不同基坑開挖方式對下臥盾構回彈的影響分析

俞翔 肖捷

0 引言

隨著城市建設的迅速發展,大量的高層建筑和超高層建筑涌現,同時地下空間開發和利用也日益增多[1]。高層建筑和超高層建筑的基坑開挖過程中,坑內土體卸荷自重應力釋放,造成下層土體受力情況發生改變,引起坑底土體回彈,會對周圍建筑物或地下結構物造成影響。深基坑工程開挖中需要保護周圍建筑物和地下結構物的安全和正常使用,尤其對于地下盾構這樣變形要求較高的結構,這就勢必要求設計中預測基坑坑底土體回彈量,采取控制回彈措施。

目前,計算坑底土體回彈主要有兩種手段:理論分析[2,3]和數值分析[4]。由于基坑開挖的空間效應、土體的非線性、邊界效應等因素,理論分析計算方法并不能全面考慮這些因素,而有限元數值分析方法可以彌補這一缺點。本文通過采用有限元建立兩種基坑開挖方式下盾構和基坑相互作用分析模型,對比研究了開挖方式不同對基坑下臥盾構回彈的影響,對類似工程具有參考意義。

1 工程概況

某城市物業開發建筑群需建在地鐵一號線上方,大面積開挖土體,深基坑坑深14 m。地鐵一號線盾構結構外徑6.2 m,內徑5.7 m,盾構頂部標高-9.25 m,距基坑底板1.5 m的間距。由于對地鐵的保護極其嚴格,要求控制盾構位移在20 mm以內。在如此近的距離下,如采用常規的深基坑開挖工藝和施工方案,勢必造成坑底回彈,引起盾構發生大于20 mm上抬變形,嚴重影響地鐵運營的安全。

采納設計、施工、監理及專家研究的意見后確定了“加固土體、小塊開挖、快速施工、信息管理”的施工工藝和施工方法。采用φ 850@600水泥攪拌樁加固盾構周圍土體,加固區域見圖1。

2 計算模型和工況

根據設計方案,本次分析計算了兩種不同基坑開挖方式引起的盾構回彈情況。地質資料取孔Z1z-h-24,土體參數計算取值見表1?！鞍肌毙魏汀巴埂毙伍_挖模型(本文為描述方便的提法)網格劃分如圖2所示。

表1 土體物理力學參數取值

土體服從M—C屈服準則,盾構結構采用Plate單元模擬,為線彈性模型。假定地表和各土層均成層勻質水平分布,忽略土體固結和坑內工程樁等因素對盾構回彈的影響。模型計算范圍為50 m(長)×25 m(寬)×45 m(高),模型側面和底面為位移邊界,側面限制水平位移,底面限制垂直位移,上邊界是地表,為自由面。

根據基坑開挖施工步驟,兩種計算模型相同的計算工況如下:1)生成土體初始地應力場;2)盾構施工;3)位移清零;4)大面積基坑整體開挖卸荷一步;5)加固盾構周圍土體。針對凹形開挖模型,先沿盾構軸線方向開挖凹形區域5 m,澆筑底板后繼續以一步5 m的距離開挖;凹形區域開挖完畢且底板澆筑后,再開挖凹形區域兩側土體。針對凸形開挖模型,先開挖凸形區域兩側土體,澆筑底板后再開挖凸形區域;凸形區域開挖也是沿盾構軸線方向以一步5 m的距離進行。

3 計算結果分析

圖3給出了計算工況(4)第一步大面積基坑整體開挖深度與盾構回彈的關系曲線。可以看出:開挖深度越大,坑內土體卸荷量越大,引起的盾構回彈也就越大。開挖深度6 m,盾構回彈19.7 mm,小于盾構回彈的控制標準20 mm。

圖4給出了典型計算工況下的土體豎向位移云圖。表2給出了兩種基坑開挖方式下盾構的回彈情況?？梢钥闯?“凸”形開挖方式優于“凹”形開挖方式。主要在于:不僅加固盾構周圍土體起到減小盾構回彈的作用,且開挖凸形區域兩側土體,土體卸荷也減小了盾構回彈值,且均小于盾構回彈的控制標準20 mm。

表2 兩種基坑開挖方式下盾構回彈情況

實際的基坑施工過程中,采取了“凸”形開挖方式,成功實現了基坑的順利開挖,保證了地鐵結構的安全。可見,該分析方法是可行的,對類似工程具有參考價值。

[1] 肖 健.考慮工程樁存在的深基坑回彈空間效應有限元分析[D].天津:天津大學碩士學位論文,2004.

[2] 張元冀,孫世光.深基坑開挖回彈量分析[J].山西建筑,2008,34(1):99-100.

[3] 劉國彬,黃院雄,侯學淵.基坑回彈的適用計算法[J].土木工程學報,2000(4):61-67.

[4] 徐雙龍.上跨既有管廊基坑開挖回彈控制措施研究[J].山西建筑,2008,34(11):157-158.