張發(fā)財, 李 昶, 謝東昱, 王維俊, 盧 軍

(1.北京市政路橋股份有限公司, 北京 100068; 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083)

0 引 言

地鐵工程的建設(shè)中難免遇到較為復(fù)雜的地質(zhì)條件,如緊鄰建筑物、管線、其他地下空間工程等,這些情況都給地鐵工程的設(shè)計與施工帶來了很多難題[1-2]。一部分地鐵的基坑工程位于河道旁,基坑會受到偏壓的影響,偏壓必然會影響到基坑圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及周邊土體的變形[3],從而產(chǎn)生有別于常規(guī)對稱荷載下進行基坑開挖的一系列特點與規(guī)律。

近些年,已經(jīng)有一些學(xué)者針對偏壓基坑進行了一系列研究,姚愛軍等[4]通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)不對稱荷載將會使鋼支撐的受力變?yōu)槠氖軌?影響支護效果。朱懷龍等[5]通過數(shù)值模擬總結(jié)了坑邊荷載的大小、距離及分布寬度對圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。舒進等[6]基于有限元軟件發(fā)現(xiàn)基坑臨河距離較近時,臨河側(cè)地表會產(chǎn)生隆起現(xiàn)象。劉波等[7]總結(jié)了偏壓作用下開挖深度對基坑穩(wěn)定性的影響規(guī)律。寧茂權(quán)等[8]通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)當(dāng)基坑一側(cè)為山體另一側(cè)為河道時,會向河道一邊發(fā)生偏移。李浩等[9]對數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行擬合,得到了邊坡高度對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。杜志濤等[10]總結(jié)了偏壓作用下排距對雙排樁支護結(jié)構(gòu)基坑的影響規(guī)律。張杰等[11]發(fā)現(xiàn)臨河偏壓會引起基坑向河側(cè)整體傾覆。袁宗浩等[12]提出了一種考慮偏壓作用的抗隆起穩(wěn)定性計算方法,并結(jié)合案例驗證了偏壓的距離對抗隆起安全系數(shù)的影響規(guī)律。

筆者以北京地鐵3號線一臨河道區(qū)間明挖基坑工程為背景,通過RS3進行數(shù)值模擬并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合分析河道偏壓對基坑圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響及周圍地表土體變形規(guī)律,對今后相似工程的選址與圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的參考價值。

1 工程概況

該工程為北京地鐵3號線出入段區(qū)間,自東風(fēng)站出站后向北接入東壩車輛段,其間最多六線并行,區(qū)間采用明挖法施工,總長度約為811 m,項目東側(cè)緊鄰北小河,河堤距基坑距離最近處為8 m。文中以出入線段區(qū)間第二十三倉為研究對象,包含上層3號線出入線段及下層12號線預(yù)留盾構(gòu)井,上層出入線底板深度為12.5 m,下層盾構(gòu)井深度為23.5 m。

1.1 工程地質(zhì)條件

本期出入段線區(qū)間基坑范圍內(nèi)地層主要為人工堆積層及第四紀(jì)沉積層,結(jié)合工程前期勘測數(shù)據(jù)及設(shè)計動三軸實驗獲得各層土的物理力學(xué)參數(shù)見表1,實驗儀器采用GDS動三軸儀,破壞后的試樣如圖1所示。涉及地下水三層,均為層間水,三層水位標(biāo)高分別為17.45、9.25、0.25 m。北小河河水標(biāo)高常態(tài)約18 m,河水與第一層層間水存在一定水利聯(lián)系,均在隔水層以上,與二、三層無水利聯(lián)系。

圖1 破壞后的土樣Fig. 1 Soil sample after damage

表1 土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

1.2 開挖支護與監(jiān)測方案

該斷面基坑為深淺式基坑,基坑最大開挖深度為23.5 m,淺部開挖深度為13 m。采用800 mm地下連續(xù)墻加鋼支撐體系,豎向共設(shè)置5道支撐,均為φ800@20鋼支撐,鋼支撐間距為3 m,在淺部坑底采用混凝土支撐,設(shè)置臨時格構(gòu)柱和柱下樁基?，F(xiàn)場實測采用TRC-CX-01F測斜儀及DINI03電子水準(zhǔn)儀進行測量,每兩日更新一次,無異形轉(zhuǎn)角處的常規(guī)線段監(jiān)測密度為每20 m設(shè)置一測點。圍護結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 地鐵基坑典型剖面Fig. 2 Typical section of subway foundation pit

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立與參數(shù)確立

為探究河道偏壓對基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)的影響,本研究選用Rocscience公司研發(fā)的RS3三維有限元分析軟件,考慮邊界效應(yīng)問題,將邊界尺寸取基坑最大開挖深度的3～4倍,設(shè)定模型長180 m,高90 m。土體采用硬化土模型,經(jīng)過前人的驗證表明,該模型相比于傳統(tǒng)的摩爾庫倫本構(gòu)模型能夠更好的反映土體在到開挖擾動后的一系列力學(xué)行為,是更適合于基坑開挖模擬的一種本構(gòu)模型[13-14]?；拥膰o結(jié)構(gòu)采用RS3中的liner單元,主要的3種圍護結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表2。網(wǎng)格采用四節(jié)點四面體單元,共劃分837 138個單元,145 445個節(jié)點,側(cè)向為法向約束,底面施加固定約束。根據(jù)工程實際情況建立5種河道距坑邊距離的模型,分別為8、11.5、15、19、23 m,水位標(biāo)高為20 m,建立間距為15 m的模型,如圖3所示,另外4種模型除了河道與坑邊間距不同外其余保持一致。

圖3 基坑數(shù)值模型Fig. 3 Numerical model of foundation pit

表2 圍護結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù) Table 2 Physical and mechanical parameters of support structure

2.2 工況模擬

該線段基坑區(qū)間采取明挖法施工,首先施作地連墻、臨時格構(gòu)柱及柱下樁基,后續(xù)的開挖支護原則為開挖至支撐標(biāo)高下0.5 m時及時進行支護。具體工況安排見表3,其中,工況7為深淺部交界處,工況8時,在淺側(cè)底部施作混凝土撐,深側(cè)施作鋼支撐。

表3 開挖工況Table 3 Excavation conditions

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測對比

坑邊距河道15 m的地連墻水平位移云圖,如圖4所示。由于基坑形式為深淺式,下部基坑開挖寬度臨空面由35 m縮短至20 m且支護結(jié)構(gòu)變化,使得地連墻下半部分位移值產(chǎn)生一定的突變。繪制其水平位移值曲線,如圖5所示,設(shè)定正方向為朝向基坑臨空面方向。由圖5可見,隨著基坑向下開挖及逐道進行支撐,地連墻水平位移逐漸增大,由于臨河側(cè)土壓力減小,地連墻出現(xiàn)了一定程度的向河道方向傾覆的現(xiàn)象。開挖結(jié)束時的最大水平位移處落在深21 m處,約0.89h所在位置(h為開挖深度),最大值為13.95 mm。

圖4 墻體水平位移云圖Fig. 4 Horizontal displacement cloud of wall

圖5 墻體水平位移Fig. 5 Horizontal displacement of wall

選取工況11時坑邊距河道15 m的模擬斷面與現(xiàn)場實測相同斷面水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比,如圖6所示。由圖6可見,兩者趨勢基本相同,符合常見多道支撐下地連墻體的普遍變化規(guī)律。對比發(fā)現(xiàn)監(jiān)測位移整體稍大于模擬結(jié)果,二者差距最大處出現(xiàn)在深18 m處,最大差值為2.99 mm,實測中的地連墻頂部沒有出現(xiàn)模擬中傾向坑外的現(xiàn)象,主要考慮為實際工程中存在冠梁、導(dǎo)墻等加固措施的影響。

圖6 工況11水平位移對比Fig. 6 Horizontal displacement comparison of working condition 11

將兩者的差值繪制曲線,如圖7所示,兩者的差異呈現(xiàn)中間大兩邊小的規(guī)律,且坑底處地連墻水平位移差異最小接近于0,地連墻底部實測值位移略小于模擬值更趨于穩(wěn)定。差異最大位置在18 m左右,與整體位移最大值位置接近。實測值整體略大于模擬值的主要原因考慮為,實際工程中河道水位升降有變化,造成偏壓大小不同,現(xiàn)場施工時處于豐水期,期間內(nèi)實際河水標(biāo)高平均值高于模擬的水位標(biāo)高且存在動態(tài)變化,臨河側(cè)壓力較大,導(dǎo)致實際水平位移稍大于模擬值。

圖7 監(jiān)測與模擬差值Fig. 7 Difference between monitoring and simulation

為驗證這一推論,設(shè)計18、20、22 m三個不同河水水位標(biāo)高的模型進行計算,其余參數(shù)保持不變,計算結(jié)果如圖8所示。河道水位越高時地連墻水平位移越大,最大差值出現(xiàn)在深18～20 m處,在水位標(biāo)高20 m時的水平位移相比18 m時增大約0.84 mm,22 m時的水平位移相比20 m時增大了約1.03 mm。

圖8 不同水位下的水平位移Fig. 8 Horizontal displacement at different water levels

3.2 臨河側(cè)墻體水平位移

5種不同間距開挖至坑底時的水平位移值,見圖9 。河道的存在相當(dāng)于卸荷,河道距離基坑邊緣越近,臨河側(cè)圍護結(jié)構(gòu)受到的壓力越小,相應(yīng)的整體位移變形越小,且地連墻上部位移差異明顯大于下部。

圖9 水平位移對比Fig. 9 Horizontal displacement comparison

繪制地連墻頂端與底端位移,見圖 10,發(fā)現(xiàn)隨間距減小墻體以坑底標(biāo)高處為軸心向河道側(cè)傾覆的趨勢,且間距越近傾覆的趨勢逐漸增強,以距離減小前的傾覆值為標(biāo)準(zhǔn),其傾覆值增加量在23 m至8 m的5個間距下,分別為7.39%、8.86%、10.19%、11.68%。

圖10 兩端位移變化對比 Fig. 10 Comparison of displacement changes at both ends

繪制不同相鄰距離的水平位移差值曲線,見圖11,發(fā)現(xiàn)離基坑距離更近的相鄰距離水平位移差值越大,以距離減小前的最大水平位移值為標(biāo)準(zhǔn),23～8 m隨距離減小對應(yīng)的增加量分別為2.86%、3.87%、4.50%、6.37%,說明河道與基坑的間距越近,河道偏壓的影響效應(yīng)越明顯。對比4條曲線地連墻上位移差值發(fā)現(xiàn),離河道距離更近時地連墻對偏壓改變的反饋更明顯,且地連墻上部的位移差值明顯大于下部。

圖11 水平位移差值對比 Fig. 11 Comparison of difference of horizontal displacement

為了更清晰對比偏壓對地連墻水平位移的影響規(guī)律,將不同臨河距離的地連墻最大位移值進行擬合得到曲線,如圖12所示。由曲線趨勢可見,隨間距增大,河道偏壓對地連墻的影響程度逐漸減弱,曲線斜率由8 m處的0.222降低至為23 m處的0.008。得到該曲線的其擬合方程為y=0.000 47x2+0.029 69x+13.604 23,R2=0.999。

圖12 最大水平位移擬合曲線 Fig. 12 Fitting curve of maximum horizontal displacement

3.3 臨河側(cè)地表變形

以15 m間距為例,不同工況下臨河側(cè)地表的豎向位移值,見圖13,規(guī)定正值為隆起,負(fù)值代表沉降,橫向坐標(biāo)軸為監(jiān)測點距坑邊距離。在河道偏壓情況下,地表先是發(fā)生比較明顯沉降,基坑邊緣沉降值最大達(dá)到4.2 mm,隨工況推進開挖,坑周地表開始呈現(xiàn)非常規(guī)的隆起形態(tài),至工況11開挖至坑底時達(dá)到最大值9.1 mm。離基坑邊緣越近變化幅度越大,基坑邊緣在開挖過程中變化幅度為河道邊緣處的4倍。

圖13 地表豎向位移變化Fig. 13 Variation of vertical displacement of ground surface

5組間距下開挖至工況11時的模擬值與3組現(xiàn)場實測值的臨河側(cè)地表豎向變形數(shù)據(jù),如圖14所示。

圖14 地表變形對比Fig. 14 Comparison of surface deformation

由圖14可以發(fā)現(xiàn),基坑與河道的間距越近地表的隆起現(xiàn)象越明顯,在間距為8 m時隆起值最大,模擬值為10.4 mm,監(jiān)測值達(dá)13.5 mm。對比監(jiān)測值與模擬值,變化的趨勢基本相同,但模擬值偏小,且在河道與基坑間距為8 m時二者的差距較大,最大差距出現(xiàn)在距基坑邊緣7 m處達(dá)到4.79 mm,主要原因為,實際情況中的基坑周圍地表各種情況的靜荷載及動荷載的影響以及河水水位高度的動態(tài)變化。

3.4 支護體系穩(wěn)定性評價

為評價該基坑支護體系穩(wěn)定性,將上述模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)整理計算,結(jié)果如表4所示。其中h代表最大開挖深度23.5 m,shm表示臨河側(cè)墻體最大位移值,svm表示臨河側(cè)地表最大豎向位移值,kh與kv分別為地面最大沉降量、支護結(jié)構(gòu)最大水平位移與最大開挖深度比值的百分?jǐn)?shù)。計算結(jié)果表明,模擬值與現(xiàn)場實測值均滿足一級基坑變形控制等級要求,地面最大沉降量 ≤0.15%h,支護結(jié)構(gòu)最大水平位移 ≤0.2%h。

表4 圍護結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of the support structure

4 結(jié) 論

(1)在本工程條件情況下,最大水平位移位置均出現(xiàn)在0.89h處,即開挖坑底上方。河水水位每升高一米墻體水平位移將增大約4%,實際工程要根據(jù)汛期合理安排施工進度。

(2)墻體上部對偏壓的反饋更敏感,且在河道距離由23 m降至8 m的四個距離區(qū)間內(nèi),墻體上部最大位移增量隨之增大,增量由23 ～19 m的2.86%升至11.5～8 m的6.37%。墻體會出現(xiàn)以坑底標(biāo)高為軸心向河道方向傾覆這一現(xiàn)象,最大傾覆值可達(dá)墻體最大位移值的67.41%,且傾覆值增量由間距23 m時的7.39%增大至8 m時的11.68%。

(3)臨河側(cè)的地表豎向變形隨工況開挖呈現(xiàn)為非常規(guī)的先沉降后隆起的形式,基坑邊緣隆起值最大。河道與坑邊距離每近1 m隆起值會增大約0.6 mm。建議在臨河道的基坑施工中應(yīng)重點關(guān)注坑邊一定范圍內(nèi)隨開挖進展而產(chǎn)生的隆起動態(tài)變化現(xiàn)象。