受行車(chē)荷載這一行為對(duì)基坑穩(wěn)定性影響的探究。

        鑒于此,依托福州長(zhǎng)樂(lè)機(jī)場(chǎng)城際鐵路祥謙站-首占站明挖區(qū)間深基坑工程,分別考慮限值施工荷載作用于兩種厚度臨時(shí)蓋板,利用數(shù)值分析方法,模擬施工期間基坑臨時(shí)混凝土蓋板承受施工行車(chē)荷載的工況,系統(tǒng)分析了限值施工荷載作用下臨時(shí)混凝土蓋板、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及坑周地層變形規(guī)律。研究成果可為工程實(shí)踐中相應(yīng)的措施設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        2 工程概況

        祥謙站-首占站為福州至長(zhǎng)樂(lè)機(jī)場(chǎng)城際鐵路工程重要區(qū)間段,沿線范圍內(nèi)地層屬第四系全新統(tǒng)長(zhǎng)樂(lè)組(Q4)、上更新統(tǒng)龍海組(Q3)及晚侏羅系南園組(J3n)?;舆x用SMW工法樁(蓋板段為鉆孔灌注樁)+內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式,見(jiàn)圖1)。以工程明挖區(qū)間深基坑工程左線臨時(shí)蓋板段(ZDK26+855.200~ZDK26+893.200)為研究對(duì)象,對(duì)限值施工荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)基坑穩(wěn)定性展開(kāi)系統(tǒng)研究。

        圖1 祥謙站-首占站明挖區(qū)間深基坑(單位:mm)

        3 數(shù)值模型及參數(shù)選取

        利用數(shù)值分析方法建立目標(biāo)段深基坑等比例三維數(shù)值模型,基坑截面尺寸按照?qǐng)D1所示尺寸建立(寬度為6.95 m,開(kāi)挖深度為3.90 m)。為避免尺寸效應(yīng)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果造成影響,參考文獻(xiàn)[12-13]的建議,基坑長(zhǎng)度設(shè)置為40 m,即5倍于蓋板長(zhǎng)度;模型側(cè)向邊界設(shè)置于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外4倍以上開(kāi)挖深度外,考慮建模的簡(jiǎn)易性但又不失模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性,參考文獻(xiàn)[14-15]的簡(jiǎn)化思路,對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化:所有材料均考慮為均質(zhì)材料;不考慮地下水的影響;數(shù)值模型中將實(shí)際的鉆孔灌注樁及雙軸攪拌樁等效為地連墻。具體處理方法如下[16]:

        式中:E1、E2、E3分別為鉆孔灌注樁、雙軸旋噴樁以及地連墻的彈性模量;I1、I2為相應(yīng)結(jié)構(gòu)慣性矩;d為樁基直徑;a為咬合寬度;b為地連墻寬度。

        結(jié)構(gòu)單元物性參數(shù)及土層參數(shù)依據(jù)設(shè)計(jì)總說(shuō)明中的地層信息及區(qū)間結(jié)構(gòu)材料信息設(shè)置,具體如表1、表2所示。

        表1 結(jié)構(gòu)單元物性參數(shù)

        表2 各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)

        分別考慮兩種臨時(shí)混凝土蓋板受荷工況進(jìn)行數(shù)值模擬,具體如下:

        (1)工況一:G3臨時(shí)蓋板(500 mm厚混凝土蓋板,作為普通車(chē)輛與渣土車(chē)輛通道),施加30 kPa板面荷載。

        (2)工況二:G4臨時(shí)蓋板(800 mm厚混凝土蓋板,作為吊車(chē)及TBM運(yùn)輸通道),施加50 kPa板面荷載。

        4 模擬結(jié)果分析

        4.1 臨時(shí)蓋板變形分析

        圖2為施工荷載作用下臨時(shí)蓋板豎向位移曲線。由圖2可知,在板面均布限值荷載作用下,臨時(shí)蓋板的豎向變形從地連墻邊緣向中軸線方向逐漸遞增。結(jié)合變形曲線可知,在30 kPa工況下,G3臨時(shí)蓋板最大豎向變形為15.81 mm;在50 kPa工況下,G4臨時(shí)蓋板的最大豎向變形為11.32 mm。由此可見(jiàn),具有更大厚度的G4臨時(shí)蓋板在限值施工荷載作用下具有更強(qiáng)的抗變形能力。

        圖2 施工荷載作用下臨時(shí)蓋板豎向變形曲線

        4.2 坑周土體變形分析

        當(dāng)限值荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí),基坑坑底均會(huì)出現(xiàn)一定的隆起,由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土體變形存在一定約束作用,坑底隆起量呈現(xiàn)出由基坑長(zhǎng)邊中心線向兩側(cè)逐漸減小的趨勢(shì)。30 kPa工況下坑底最大隆起值約為2.90 mm,50 kPa工況下坑底最大隆起值約為2.32 mm。在30 kPa工況下,坑周土體位移及地連墻(鉆孔灌注樁及雙軸攪拌樁)沉降均處于較小水平;在50 kPa工況下,坑周地表土體沉降以臨時(shí)蓋板為中心呈橢球狀向四周逐漸遞減。圖3為施工荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)坑周地表沉降曲線。由圖3可知,當(dāng)限值荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí),基坑側(cè)邊地表沉降隨著垂直于基坑距離的增大,在10 m范圍內(nèi)以較大的衰減速率逐漸減小,而后逐漸趨于平緩。最大值出現(xiàn)在基坑邊緣,在30 kPa工況下基坑側(cè)邊地表沉降總體較小,基坑側(cè)邊地表沉降最大值僅約為0.14 mm,在50 kPa工況下,基坑側(cè)邊地表沉降最大值約為1.70 mm。

        圖3 限值施工荷載作用于臨時(shí)蓋板坑周地表沉降曲線

        4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

        圖4為施工荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線。由圖4可知,當(dāng)限值荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)出現(xiàn)位移,50 kPa工況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移略大于30 kPa工況,分別為0.24 mm與0.17 mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移沿深度方向呈現(xiàn)出“C”型分布,加固土層以上圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移明顯小于加固土層以下。由此可見(jiàn),臨時(shí)蓋板受荷會(huì)增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移,但支撐、冠梁及加固土層對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向變形具有較好的限制作用。

        圖4 限值施工荷載作用于臨時(shí)蓋板圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線

        4.4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

        現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,在G3臨時(shí)蓋板使用期間,其附近圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部累計(jì)最大沉降量約為1.6 mm,圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部累計(jì)最大水平位移約為0.4 mm,坑側(cè)土體累計(jì)最大沉降量約為0.12 mm。上述結(jié)果表明,數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近,證明了數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的合理性與可靠性。

        綜上可見(jiàn),G3、G4臨時(shí)蓋板可安全地作為普通車(chē)輛與渣土車(chē)輛通道或是作為吊車(chē)及TBM運(yùn)輸通道。當(dāng)限值施工荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)坑周土體位移保持在較小水平,支護(hù)系統(tǒng)整體處于穩(wěn)定狀態(tài),基坑較為安全。但考慮到數(shù)值模擬做了一定的簡(jiǎn)化處理,實(shí)際工程情況往往更加復(fù)雜,影響因素較多。因此,仍建議在實(shí)際工程中實(shí)施以下兩項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施:

        (1)在使用臨時(shí)蓋板時(shí)對(duì)整個(gè)運(yùn)輸通道,尤其是臨近基坑路段進(jìn)行路面硬化處理,必要情況下在基坑內(nèi)增設(shè)有效的豎向支撐。

        (2)施工期間,對(duì)基坑及周邊地層變形作定期監(jiān)控。

        5 結(jié)論

        本研究依托福州長(zhǎng)樂(lè)機(jī)場(chǎng)城際鐵路祥謙站-首占站明挖區(qū)間深基坑工程,利用數(shù)值分析方法,系統(tǒng)分析了限值施工荷載作用下臨時(shí)混凝土蓋板、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及坑周地層變形規(guī)律。主要取得如下結(jié)論:

        (1)在板面均布限值荷載作用下,臨時(shí)蓋板的豎向變形從地連墻邊緣向中軸線方向逐漸遞增。具有更大厚度的臨時(shí)蓋板在限值施工荷載作用下具有更強(qiáng)的抗變形能力,500 mm與800 mm厚臨時(shí)蓋板在限值施工荷載作用下最大豎向變形分別為15.81 mm與11.32 mm。

        (2)當(dāng)限值荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí),基坑坑底均會(huì)出現(xiàn)一定程度的隆起,亦會(huì)引起坑周土體的沉降。

        (3)臨時(shí)蓋板受荷會(huì)增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移,但支撐、冠梁及加固土層對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向變形具有較好的限制作用。

        (4)在限值荷載作用下臨時(shí)蓋板對(duì)基坑結(jié)構(gòu)造成的變形均小于3 mm,臨時(shí)蓋板可安全地作為普通車(chē)輛與渣土車(chē)輛通道或是作為吊車(chē)及TBM運(yùn)輸通道。

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