不同基坑開挖方式對下臥盾構(gòu)回彈的影響分析

俞翔 肖捷

0 引言

隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展,大量的高層建筑和超高層建筑涌現(xiàn),同時地下空間開發(fā)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(nèi)土體卸荷自重應(yīng)力釋放,造成下層土體受力情況發(fā)生改變,引起坑底土體回彈,會對周圍建筑物或地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物的安全和正常使用,尤其對于地下盾構(gòu)這樣變形要求較高的結(jié)構(gòu),這就勢必要求設(shè)計中預(yù)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(shù)值分析[4]。由于基坑開挖的空間效應(yīng)、土體的非線性、邊界效應(yīng)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(shù)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(gòu)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(gòu)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(yè)開發(fā)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(gòu)結(jié)構(gòu)外徑6.2 m,內(nèi)徑5.7 m,盾構(gòu)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(gòu)位移在20 mm以內(nèi)。在如此近的距離下,如采用常規(guī)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(gòu)發(fā)生大于20 mm上抬變形,嚴重影響地鐵運營的安全。

采納設(shè)計、施工、監(jiān)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(gòu)周圍土體,加固區(qū)域見圖1。

2 計算模型和工況

根據(jù)設(shè)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(gòu)回彈情況。地質(zhì)資料取孔Z1z-h-24,土體參數(shù)計算取值見表1。“凹”形和“凸”形開挖模型(本文為描述方便的提法)網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)取值

土體服從M—C屈服準則,盾構(gòu)結(jié)構(gòu)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(zhì)水平分布,忽略土體固結(jié)和坑內(nèi)工程樁等因素對盾構(gòu)回彈的影響。模型計算范圍為50 m(長)×25 m(寬)×45 m(高),模型側(cè)面和底面為位移邊界,側(cè)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(jù)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(yīng)力場;2)盾構(gòu)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(gòu)周圍土體。針對凹形開挖模型,先沿盾構(gòu)軸線方向開挖凹形區(qū)域5 m,澆筑底板后繼續(xù)以一步5 m的距離開挖;凹形區(qū)域開挖完畢且底板澆筑后,再開挖凹形區(qū)域兩側(cè)土體。針對凸形開挖模型,先開挖凸形區(qū)域兩側(cè)土體,澆筑底板后再開挖凸形區(qū)域;凸形區(qū)域開挖也是沿盾構(gòu)軸線方向以一步5 m的距離進行。

3 計算結(jié)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(gòu)回彈的關(guān)系曲線。可以看出:開挖深度越大,坑內(nèi)土體卸荷量越大,引起的盾構(gòu)回彈也就越大。開挖深度6 m,盾構(gòu)回彈19.7 mm,小于盾構(gòu)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(gòu)的回彈情況。可以看出:“凸”形開挖方式優(yōu)于“凹”形開挖方式。主要在于:不僅加固盾構(gòu)周圍土體起到減小盾構(gòu)回彈的作用,且開挖凸形區(qū)域兩側(cè)土體,土體卸荷也減小了盾構(gòu)回彈值,且均小于盾構(gòu)回彈的控制標準20 mm。

表2 兩種基坑開挖方式下盾構(gòu)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(xiàn)了基坑的順利開挖,保證了地鐵結(jié)構(gòu)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(yīng)有限元分析[D].天津:天津大學(xué)碩士學(xué)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(xué)淵.基坑回彈的適用計算法[J].土木工程學(xué)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.