濱海花崗巖殘積土地層地鐵車(chē)站SMW工法施工穩(wěn)定性研究

宋勤

1 引言

地鐵作為解決城市交通擁堵的重要工具，其施工的安全性受到人們的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，大中城市都在進(jìn)行地鐵建設(shè)，車(chē)站基坑規(guī)模[1，2]越來(lái)越大，穿越復(fù)雜地質(zhì)的情況越來(lái)越多，對(duì)于位處復(fù)雜地質(zhì)的基坑變形性狀的研究成為車(chē)站建設(shè)過(guò)程中的重要研究問(wèn)題。

目前，很多學(xué)者對(duì)地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖施工中的樁頂水平位移、支撐軸力、地下水位、地下連續(xù)墻水平位移和圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。莊海洋[3]等分析了對(duì)不同基坑開(kāi)挖深度對(duì)基坑變形速度的影響規(guī)律；高勝君等[4]分析了成都砂卵石地層基坑的變形規(guī)律。吳意謙[5]等分析了濕陷性黃土地圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周?chē)馏w隨著基坑開(kāi)挖深度和時(shí)間變化的位移規(guī)律。杜會(huì)芳[6]研究了漫灘區(qū)地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律。周順華[7]等提出了預(yù)制樁作為勁性材料的新型SMW工法基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。夏江濤[8]等研究了支護(hù)樁不同的參數(shù)對(duì)SMW圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。張璞[9]等介紹了SMW在深基坑工程中的應(yīng)用。曹慧[10]等介紹了SMW加斜撐在軟土地區(qū)基坑施工中的應(yīng)用。張忠苗[11]等分析了過(guò)江隧道深基坑中SMW工法加鋼支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。但廈門(mén)濱海花崗巖殘積土地層中采用SMW工法樁施工的基坑分析較少，相關(guān)基坑的變形規(guī)律研究也不充分。本文以廈門(mén)地鐵蔡厝站基坑施工為工程背景，結(jié)合基坑開(kāi)挖的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，分析基坑變形規(guī)律，并為以后相似的實(shí)際工程案例提供借鑒和參考。

2 工程概況

車(chē)站概況：

蔡厝站周邊現(xiàn)狀為空地，周邊無(wú)控制性建、構(gòu)筑物，其周邊平面圖如圖1所示。本站采用明挖順做法施工，基坑深約6.46m，寬度為21.7m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁+內(nèi)支撐形式，SMW工法樁采用φ850@600水泥攪拌樁，內(nèi)插H700×300×13×24型鋼。圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)一道支撐，采用φ609mm壁厚16mm的鋼管支撐，標(biāo)準(zhǔn)段鋼支撐間距4m。

圖1 蔡厝站周邊平面圖

3 施工過(guò)程的數(shù)值模擬分析

為了全面研究基坑的變形特性，采用有限差分軟件FLAC3D模擬基坑開(kāi)挖施工的全過(guò)程。

3.1 基坑數(shù)值計(jì)算模型

因基坑開(kāi)挖前已完成降水，故在模擬中不再考慮地下水的影響，三維數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。根據(jù)圣維南原理，計(jì)算邊界一般取基坑實(shí)際開(kāi)挖尺寸的2～5倍為宜，即模型土體尺寸設(shè)置為長(zhǎng)320m，寬140m，高度為24m，共產(chǎn)生25536個(gè)單元，28500個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 基坑數(shù)值計(jì)算模型

3.2 土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬

（1）土層劃分及參數(shù)

為了簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，把性質(zhì)相近的土層簡(jiǎn)化為同一土層，故土層劃分為四層，從上到下依次為素填土、殘積砂質(zhì)黏性土（可塑）、殘積砂質(zhì)黏性土（硬塑）和全風(fēng)化花崗巖。土體的本構(gòu)模型取為摩爾-庫(kù)倫模型，土層從上到下分布情況和根據(jù)詳細(xì)地質(zhì)勘察資料獲得基坑周?chē)馏w的基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬

在保證模擬精度的同時(shí)，采用等效剛度原則，把圍護(hù)結(jié)構(gòu)用地下連續(xù)墻代替。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)其材料參數(shù)采用C30混凝土，彈性模量E為25GPa，泊松比ν取0.20，重度為25kN/m3。鋼支撐采用結(jié)構(gòu)單元beam模擬，彈性模量E取200GPa，泊松比ν取0.30。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

（3）初始應(yīng)力

在基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，由于外部條件的干擾，致使基坑周邊會(huì)產(chǎn)生一定的初始荷載。為了提高數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，在基坑模型垂直方向施加15kPa均布初始應(yīng)力。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程將基坑開(kāi)挖的關(guān)鍵過(guò)程模擬分為：①初始地應(yīng)力模擬；②圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；③設(shè)置鋼支撐；④土層每8m分段開(kāi)挖；⑤每16m分段澆筑基坑底板。分別取監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行基坑開(kāi)挖全過(guò)程的變形分析。

3.3.1 地表沉降

圖3 地表沉降值與開(kāi)挖步的關(guān)系

由圖3所示，DBC-2、DBC-3和DBC-4與DBC-1和DBC-5相比沉降值要大，主要是由于基坑開(kāi)挖后卸荷效應(yīng)引起的。各地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在基坑開(kāi)挖前期沉降值較小，開(kāi)挖時(shí)沉降值急劇增大，隨后趨于穩(wěn)定。

3.3.2 樁頂水平位移

圖4 樁頂水平位移與開(kāi)挖步的關(guān)系

由圖4可以看出，在基坑開(kāi)挖前期樁頂水平位移值較小，至開(kāi)挖時(shí)，樁頂水平位移急劇增大，ZQS-2和ZQS-3值最大，之后穩(wěn)定在5mm左右，但未超出設(shè)計(jì)允許值。

3.3.3 支撐軸力

圖5 支撐軸力值與開(kāi)挖步的關(guān)系

由圖5所示，在基坑開(kāi)挖之前軸力值較小保持在70kN左右，至開(kāi)挖時(shí)，軸力急劇增大，而后穩(wěn)定在350kN附近。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

廈門(mén)濱海地區(qū)花崗巖殘積土具有明顯的遇水軟化崩解、土的抗剪強(qiáng)度迅速下降的特性，再加上滲流作用，極易導(dǎo)致滑坡、崩塌等工程危害[12]。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)是研究地鐵車(chē)站基坑變形性狀最直接有效的方法。

4.1 監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

基坑的監(jiān)測(cè)工作一直持續(xù)到工程結(jié)束，且監(jiān)測(cè)的頻率隨著基坑的開(kāi)挖進(jìn)度、工程措施及基坑變形量進(jìn)行調(diào)整。

基坑工程監(jiān)測(cè)安全警戒值應(yīng)該由各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的變化速率和累積變化量共同控制[13]。目前我國(guó)關(guān)于報(bào)警體系沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)規(guī)范可以把設(shè)計(jì)容許值的80%作為警告值，設(shè)計(jì)容許值得1/3作為基準(zhǔn)值，將警告值和容許值之間的范圍稱(chēng)為警告范圍[14]。當(dāng)實(shí)測(cè)值落在警告范圍之內(nèi)時(shí)，應(yīng)提出警告，加大監(jiān)測(cè)頻率。

4.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析

蔡厝站基坑各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的布設(shè)及監(jiān)測(cè)要求如表2所示。根據(jù)本車(chē)站基坑的實(shí)際情況，并綜合各方面因素，現(xiàn)選取地表沉降、樁頂水平位移、支撐軸力作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖如圖6所示。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析

5.1 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

本節(jié)選取五個(gè)典型的地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析。如圖7地表沉降累計(jì)曲線(xiàn)圖所示，基坑開(kāi)挖前期地表沉降較緩慢，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，地表沉降速率及沉降值急劇增大，但沉降值和沉降速率均沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)值。基坑開(kāi)挖施工中后期地表沉降值趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地表沉降規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果比較接近，變化規(guī)律吻合。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

圖6 蔡厝站監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

圖7 地表沉降累積曲線(xiàn)圖

5.2 樁頂水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

本節(jié)選取具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，圖8樁頂水平位移累計(jì)曲線(xiàn)圖中位移為正表示位移向基坑內(nèi)方向發(fā)生偏移，位移為負(fù)則表示位移向基坑外方向發(fā)生偏移。

由圖8所示，在基坑開(kāi)挖前期圍護(hù)樁向基坑外方向發(fā)生了較小的偏移。隨著開(kāi)挖深度的不斷增大，圍護(hù)樁逐漸向基坑內(nèi)方向發(fā)生偏移，最終偏移量趨于穩(wěn)定。

實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析表明，樁頂水平位移的變化規(guī)律是相似的，而且其變化累積量也十分接近。

圖8 樁頂水平位移累積曲線(xiàn)圖

5.3 支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。在基坑開(kāi)挖時(shí)軸力值急劇增大到400kN，隨著基坑開(kāi)挖深度的加大，軸力值處于-300～-350kN之間，基坑開(kāi)挖完成后，軸力基本穩(wěn)定。基坑開(kāi)挖完成后，軸力值達(dá)到基本穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果差距很小，變形規(guī)律擬合。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)廈門(mén)地鐵蔡厝站基坑工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

圖9 支撐軸力值變化曲線(xiàn)

（1）由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，基坑周邊地表沉降和樁頂水平位移的累計(jì)值及變化速率均沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)值；支撐軸力值在350kN附近波動(dòng)，沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)值。說(shuō)明蔡厝站基坑采用SMW工法樁+內(nèi)支撐設(shè)計(jì)方案是安全有效的。

（2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果表明在基坑開(kāi)挖之后由于施工擾動(dòng)的原因，軸力值急劇增大，此時(shí)應(yīng)加大監(jiān)測(cè)頻率，保障施工安全。

（3）通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的變化規(guī)律大致相同，總體變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明模型的建立、參數(shù)的選取是合理的，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果能夠體現(xiàn)基坑變形的一般規(guī)律。

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