秦善良,王 升,劉清偉,孫夢堯,陳保國
(1.中國水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610081;2.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院,湖北武漢 430074)
相鄰深基坑非對稱施工時,其圍護結(jié)構(gòu)受力變形特性較獨立基坑更復雜[1-3]。目前相鄰深基坑施工多采用樁、墻+水平支撐體系,而此類工程施工時兩基坑之間力的傳遞更為直接,對臨近基坑的受力狀態(tài)響應(yīng)更大[4],臨近基坑的卸荷作用會導致已施工的內(nèi)支撐軸力驟減,無法準確通過軸力數(shù)據(jù)判斷圍護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)[5],需要結(jié)合圍護結(jié)構(gòu)整體變形情況及受力狀態(tài)進行綜合分析[6-7],這就對施工過程中的工序安排、內(nèi)力位移監(jiān)測及變形控制措施等提出了更高的要求[8-9]。
近年來,有許多學者在基坑群相互影響方面進行了研究。趙彤[10]以天津市某大型基坑群為例,基于工期、造價、場地布置等指標,對基坑群不同的分區(qū)開挖方案進行了方案優(yōu)選,提出了一套基坑群施工方案的評估方法。袁順德等[11]等通過對基坑群不同間距、不同開挖順序和土體加固措施的數(shù)值模擬,探討了基坑群開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)變形的控制措施。陳湘桂等[12]運用有限元模擬對連續(xù)基坑群不同開挖順序的影響效應(yīng)問題進行了數(shù)值分析。郭力群等[13]通過模擬連排基坑群開挖,對土體沉降、圍護結(jié)構(gòu)受力進行了分析,并探討了基坑間距對上述指標的影響。胡敏云等[14]通過分析軟土地層相鄰基坑在交叉施工條件下相鄰區(qū)域圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的監(jiān)測數(shù)據(jù),明確了圍護結(jié)構(gòu)受臨近基坑開挖施工影響受力變形的發(fā)展特點。楊其潤等[15]通過數(shù)值模擬對比分析了單基坑與多基坑開挖在受力變形特性上的差異,得出了相鄰基坑的相互作用機理。
基坑回筑過程中往往需要進行內(nèi)支撐拆除工作,拆撐過程會改變開挖結(jié)束時的受力平衡狀態(tài),在拆除位置會形成荷載失衡[16]。相比基坑開挖時的土體卸荷,拆撐引起的荷載失衡發(fā)生得更突然,產(chǎn)生的失衡荷載更集中,對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成巨大威脅。因此合理安排回筑拆撐工序,及時采取控制措施對保證工程安全至關(guān)重要。本文基于前海站車站深基坑工程,對共墻深基坑回筑施工進行模擬分析,研究其結(jié)構(gòu)受力及位移變化規(guī)律,以期為同類工程提供參考依據(jù)。
穗莞深城際軌道交通前海站二期工程基坑(以下簡稱S2)長度為300 m,車站標準段寬度為27.7 m,折返線區(qū)域?qū)挾葹?1.78~34.35m?;硬捎妹魍诜ㄊ┕ぃ毡殚_挖深度為29 m,圍護結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻,并設(shè)有六道鋼筋混凝土內(nèi)支撐。
前海站東側(cè)緊鄰前海國際T3建筑基坑,T3地塊基坑尺寸為120 m×93 m,開挖深度28 m,圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻,設(shè)有6道鋼筋混凝土環(huán)撐。
兩基坑共用圍護結(jié)構(gòu)120 m,第四道及第六道內(nèi)支撐中心線高差分別為500、910 mm,其余內(nèi)支撐中心線均處于同一高程。兩基坑位置及圍護結(jié)構(gòu)示意如圖1、2所示。
圖1 基坑位置平面
圖2 基坑圍護結(jié)構(gòu)mm
車站范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層(Q4mc)、沖洪積層(Q3al+pl)、殘積層(Qel),下伏基巖為加里東期花崗(Mγ3),全~微風化,巖層風化不均,巖面起伏較大。自上而下地層依次為雜填土、素填土、人工填塊石、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、全風化花崗巖、強風化花崗巖,車站底板位于全、強、中風化花崗巖地層中。
結(jié)合勘探成果及室內(nèi)試驗,各地層具體物理力學參數(shù)如表1所示。
表1 各地層物理力學參數(shù)
車站主體為框架結(jié)構(gòu),除頂板外其他中板均位于地面高程以下。結(jié)構(gòu)橫梁采用多規(guī)格的型鋼混凝土梁及鋼筋混凝土梁穿插布置,結(jié)構(gòu)外墻厚度為1.5 m,與圍護結(jié)構(gòu)間隔為0.3 m,使用素混凝土填充。主體結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。
圖3 主體結(jié)構(gòu)簡圖mm
目前T3建筑基坑已完成第六道內(nèi)支撐的施工,進行底部開挖;S2車站基坑對應(yīng)區(qū)段已開挖結(jié)束并完成底板澆筑,準備進行回筑工作。回筑工況安排如表2所示。
表2 回筑工序
S2基坑在拆處第六、第五道支撐時,主體結(jié)構(gòu)地下三層尚未施工完成,無法形成有效的框架結(jié)構(gòu)來平衡外部荷載,失衡部分荷載經(jīng)過圍護結(jié)構(gòu)重分布作用于其他內(nèi)支撐上,會導致剩余內(nèi)支撐軸力急劇增加,有壓縮變形過大導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的風險。且共墻側(cè)的失衡荷載為集中荷載,直接作用于圍護結(jié)構(gòu)上,使對應(yīng)位置處的墻體變形增大,甚至有破壞的風險。因此拆撐過程應(yīng)合理安排工序,保證結(jié)構(gòu)安全。
數(shù)值模型根據(jù)設(shè)計尺寸1∶1建立,基坑外圍取120 m影響邊界(4倍開挖深度)。模型頂部設(shè)置為自由邊界,底部設(shè)置為固定邊界,其余面約束法向位移。
模擬時巖土體選擇摩爾—庫倫本構(gòu)模型,圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)選擇彈性本構(gòu)模型。巖土體及墻體選用實體單元模擬,內(nèi)支撐及結(jié)構(gòu)梁選用結(jié)構(gòu)單元。各結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。
表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)
現(xiàn)場施工之前已進行過降水排水措施,地下連續(xù)墻兼作止水帷幕,因此數(shù)值模擬中不考慮流固耦合問題。
3.1.1 圍護結(jié)構(gòu)彎矩
S2基坑西側(cè)(非共墻)地連墻彎矩分布規(guī)律呈反S型,基坑底板以上為正彎矩,底板以下為負彎矩(圖4)。內(nèi)支撐拆除過程,會引起對應(yīng)墻體正彎矩增長;而墻體下部受底板的支點作用,其負彎矩也會出現(xiàn)增長,在拆除第六道內(nèi)支撐后較為明顯。整個內(nèi)支撐拆除過程中,西側(cè)墻體最大正彎矩為1 190 kN·m,最大負彎矩為-704.8 kN·m,均出現(xiàn)在第三道內(nèi)支撐拆除后。
圖4 S2西側(cè)圍護結(jié)構(gòu)彎矩
東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)彎矩的分布規(guī)律如圖5所示,其變化規(guī)律與西側(cè)有較大區(qū)別。其原因是東側(cè)地連墻為兩基坑共用,除了第四道、第六道支撐外,兩側(cè)內(nèi)支撐軸心高度基本一致,兩側(cè)內(nèi)支撐傳遞的荷載達到平衡狀態(tài),因此地連墻內(nèi)產(chǎn)生的最大彎矩數(shù)值較小。拆撐過程類似于連續(xù)梁拆除支點過程,一側(cè)支點拆除后相當于在另一側(cè)增加了一個集中力,因此東側(cè)地連墻的彎矩變化量較為明顯。拆撐過程中最大正彎矩為111 kN·m,出現(xiàn)在第四道內(nèi)支撐拆除后;最大負彎矩為-249 kN·m,出現(xiàn)在第六道支撐拆除后。
圖5 S2東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)彎矩(共墻側(cè))
3.1.2 圍護結(jié)構(gòu)水平位移
西側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平位移變化規(guī)律如圖6所示,開挖結(jié)束時,S2基坑西側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大位移為49.9 mm,最大位移點位于距離墻頂17 m附近?;刂Y(jié)束后,最大位移為53.6 mm,增加了7.4%,最大位移出現(xiàn)在墻頂以下19 m處。
圖6 S2西側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平位移分布規(guī)律
西側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平位移增量如圖7所示。拆撐過程中,被拆內(nèi)支撐對應(yīng)位置均有位移增量。其中,拆除第三道、第五道支撐時產(chǎn)生的增量最多,分別增加了1.76、1.66 mm。拆除第六道支撐時,底板以下位置出現(xiàn)的負彎矩增量導致地連墻底部位移出現(xiàn)了反方向增量,但增量較小,僅為0.6 mm。拆除第一道、第二道支撐時,墻頂位移相應(yīng)增長,分別增加了1.1、0.62 mm。
圖7 S2西側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平位移增量
東側(cè)地連墻拆撐時位移變化規(guī)律與西側(cè)連續(xù)墻存在較大差異(圖8)。東側(cè)地連墻(共墻)在開挖結(jié)束時,最大位移出現(xiàn)在墻頂,最大值為12.88 mm,墻體向T3基坑側(cè)傾斜。這是因為T3基坑采用環(huán)梁支撐,相比S2基坑的鋼筋混凝土梁支撐形式其剛度較小,因此共用的圍護結(jié)構(gòu)向T3側(cè)傾斜。S2拆撐過程中,支撐梁作用于地連墻上的集中力得到釋放,向T3基坑側(cè)的位移逐漸恢復。開挖結(jié)束后,東側(cè)地連墻的最大位移恢復到10.8mm,減少了16%。
圖8 S2東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平位移分布規(guī)律(共墻側(cè))
東側(cè)地連墻拆撐時位移增量如圖9所示,其中拆除第三道、第五道支撐時產(chǎn)生的位移變化最大,拆撐位置墻體位移分別減小了1.56、1.39 mm。拆除第六道支撐時基坑底板以下墻體同樣出現(xiàn)了反向位移增量,墻體位移增加了0.66 mm。兩基坑內(nèi)支撐軸心高度不一致的第四道、第六道支撐在拆除后,盡管對應(yīng)位置的墻體位移有所增加,但增加幅度較小,不會對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。
圖9 S2東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平位移增量(共墻側(cè))
3.1.3 內(nèi)支撐軸力
S2內(nèi)支撐最大軸力變化如圖10所示。拆撐會引起相鄰內(nèi)支撐的內(nèi)力急劇增加,其中拆除第五道、第三道內(nèi)支撐導致的增量最大,內(nèi)支撐4及內(nèi)支撐2的軸力值分別增長了2 469、2 451 kN,增長幅度達到了46.2%、30.4%。在實際施工進行該工況時,應(yīng)密切關(guān)注軸力監(jiān)測值,防止短時間內(nèi)內(nèi)支撐壓縮變形過大導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。
圖10 S2內(nèi)支撐最大軸力變化
拆除第四道內(nèi)支撐后,第三道內(nèi)支撐的軸力值增長了19%,后續(xù)及時增設(shè)了臨時鋼支撐,因此第三道內(nèi)支撐軸力略微有所減小。鋼支撐的軸力值在拆除第三道支撐時出現(xiàn)了較大增長,增加了1 330 kN,同時第二道內(nèi)支撐軸力也增長了2 451 kN。若不增加臨時鋼支撐,則拆除第三道內(nèi)支撐帶來的荷載增量將全部由第二道內(nèi)支撐承擔,極有可能超過其荷載承受值,造成壓縮破壞。
S2基坑主體結(jié)構(gòu)西側(cè)外墻整體位移規(guī)律(圖11)與西側(cè)地連墻較為相似,表現(xiàn)為兩頭小,中間大。墻體最大位移出現(xiàn)位置在地面高程以下15 m處,最大位移為10.57 mm。
圖11 S2主體西側(cè)外墻位移
主體結(jié)構(gòu)東側(cè)外墻整體位移規(guī)律(圖12)與共墻側(cè)地連墻較為相似,墻身位移呈懸臂型。最大位移出現(xiàn)在墻頂處,位移值為5.74 mm。主體兩側(cè)外墻位移均較小,主體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好。
圖12 S2主體東側(cè)外墻位移
S2西側(cè)地表沉降如圖13所示,S2西側(cè)地表沉降增量如圖14所示。拆撐過程會導致圍護結(jié)構(gòu)水平位移增加,而周邊地表沉降與圍護結(jié)構(gòu)位移呈正相關(guān),因此每一次拆撐都會引起坑外土體沉降增加??油馔馏w沉降主要發(fā)生在基坑開挖階段,在回筑階段沉降量變化較小,整個拆撐過程共造成了3 mm的沉降增量,增長了18.9%。
圖13 S2西側(cè)地表沉降
圖14 S2西側(cè)地表沉降增量
(1)拆撐會導致基坑圍護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及位移變形均發(fā)生變化。西側(cè)地連墻(非共墻)彎矩整體分布規(guī)律變化較小,墻身位移隨支撐拆除逐漸增大,最大位移值增加了7.4%;東側(cè)地連墻(共墻)受臨近基坑支撐的影響,墻體彎矩極值和極值位置均有較大變化,墻身位移隨支撐拆除逐漸減小,最大位移值減小了16%。
(2)拆撐后相鄰內(nèi)支撐軸力會急劇上升。其中第二道、第四道內(nèi)支撐軸力分別增加了30.4%、46.2%。在跨度較大的內(nèi)支撐之間增加臨時鋼支撐可有效分擔拆撐產(chǎn)生的荷載增量,保證臨近內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)安全。
(3)拆撐會對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。隨著內(nèi)支撐的拆除,基坑外土體沉降逐漸增加。拆撐結(jié)束后,坑外土體最大沉降值增加了18.9%。
(4)回筑過程中,主體結(jié)構(gòu)的位移變形規(guī)律與相鄰圍護結(jié)構(gòu)基本一致,位移變形數(shù)值較小。其中,主體結(jié)構(gòu)西側(cè)外墻的最大位移為10.57mm;東側(cè)外墻最大位移為5.74 mm,主體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。