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        異形深基坑施工過程支護結構和地表沉降研究

        2022-12-02 04:40:36虞雙林
        工程建設與設計 2022年20期
        關鍵詞:墻頂異形立柱

        虞雙林

        (中國交通建設股份有限公司軌道交通分公司,北京 100088)

        1 引言

        隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展,城市化進程的加快,城市基礎設施不斷完善,大量的深基坑不斷出現(xiàn),深基坑工程事故也有所增加。因此,必須在基坑施工中做好現(xiàn)場監(jiān)測工作,這是基坑工程中非常重要的環(huán)節(jié)。施工人員可通過基坑監(jiān)測手段預測基坑變形的趨勢,并對基坑的安全狀態(tài)進行評估[1-2]。

        本文以南通地鐵1號線能達商務區(qū)站異形深基坑工程為依托,對地表沉降、墻頂沉降和立柱沉降的監(jiān)控量測進行分析,探討了異形深基坑施工過程中所引起的不同位置處的沉降規(guī)律和影響因素。利用Flac3D6.0對異形深基坑的施工過程進行了三維數(shù)值分析,并用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算結果進行了對比分析,得出了異形深基坑不同開挖深度時地表沉降、墻頂沉降和立柱沉降的規(guī)律。

        2 工程和地質概況

        2.1 工程概況

        能達商務區(qū)站位于南通市崇川區(qū),通盛大道和星湖大道交口處,沿南北向布置,是南通地鐵1號線和3號線的換乘站。能達商務區(qū)站基坑形狀較為特殊,屬于典型的異形深基坑,基坑沿長度方向分為喇叭口段、異形段、標準段、換乘段?;娱L度約288 m,寬度7~39.34 m(標準段寬21.29 m);基坑深度約為16.59~25.29 m。基坑采用明挖法施工,支護結構采用“800 mm厚地下連續(xù)墻+支撐”的組合形式?;釉趯挾确较蛏喜贾?道支撐,第一道為鋼筋混凝土支撐,間距約為5.2~8.5 m;第二道~第四道為鋼筋混凝土支撐和鋼支撐,分別布置在埋深7.5 m、10.5 m、13.5 m處,間距約為2.4~3.0 m。

        2.2 地質概況

        擬建工程場區(qū)主要以軟土層為主,地質勘探資料顯示,基坑影響范圍內依次為填土、黏質粉土夾粉質黏土、粉細砂、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉砂。

        本場地地下水位較高,約1.5~3.0 m,以潛水和承壓水為主。潛水一般貯存在淺部粉土、粉砂、粉質黏土中,第I承壓水一般貯存在粉砂、細砂中。為了減少土方開挖時地下水的干擾,確保施工安全,在基坑開挖前采用井點降水法進行降水。

        3 試驗方案與測點布置

        根據(jù)本工程施工特點和一級基坑變形控制要求,需進行沉降監(jiān)測的內容為:地表沉降、墻頂沉降、立柱沉降。其中,地表沉降和墻頂沉降沿圍護結構共布置34組監(jiān)測點,立柱沉降共布置9組測點。

        由于篇幅有限及考慮到基坑形狀的特殊性,分別在喇叭口段、異形段、標準段各選取一組地表監(jiān)測點和墻頂沉降監(jiān)測點對地表沉降和墻頂沉降進行分析,選取3組立柱進行沉降分析,監(jiān)測點布置如圖1所示。每組地表監(jiān)測點由6個監(jiān)測點組成,構成一條沉降線,與地下連續(xù)墻的距離分別為2 m、5 m、10 m、16 m、32 m、48 m。

        結合基坑監(jiān)測相關規(guī)范,并參考該地區(qū)土層特點和現(xiàn)有監(jiān)測成果,地表沉降、墻頂沉降、立柱沉降的累計警戒值分別為30 mm、30 mm、15 mm。

        4 數(shù)值模擬

        4.1 數(shù)值計算模型

        本文采用Flac3D6.0動態(tài)模擬土方開挖過程,分析支護結構的變形和地表沉降特征。所建模型在X、Y、Z三個方向的尺寸分別為450 m、240 m、80 m,重力方向與Z軸負方向一致,地表為自由邊界,無約束作用,模型其他界面均施加法向約束。模型共劃分378 189個節(jié)點和364 400個單元。三維計算模型如圖2所示。

        4.2 計算參數(shù)選取

        計算模型采用HSS本構模型,地層和地下連續(xù)墻采用實體單元,鋼筋混凝土支撐、鋼支撐采用梁單元模擬。由于在土方開挖前已經(jīng)通過降水井進行了人工降水,計算時不考慮地下水的影響。

        4.3 計算結果

        4.3.1 地下連續(xù)墻水平位移

        基坑開挖后,就平面位置而言,東側地下連續(xù)墻的最大位移發(fā)生在異形段中部附近,方向朝向基坑,最大值為18.77 mm;西側地下連續(xù)墻的位移最大值為18.77 mm,方向同樣朝向基坑,發(fā)生在異形段處。由于異形段附近基坑寬度不斷變化,受到空間效應的影響,該處地下連續(xù)墻水平位移較大。就深度而言,基底以上部分水平位移較大,基底以下部分水平位移較小,這主要是由于土體開挖導致支護結構水平土壓力卸載,導致地下連續(xù)墻向基坑方向發(fā)生變形。

        4.3.2 基坑周邊地表沉降

        基坑開挖完成后,異形段的地表沉降比其他區(qū)段大,異形段距離地下連續(xù)墻10 m附近,地表沉降最大,約為-23.5 mm。地表沉降隨著與基坑距離的增大而逐漸減小,在距離基坑2倍開挖深度以內的區(qū)域地表沉降較大,距離基坑2倍開挖深度以外的區(qū)域地表沉降較小。

        4.3.3 基坑周邊地表水平變形

        基坑開挖完成后,基坑東側地表水平位移為負,最大值發(fā)生在異形段附近,最大值為17.95 mm;基坑西側地表水平位移為正,最大值發(fā)生在異形段和第一標準段交界處,約為17.12 mm。隨著與地下連續(xù)墻距離的增大,地表水平位移逐漸減小。

        5 監(jiān)測與數(shù)值模擬結果分析

        5.1 地表沉降分析

        通過對現(xiàn)場地表沉降實測可知,1號沉降線隨著基坑挖土的進行,地表沉降有所增大。當對11 m以上的土方開挖時,地表沉降速率較均勻;當對11 m以下的土方開挖時,DB1-1~DB1-4處地表沉降較快;當開挖至基底時,地表沉降達到最大,最大值為-6.68 mm,遠小于預警值,這主要是由于該位于喇叭口處,基坑寬度較小且鋼支撐布置較密,土方開挖連續(xù)完成,耗時較短,地表沉降受時空效應影響不大。通過數(shù)值模擬結果可知,1號沉降線各個監(jiān)測點沉降值隨著施工的進行而逐漸增大,沉降規(guī)律與現(xiàn)場監(jiān)測規(guī)律基本一致;施工完成時,各監(jiān)測點的沉降量均達到最大,為7.51 mm。

        通過對現(xiàn)場地表沉降實測可知,當開挖至5 m時,2號沉降線各監(jiān)測點沉降量差異不大;當開挖至5 m以下時,隨著挖土深度的增加,沉降線逐漸呈勺形分布,DB2-1~DB2-4的沉降量增長較大,形成勺斗;DB2-5和DB2-6的沉降量增長不大,形成勺柄;開挖結束時各監(jiān)測點達到最大,為-18.19 mm。同1號沉降線相比,2號線最大沉降量較大,這是由于2號沉降線位于異形段處,該段基坑寬度較大,施工時橫向分為左右兩塊分別開挖,施工耗時較長,受時空效應的影響比較顯著,地下連續(xù)墻水平位移和基底隆起相對較大,導致該段地表沉降量增大,所以,沉降線的勺斗也較深。通過數(shù)值模擬結果可知,隨著開挖深度的增加,2號沉降線沉降逐漸增大,DB2-1~DB2-4隨挖深增長較為迅速,DB2-5和DB2-6增長不大,當開挖至基底時,各監(jiān)測點沉降達到最大,沉降線形狀和監(jiān)測結果比較接近,呈勺形分布。

        通過對現(xiàn)場地表沉降實測可知,隨著施工的進行,3號沉降線沉降量逐漸增大。當開挖至5 m時,沉降線基本上呈直線分布;隨著開挖的增加,DB3-1~DB3-4沉降量增長較為明顯,DB3-5和DB3-6變化不大,3號沉降線逐漸呈勺形分布,且勺斗逐漸變深;當開挖至14 m時,DB3-1~DB3-4沉降量增幅較大,這是由于在開挖該處土體時由于受到春節(jié)假期的影響,施工曾一度中斷,開挖面長時間暴露,土體的蠕變較大,導致地表沉降增長較大。當基坑開挖完成后,DB3-3的沉降量達到最大,為10.80 mm。通過數(shù)值模擬結果可知,隨著挖深的增加,3號沉降線逐步由直線分布轉變?yōu)樯仔畏植?,當開挖到基底時,各監(jiān)測點沉降量達到最大,DB3-4的沉降量最大,最大值為11.78 mm,計算值與實測值基本一致。

        5.2 墻頂沉降分析

        通過對現(xiàn)場墻頂沉降實測可知,各段墻頂監(jiān)測點均發(fā)生豎直向上的隆起,隨著開挖的進行,墻頂隆起逐漸增大。開挖11 m以上的土體時墻頂隆起較??;開挖11 m以下的土體時,由于開挖卸載基底隆起較大,導致地下連續(xù)墻向上隆起較大,墻頂隆起也比較明顯。開挖完成后,墻頂隆起達到最大,根據(jù)隆起值由大到小各監(jiān)測點編號依次為QD2>QD3>QD1,QD2處的墻頂沉降最大,最大值為5.83 mm。

        通過數(shù)值模擬結果可知,各段墻頂監(jiān)測點位移均逐漸增大,方向為豎直向上,當開挖至14 m以上的土體時增長速率基本相等,當開挖至基底時增長速率有所增大,當開挖完成后各監(jiān)測點按沉降值排序依次為QD2>QD3>QD1,QD2處的墻頂沉降最大,為7.89 mm。根據(jù)現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬結果可知,由于QD2位于異形段處,開挖尺寸較大,基底隆起也較大,所以,該處的墻頂隆起也比較明顯。

        5.3 立柱沉降分析

        通過對現(xiàn)場立柱(L1~L3)的沉降實測可知,隨著挖土深度的增加,立柱逐漸向上隆起,且隆起速率略有增大,當施工完成時,立柱隆起達到最大,依次為L1>L2>L3,L1的隆起值為7.84 mm。通過數(shù)值模擬結果可知,隨著基坑的開挖,立柱的隆起與開挖深度近似成正比,當開挖至基底時,立柱隆起達到最大,由大到小為L1>L2>L3。由于異形段處基坑寬度較大,基底隆起也較大,所以該處的立柱隆起較大。

        6 結語

        為了保證深基坑工程的安全性,對其進行監(jiān)測至關重要。本文結合能達商務區(qū)站異形深基坑工程,對地表沉降、墻頂沉降和立柱沉降的情況進行監(jiān)控量測,并對結果進行分析,得出以下幾點結論:(1)地表沉降隨著與基坑距離的增大呈勺形分布,距離基坑1倍挖深范圍內的監(jiān)測點沉降較大形成勺斗,其余監(jiān)測點沉降較小形成勺柄。施工時應當加強1倍挖深范圍內的監(jiān)控量測,如沉降量過大,及時采取加密鋼支撐等工程措施。(2)地表沉降、墻頂沉降、立柱沉降都隨著開挖的進行而增大。當開挖較淺時,沉降增長較慢;當開挖較深時,沉降增長較快。(3)監(jiān)測點所處位置對沉降有一定影響。喇叭口處沉降值比其他監(jiān)測點小,這主要是因為喇叭口段的基坑寬度較小,施工耗時較少,所以,地表沉降和墻頂隆起小。施工中斷會造成沉降增大,施工時應盡量縮短施工時間,連續(xù)作業(yè),避免沉降過大。(4)“地下連續(xù)墻+支撐”可作為異形深基坑的支護形式,能夠滿足對變形控制的要求。

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