楊義皊
(上海鐵大建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司,上海 200333)
深基坑開挖過程中必須保證基坑自身變形和控制鄰近建(構(gòu))筑物變形范圍符合標(biāo)準(zhǔn)?;娱_挖后坑內(nèi)土體卸除改變了坑外土體應(yīng)力狀態(tài),導(dǎo)致坑外土體產(chǎn)生變形,變形超過鄰近建(構(gòu))筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)必影響建(構(gòu))筑物安全,因此,控制基坑本體變形是減小鄰近建(構(gòu))筑物變形的關(guān)鍵。當(dāng)深基坑鄰近運(yùn)營(yíng)高鐵時(shí),由于高鐵變形控制標(biāo)準(zhǔn)極其嚴(yán)格,一旦變形超過鄰近高鐵變形控制標(biāo)準(zhǔn),勢(shì)必影響高鐵運(yùn)營(yíng)安全,因此對(duì)深基坑開挖控制變形提出了更為嚴(yán)格的要求。關(guān)于基坑開挖引起周邊環(huán)境變形,國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了研究,但運(yùn)營(yíng)高鐵旁近距離深基坑開挖方面的研究甚少,尤其在坑外不同位置土體位移變化規(guī)律方面更少。文章依托具體工程實(shí)例,采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段,對(duì)深基坑開挖過程中基坑本體和坑外土體及鄰近高鐵位移進(jìn)行分析研究,以便得出基坑開挖引起的坑外土體位移變化及傳遞規(guī)律,供以后類似工程參考和借鑒。
上海市軌道交通機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線1號(hào)風(fēng)井基坑工程位于七寶站與華涇站區(qū)間,小里程接明挖入地段,大里程接盾構(gòu)段,基坑為盾構(gòu)始發(fā)井兼中間風(fēng)井,起訖里程為DK6 + 490.1~DK6 + 646.2,總長(zhǎng)為156.1 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻+內(nèi)支撐支護(hù)型式,除2號(hào)~5號(hào)基坑靠近西邊滬杭鐵路側(cè)采用1.5 m厚地連墻外,其余地連墻均厚1.2 m、圍護(hù)深度40~56 m、開挖深度16.657~25.533 m,支撐方式為鋼筋混凝土支撐+鋼支撐,并采取5段分坑措施。1號(hào)風(fēng)井基坑工程四周環(huán)境復(fù)雜,基坑西側(cè)為滬昆高鐵,距滬杭高鐵下行線路基坡腳最近距離約為10.6 m,為確保高鐵行車安全,減少基坑開挖對(duì)滬杭高鐵影響,鄰近滬杭高鐵側(cè)距圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)3 m位置打設(shè)1排φ1 m、間距1.2 m的鉆孔樁做隔離,樁長(zhǎng)與地連墻同長(zhǎng)。鉆孔樁頂部采用系梁與地連墻的頂冠梁連接,系梁水平間距為6 m。1號(hào)風(fēng)井5 個(gè)基坑與滬杭高鐵關(guān)系示意圖如圖1所示。
采用有限元計(jì)算軟件Plaxis 3D對(duì)明挖段和 1 號(hào)風(fēng)井基坑開挖及回筑施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬,模型中土體采用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型。既有滬杭高鐵路基下樁基采用Embedded樁單元模擬,樁板結(jié)構(gòu)板采用線彈性實(shí)體單元進(jìn)行模擬?;訃o(hù)結(jié)構(gòu)、隔離樁、工程樁等新建樁基采用線彈性實(shí)體單元模擬,內(nèi)支撐、立柱及系梁采用線彈性梁?jiǎn)卧M。圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元厚度按抗彎剛度等效原則確定,并采用等效面荷載的形式模擬泥漿護(hù)壁。沿x、y、z3個(gè)方向的尺寸分別為 250 m、120 m、80 m,模型如圖2所示。
根據(jù)工程具體情況,有限元模擬計(jì)算共劃分 22個(gè)計(jì)算工況,如表1、圖3所示。
表1 計(jì)算工況
根據(jù)上述施工過程模擬計(jì)算,選取滬杭高鐵距離機(jī)場(chǎng)線路基最近的鐵路股道作為分析對(duì)象,其股道中心距圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊緣最近為 13.04 m。將不同工況下滬杭高鐵股道累計(jì)水平位移計(jì)算曲線繪制如圖4所示,最終,最大水平位移為1.94 mm。其中工況1、工況2分別為整個(gè)區(qū)域隔離樁和地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工況,該階段引起的高鐵最大水平位移為0.44 mm,占比22.68%,即基坑開挖前期影響高鐵位移量約占整體位移量的1/5,最大位移位于5號(hào)基坑中部位置;工況 3 ~工況9分別為1號(hào)風(fēng)井5號(hào)基坑分層開挖及回填階段,隨著基坑開挖深度的增加,高鐵位移不斷增大,工況9基坑底板、中板、側(cè)墻及頂板并拆除支撐完成后高鐵最大水平位移為1.26 mm,位移量占總位移量64.95%,階段位移量為0.82 mm,占總位移量42.27%,最大位移仍位于5號(hào)基坑中部位置;工況10~工況16為一期明挖基坑開挖階段,工況16一期明挖基坑依次澆筑底板、中板、側(cè)墻及頂板,支撐拆除后,高鐵最大水平位移為1.64 mm,位移量占總位移量84.54%,階段位移量為0.38 mm,占總位移量19.59%,最大位移位置呈現(xiàn)逐漸向明挖段移動(dòng)趨勢(shì);工況17~工況22為二期明挖基坑開挖階段,工況22二期明挖基坑依次澆筑底板、中板、側(cè)墻及頂板,支撐拆除后,高鐵最大水平位移為1.94 mm,位于4號(hào)基坑位置,其中5號(hào)基坑位置高鐵最大位移為1.88 mm。
為保證基坑自身變形及鄰近滬杭高鐵變形在安全控制范圍內(nèi),對(duì)基坑本體和坑外滬杭高鐵布置了一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn),以研究基坑及坑外環(huán)境變形。為此,布置了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隔離樁、滬杭高鐵路基、滬杭高鐵支承層的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜和土體測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖5所示。
4.2.1 測(cè)斜監(jiān)測(cè)分析
5號(hào)基坑開挖深度最深,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣距離滬杭高鐵距離最近,選取5號(hào)基坑施工過程中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體測(cè)斜以及隔離樁外土體測(cè)斜繪制曲線如圖6所示,以下結(jié)合施工工況對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
(1)結(jié)合施工工況,基坑第1層土方開挖,圍護(hù)體變形穩(wěn)定,未出現(xiàn)較大變形,2021年3月10日之后,由于基坑暴露時(shí)間較長(zhǎng),圍護(hù)體變形速率明顯加快,至3月15日第2道混凝土支撐澆筑完成,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移接近7 mm,變形速率達(dá)到1 mm/天,在此期間坑外土體側(cè)向位移也表現(xiàn)為迅速增大;3月15日—3月25日,基坑第2層土方施工期間,由于開挖深度較淺,第2道混凝土支撐逐漸產(chǎn)生強(qiáng)度,對(duì)基坑變形控制作用較明顯,因此,本層土方施工期間圍護(hù)體變形基本穩(wěn)定,僅有輕微變形趨勢(shì)。
(2)3月25日— 3月31日,基坑第3層土方施工期間,隨著開挖深度增加,暴露時(shí)間增加,基坑再次出現(xiàn)加速變形狀態(tài),至3月31日第4道混凝土支撐施工完成,鐵路側(cè)圍護(hù)體測(cè)斜位移累計(jì)最大值13.87 mm; 3月31日— 4月11日,基坑第4層土方施工期間,受第4層混凝土支撐的控制作用,本層圍護(hù)體變形速率再次減緩,但由于本層施工時(shí)間較長(zhǎng),基坑暴露時(shí)間較久,至第5道鋼支撐施工完成時(shí),鐵路側(cè)圍護(hù)體測(cè)斜位移累計(jì)最大值16.61 mm,坑外土體深層位移達(dá)到17.16 mm,隔離樁外土體深層位移達(dá)到12.34 mm。
(3)4月11日— 4月17日,基坑第5層土方施工期間,因開挖深度較深,圍護(hù)體變形速率始終較快,至第6道混凝土支撐施工完成,鐵路側(cè)圍護(hù)體測(cè)斜位移累計(jì)最大值18.03 mm, 4月17日至結(jié)構(gòu)施工完成,第6層土方開挖及第7道鋼支撐施工,圍護(hù)體變形速率基本一致,累計(jì)變形繼續(xù)增加,至鐵路側(cè)圍護(hù)體測(cè)斜位移累計(jì)最大值21.93 mm,圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體測(cè)斜位移最大20.65 mm,隔離樁外土體測(cè)斜孔CX5-3位移最大值14.44 mm。
(4)整體分析,隨著基坑開挖深度不斷增加,圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體測(cè)斜位移以及隔離樁外土體測(cè)斜位移均不斷迅速增大。各位移最終變化值為:圍護(hù)結(jié)構(gòu)CX112測(cè)斜孔最大位移20.99 mm,位于深度19 m處;圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體測(cè)斜孔TX43最大位移20.65 mm,位于土體深度19 m處;CX5-2測(cè)斜孔最大位移21.93 mm,位于土體深度22 m處;隔離樁外土體測(cè)斜孔CX5-3最大位移14.44 mm,位于土體深度22.5 m處。從各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化值分析,圍護(hù)結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體測(cè)斜位移累計(jì)值較接近,且產(chǎn)生最大位移的深度基本處于同一位置,說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)外一定范圍內(nèi)的土體基本呈整體朝向基坑側(cè)變形,但隔離樁外側(cè)土體測(cè)斜位移明顯減小,說明隔離樁對(duì)于隔斷坑外土體位移起到顯著控制作用,從而對(duì)減小隔離樁外滬杭高鐵變形起到重要作用。
(5)基坑開挖期間,各圍護(hù)體測(cè)斜變形趨勢(shì)一致,變形曲線及變形速率基本一致,符合變形規(guī)律。5號(hào)基坑開挖期間,隨著開挖深度加深,圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜累計(jì)最大位移逐漸增大,最大位移位置逐漸下移,符合變形規(guī)律;5號(hào)坑基坑開挖期間,基坑前期變形速率較小,隨基坑暴露時(shí)間增加,變形速率逐漸增大,符合變形規(guī)律;5號(hào)坑基坑開挖期間,隨著開挖進(jìn)度的加快,時(shí)空效應(yīng)的變形響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短,后續(xù)逐漸出現(xiàn)開挖后,立刻出現(xiàn)變形增大現(xiàn)象,符合變形規(guī)律。
4.2.2 位移監(jiān)測(cè)分析
整個(gè)基坑開挖及結(jié)構(gòu)澆筑施工期間,圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部、隔離樁頂部、高鐵路基、高鐵支承層水平位移曲線圖如圖7所示,下面將結(jié)合施工工況對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移相對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層位移變化量較小,頂部位移最大值為-7.3 mm,且呈現(xiàn)朝向基坑外位移,圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部位移之所以呈現(xiàn)朝向基坑外位移與圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層位移呈現(xiàn)較大的基坑內(nèi)變形而導(dǎo)致頂部為反彎點(diǎn)有關(guān)。
(2)隔離樁頂部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)在前期基坑期間相對(duì)變化較小,在3月31日基坑第3層土體開挖完成后,雖然圍護(hù)結(jié)構(gòu)和坑外土體位移較大,但隔離樁頂部水平位移僅為2 mm左右,說明基坑開挖較淺時(shí),隔離樁抵抗變形的能力非常顯著,后續(xù)隨著基坑開挖深度加大,坑外深層土體位移加劇,在坑外土體整體發(fā)生較大位移后,隔離樁頂部位移增速明顯,最終水平位移為11.8 mm。
(3)滬杭高鐵路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)和支承層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)在4月22日之前變化較穩(wěn)定,累計(jì)變化值均較小,在4月22日路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移達(dá)到2.7 mm,支承層監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移達(dá)到1.9 mm,達(dá)到了預(yù)警值控制標(biāo)準(zhǔn);前期鐵路變形值之所以較小,與土體變形增加較緩,變形時(shí)間延遲有關(guān);后續(xù)底板澆筑之前,高鐵監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形繼續(xù)增大,底板澆筑完成,基坑自身變形較穩(wěn)定后,鐵路路基及支承層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移也逐漸趨于穩(wěn)定。
前文分別對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際值結(jié)合施工工況進(jìn)行了分析,數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明基坑開挖引起的5號(hào)基坑對(duì)應(yīng)滬杭高鐵水平位移變化量為1.88 mm,滬杭高鐵監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值為2.7 mm,從變化絕對(duì)值上看,實(shí)測(cè)結(jié)果相較數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果偏大,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況分析,實(shí)測(cè)值偏大的原因與基坑開挖期間基坑暴露時(shí)間較長(zhǎng),且與坑外受施工機(jī)械等重型荷載和動(dòng)荷載影響有關(guān)。
文章采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),對(duì)上海市軌道交通機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線1號(hào)風(fēng)井施工期基坑本體和鄰近滬杭高鐵變形趨勢(shì)進(jìn)行了研究分析,結(jié)論如下。
(1)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜變形趨勢(shì)一致,變形曲線及變形速率基本一致,隨著開挖深度的加深,圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜累計(jì)最大位移逐漸增大,最大變形位置逐漸下移,符合變形規(guī)律。
(2)整個(gè)施工過程中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體深層位移累計(jì)值較接近,且產(chǎn)生最大位移的深度基本處于同一位置,說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)外一定范圍內(nèi)的土體基本呈整體朝向基坑側(cè)變形,但隔離樁外側(cè)土體深層位移明顯減小,說明隔離樁對(duì)于隔斷坑外土體位移起到了顯著控制作用,從而對(duì)減小隔離樁外滬杭高鐵變形起到重要作用。
(3)基坑開挖前期高鐵路基變形之所以較小,與土體變形增加較緩,變形時(shí)間延遲有關(guān)。臨近底板澆筑之前,高鐵監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形繼續(xù)增大,底板澆筑完成、基坑自身變形較穩(wěn)定后,高鐵路基及支承層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移也逐漸趨于穩(wěn)定。