祝李京

(武漢華中科大檢測科技有限公司,湖北 武漢 430074)

城市地鐵由于其快捷、安全、舒適等便民的特性,對擴(kuò)大城市空間、構(gòu)建城市快速立體交通網(wǎng)以及改善城市交通環(huán)境起到了越來越重要的作用[1]。然而地鐵在實(shí)際的開發(fā)中不可避免地造成地質(zhì)的變化,土層的實(shí)際穩(wěn)定性會(huì)遭到破壞,因此在降水開挖過程中引起土體的變形,易造成安全事故的發(fā)生[2]。因此,對地鐵基坑施工進(jìn)行監(jiān)測變得尤為重要。Guan等[3]為了避免深基坑變形帶來的安全事故,在數(shù)字近景攝影測量的基礎(chǔ)上提出了針對基坑監(jiān)測的三維建模技術(shù)。李又云等[4]考慮深基坑降水開挖中的變形問題,在Abaqus的基礎(chǔ)上提出了一種三維化的流固耦合模型。朱大鵬等[5]為了解決基坑降水開挖造成地表沉降而帶來的周邊建筑物變形的問題,在利用三維滲流有限元模型的基礎(chǔ)上提出了基坑施工監(jiān)測技術(shù)。在此背景下,研究依托成都軌道交通27號線一期工程,在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上引入Abaqus模型,以此實(shí)現(xiàn)數(shù)值化的模型與自動(dòng)化的監(jiān)測,其目的是避免富水砂卵石地層基坑施工時(shí)安全事故的發(fā)生,并為公司在地鐵施工監(jiān)測領(lǐng)域的市場開拓提供幫助,同時(shí)也為后續(xù)地鐵施工監(jiān)測市場的拓展打下良好的基礎(chǔ)。另外,研究以自動(dòng)化監(jiān)測為主的方式綜合了人工和計(jì)算機(jī)模擬的優(yōu)勢,同時(shí)針對同一地層對施工過程的影響以及穩(wěn)定性的相關(guān)分析具備創(chuàng)新性,也為后續(xù)自動(dòng)化監(jiān)測的開展提供了經(jīng)驗(yàn)。

1 富水砂卵石地層中基坑施工監(jiān)測技術(shù)分析

1.1 基坑監(jiān)測工程概況及監(jiān)測方案研究

針對軌道交通施工中存在的富水砂卵石地層的復(fù)雜地質(zhì)條件問題,研究依托成都軌道交通27號線一期工程,并在實(shí)際在建工程的基礎(chǔ)上,通過工程實(shí)施階段監(jiān)控量測信息反饋結(jié)果對理論模型進(jìn)行修正?；影踩O(jiān)測在工程建設(shè)中具有非常重要的作用,其不但可以根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的了解結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)以及周圍的環(huán)境狀態(tài)來指導(dǎo)施工,還可以預(yù)測可能的危險(xiǎn)因素,從而能夠及時(shí)地進(jìn)行安全地補(bǔ)救,防止事故發(fā)生。因此,研究結(jié)合成都軌道交通27號線一期工程來對基坑施工監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行研究。

成都軌道交通27號線是北部外圍的填充線,總體呈北-西走向,主要經(jīng)過成都市新都區(qū)、金牛區(qū)、成華區(qū)以及青羊區(qū)。一期工程線路全長24.86 km,設(shè)站23座,其中換乘站9座,沿途分別與S10線、28號線、1號線、9號線、18號線、5號線、6號線、12號線、2號線共9條線路換乘,其中地下線17.34 km,設(shè)站17座。研究的實(shí)際范圍在金牛區(qū),其包含5座地下車站和4條盾構(gòu)區(qū)間,地質(zhì)條件復(fù)雜(富水砂卵石地質(zhì),全斷面高強(qiáng)度硬巖地質(zhì)),區(qū)間線路周邊環(huán)境復(fù)雜,沿線穿越既有線地鐵站、重要管線、大型河流及多處高架橋梁等。在實(shí)際的基坑降水施工過程中,其會(huì)在一定的區(qū)域內(nèi)造成卸載,因此在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩邊的土中會(huì)形成壓差,從而使土壤從邊沿到中間呈水平方向運(yùn)動(dòng),因此會(huì)對周圍的土體、管線和原有的地基造成破壞。故通過一定的監(jiān)測確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要意義。其中,監(jiān)測項(xiàng)目具體內(nèi)容見圖1。

圖1 監(jiān)測項(xiàng)目內(nèi)容

從圖1中可以看出,成都軌道交通27號線金牛區(qū)段實(shí)際監(jiān)測項(xiàng)目內(nèi)容包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的監(jiān)測、周圍地面沉陷的監(jiān)測以及地下水位的監(jiān)測,三者的數(shù)目分別為30、150以及20。另外,從針對圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的監(jiān)測頻率來看,在實(shí)際的施工開挖期間進(jìn)行24 h的全天候監(jiān)測,而在施工開挖結(jié)束后實(shí)行每天一次的監(jiān)測頻率,報(bào)警指標(biāo)為累計(jì)2×10-4km,每天2×10-5km。對周圍地面沉陷的監(jiān)測,執(zhí)行每天一次的監(jiān)測頻率,報(bào)警指標(biāo)為累計(jì)2×10-4km,每天2×10-5km。對地下水位執(zhí)行每天一次的監(jiān)測頻率,報(bào)警指標(biāo)為下降1×10-4km,每天5×10-6km。最后,在實(shí)際的基坑施工巡檢過程中,需要將施工的實(shí)際工況、周邊環(huán)境等進(jìn)行詳細(xì)記錄,如果發(fā)現(xiàn)異常,應(yīng)該及時(shí)匯報(bào)。對成都軌道交通27號線期工程展開卵石地質(zhì)復(fù)雜環(huán)境下城市地鐵施工監(jiān)測技術(shù)研究,主要針對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平行移動(dòng)與地表沉降等進(jìn)行展開。

其中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)是基坑工程中的一項(xiàng)重要結(jié)構(gòu),其直接影響著基坑工程的開挖深度、開挖范圍等。因此采用埋設(shè)傾角導(dǎo)管和傾角計(jì)測量支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。通過對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行監(jiān)測,對不同深度的樁體的水平位移變化進(jìn)行了解,這不僅可以判斷出是否存在土體失穩(wěn)的征兆和現(xiàn)象,還可以了解基坑周圍垂直剖面的土體隨基坑開挖深度變化的規(guī)律,從而為基坑的信息化施工、預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供直接的依據(jù)。同時(shí),研究在基坑周圍設(shè)置了總計(jì)32個(gè)監(jiān)測點(diǎn),分別為B1～B32。在深基坑開挖過程中土體內(nèi)部的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)域會(huì)逐漸向外擴(kuò)展,向地表擴(kuò)展?；又苓叺孛娉料菁润w現(xiàn)了周邊土層的受力狀態(tài),又從某種意義上反映了基坑周邊土的受力狀態(tài)。因此,研究對地表沉降進(jìn)行監(jiān)測,并在南端設(shè)置了7個(gè)監(jiān)測點(diǎn),北端設(shè)置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn),中間橫斷面設(shè)置了8個(gè)監(jiān)測點(diǎn),基坑的縱斷面設(shè)置了10個(gè)監(jiān)測點(diǎn),分別為A1～A30。

1.2 基坑降水下施工數(shù)值模擬

在實(shí)際現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上,研究引入Abaqus二維化的有限元模型來對成都軌道交通27號線的基坑降水開挖進(jìn)行數(shù)值模擬,以此驗(yàn)證這種數(shù)值模擬下的數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)的有效性。研究綜合分析了成都軌道交通27號線一期工程的基坑施工環(huán)境,選擇了均質(zhì)彈性模型、滲流彈性模型以及本構(gòu)模型(Mohr-Coulomb,M-C)。其中,M-C模型主要用于粒狀物料,在Abaqus中,其相應(yīng)的屈服性準(zhǔn)則為剪斷判據(jù)。剪斷判據(jù)的函數(shù)表達(dá)如公式(1)所示。

E=Rmcy-xtanλ-b

(1)

式中:E為剪斷判據(jù)函數(shù);λ為摩擦角,(°);b為粒狀物料的黏聚力,kN/m2;x和y為平面橫縱軸方向。其中,Rmc(γ,λ)的計(jì)算表達(dá)如公式(2)所示。

Rmc(γ,λ)=

(2)

式中:γ為極偏角。剪斷判據(jù)函數(shù)一般采用蘭肯(Rankine)準(zhǔn)則,其計(jì)算表達(dá)如公式(3)所示。

Et=Rr(γ)y-x-ρt

(3)

式中:ρt為抗拉強(qiáng)度,MPa。在Abaqus中,為了避免塑性位平面上存在著非唯一性,將一個(gè)連續(xù)且平滑的橢圓函數(shù)用作塑性位平面。其計(jì)算表達(dá)如公式(4)所示。

(4)

式中:H為橢圓函數(shù);δ為子午平面上偏離中心的概率;ζ為剪脹角,(°);b0為初始的黏聚力,kN/m2。其中,Rmw(γ,e,λ)控制著塑性位平面中π面上的形狀,計(jì)算表達(dá)如公式(5)所示。

(5)

式中:e為偏心率,其計(jì)算表達(dá)如公式(6)所示。

(6)

通過式(6)的計(jì)算,可以有效保證塑性位平面位于π平面上受拉角上的受壓角與屈服面相切。另外,在Abaqus中,研究通過控制b的大小來實(shí)現(xiàn)剪切面的軟硬化,其中的等效應(yīng)變計(jì)算表達(dá)如公式(7)所示。

(7)

式中:eij為偏向應(yīng)變的相關(guān)張量。研究實(shí)地勘察的工程區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越砂卵石、硬巖(中風(fēng)化泥巖、砂巖)地層。砂卵石地層具有快速收斂特性,盾體和刀盤受到周圍砂層包裹力較大,同時(shí)在砂卵地層中掘進(jìn)如果土壓力控制不當(dāng)容易引起地表沉降的出現(xiàn)。因此研究以基坑薄弱區(qū)為重點(diǎn),選取其橫截面為實(shí)際的模擬區(qū)域,同時(shí)基坑降水開挖的實(shí)際影響范圍應(yīng)該依據(jù)地鐵車站相關(guān)地質(zhì)的實(shí)際條件、現(xiàn)場的相關(guān)監(jiān)測情況以及前人的實(shí)際研究成果進(jìn)行3倍化的深度開挖。并根據(jù)對稱性的相關(guān)原則來選擇實(shí)際工程一半來進(jìn)行模擬。其中,在豎直方向上,依據(jù)成都地鐵27號線巖土工程的勘察材料,相應(yīng)的基坑以及土層的尺寸見表1。

表1 基坑以及土層的尺寸 單位:km

從表1中可以看出,研究構(gòu)建的模型大小為0.073 2 km×0.043 2 km,其中,寬度0.073 2 km下包含開挖面的寬度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的寬度以及基坑外土體的寬度;高度0.0432 km下包含素填土層、粉質(zhì)黏土層、圓礫層等。另外,在基坑降水開挖的數(shù)值化模擬中,研究選取了地面的支撐邊界和水頭邊界兩種作為研究設(shè)置的邊界條件。基于此,在成都軌道交通27號線一期工程基坑開挖工程中,研究將基坑降水開挖方案分為四步進(jìn)行。首先,需要平衡初始的地應(yīng)力。其次當(dāng)?shù)谝淮谓邓恋叵?.8×10-3km時(shí),第一層開始進(jìn)行挖掘并挖至地下6.8×10-3km,此時(shí)進(jìn)行第一道混凝土支撐。接著,當(dāng)?shù)诙谓邓恋叵?4.1×10-3km時(shí),第二層開始進(jìn)行挖掘并挖至地下13.1×10-3km,此時(shí)第二道鋼進(jìn)行支撐。最后,當(dāng)?shù)谌谓邓恋叵?1.2×10-3km時(shí),第四層開始進(jìn)行挖掘并挖至地下20.2×10-3km,此時(shí)進(jìn)行第三道鋼支撐。其中,平衡初始地應(yīng)力設(shè)置每一層上、下表層的地應(yīng)力值,并將深度作為自變量線性函數(shù)來描述初始地應(yīng)力,同時(shí)在Abaqus平臺(tái)上施加載荷,將其轉(zhuǎn)化為初始地應(yīng)力場。

2 模擬監(jiān)測技術(shù)性能分析

為了驗(yàn)證研究提出的數(shù)值模擬化的監(jiān)測技術(shù)的合理性與有效性,研究將其與實(shí)地監(jiān)測的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了對比。其中,為了判定基坑內(nèi)降水施工對坑外土的影響情況,研究分析了土體的沉降值變化,并對比了實(shí)際監(jiān)測的A7點(diǎn)和模擬的坑外地表的沉降情況,其結(jié)果見圖2。

圖2 土體沉降變化情況和坑外地表的沉降模擬與監(jiān)測對比結(jié)果

從圖2中可以看出,土體沉降值變化中,坑外的土體沉降呈現(xiàn)出了一種直角三角形的分布,在直角區(qū)域沉降最嚴(yán)重,并向兩個(gè)銳角逐漸地減小。而模擬對比中,第一步開挖模擬中,坑外地表的沉降值在基坑距離為2×10-3km時(shí)為7.46×10-5km,而實(shí)際監(jiān)測為7.02×10-5km;17 m處為模擬值0.97×10-5km,監(jiān)測值為0.95×10-5km。第二步開挖模擬中,坑外地表的沉降值在基坑距離為2×10-3km時(shí)為11.83×10-5km,監(jiān)測值為11.14×10-5km;12×10-3km處模擬值為2.70×10-5km,監(jiān)測值為2.30×10-5km。第三步開挖模擬中,坑外地表的沉降值在基坑距離為2×10-3km時(shí)為15.91×10-5km,而實(shí)際監(jiān)測為16.93×10-5km;17×10-3km處為模擬值1.36×10-5km,監(jiān)測值為2.10×10-5km。綜合來看,模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果的偏差保持在2.1%～5.9%之間,模擬效果基本吻合,差別較小,驗(yàn)證了研究提出的數(shù)值模擬監(jiān)測的可行性與準(zhǔn)確性。另外,為了研究在基坑降水施工中,土體水平移動(dòng)對支護(hù)樁水平移動(dòng)的影響,研究分析了側(cè)向位移的變化,并對比了止水帷幕水平移動(dòng)的模擬監(jiān)測與實(shí)際監(jiān)測B14點(diǎn),其結(jié)果見圖3。

圖3 側(cè)向位移變化情況和止水帷幕水平移動(dòng)模擬與監(jiān)測對比結(jié)果

圖3中,1～7分別表示距離基坑1×10-3～13×10-3km;a～c分別表示三步開挖的模擬結(jié)果;d～g分別表示三步開挖B14點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果。綜合圖3可以看出,在靠近基坑的地方,土體水平位移深度曲線與樁的水平位移曲線較為接近,而在基坑的外圍,土體水平位移最大值出現(xiàn)在12×10-3km深的粉質(zhì)粘土與圓砂礫粘土的交界界面上。第一步開挖模擬中,圍樁的水平移動(dòng)模擬數(shù)值在樁頂時(shí)最大,為7.32×10-5km,而實(shí)際監(jiān)測為6.28×10-5km。第二步開挖模擬中,圍樁的水平移動(dòng)模擬數(shù)值在基坑深度為10×10-3km時(shí)最大,為7.94×10-5km,監(jiān)測值為4.12×10-5km。第三步開挖模擬中,圍樁的水平移動(dòng)模擬數(shù)值在基坑深度為12×10-3km時(shí)最大,為11.22×10-5km,而實(shí)際監(jiān)測值則在1.0×10-2km時(shí)最大,為8.06×10-5km。綜合來看,數(shù)值模擬的方法對圍護(hù)水平移動(dòng)模擬效果較好,模擬的數(shù)值在B點(diǎn)監(jiān)測基本相符,并且變形的趨勢都一樣。

3 結(jié) 論

為了避免成都軌道交通27號線一期工程施工中的工程事故發(fā)生,研究依托成都軌道交通27號線一期工程,引入Abaqus提出了數(shù)值模擬化的監(jiān)測方法,并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。綜合來看,結(jié)果表明研究提出的數(shù)值模擬的監(jiān)測方法與實(shí)際的監(jiān)測方法誤差維持在2%～5%之間,具備較高的有效性和準(zhǔn)確性。但是,研究實(shí)際劃分土層并不詳細(xì),因此后續(xù)需要精確的土層模擬。