近接高鐵橋樁的深基坑不同開挖方案對比

楊 波,肖凱成,王長健

(1.常州工程職業技術學院,江蘇 常州 213164 ;2.中國鐵路上海局南京南站工程建設指揮部,江蘇 南京 210012)

深基坑工程對近接樁基的影響是相對復雜的三維過程,主要包括基坑開挖過程對周圍土體沉降變形、對圍護結構變形的影響、對樁基變形的影響、基坑開挖過程控制和監測等。劉國彬等[1]結合在建地鐵車站基坑開挖現場檢測數據,對比分析了不同工況下坑底土體暴露時間所對應的圍護結構變形規律。李小青等[2]總結了基坑開挖理論中周圍土體豎向變形的計算方法,利用指數曲線對基坑周圍地表沉降變形數據進行擬合,構建了坑外土體沉降變形的計算方法。徐中華等[3]利用統計學原理,綜合分析了上海地區93例采用地連墻作為圍護結構的深全過程變形監測資料。馮虎等[4]通過建立深基坑工程數據庫,收集整理了上海地區58例19m以上深度的基坑開挖變形數據,得到了上海地區超深基坑圍護墻體的一般變形規律和變形控制要點。俞建霖等[5]針對狹長型基坑的特點,提出了基坑坑底抗隆起穩定分析方法,對比了常用的4種坑底抗隆起穩定分析方法,結合2個實際工程進行了相關算例分析,提出了考慮基坑寬度影響的坑底抗隆起穩定計算方法。江杰等[6]在基坑支護結構優化過程中引入冗余度理論,對基坑支護結構進行優化。龔倫等[7]采用大型有限元軟件ANSYS建模計算,分析了樁基近接隧道施工過程,得到橋梁樁基與既有隧道影響范圍按照影響大小劃分為強影響區約、弱影響區、無影響區。于素慧等[8]通過對明挖法施工現場監測數據的分析,研究地下工程施工對土體沉降和鄰接既有構筑物沉降等的影響;樊飛、夏鵬等[9-10]結合工程實例,開展了基坑監測與分析預警研究。這些研究對認識深基坑變形與控制有指導作用,但是,揚州南站深基坑工程近接橋樁承臺具有基坑深大、富水、近接等其工程特點,需要開展針對性的研究工作。

本文依托新建連云港至鎮江鐵路揚州南站市政配套工程,著重研究長江漫灘軟土地質條件下地鐵深基坑施工過程中的基坑支護及變形控制。通過數值模擬分析,對比兩種不同施工方案的基坑圍護結構變形及坑外土體沉降,為工程施工總體方案的制定以及合理基坑開挖技術措施的確定提供依據,并進行施工監測與驗證。

1 工程概況

揚州地鐵1號線下穿連鎮鐵路揚州南站地鐵深基坑工程,為富水軟土地區近接開挖、深大基坑工程,安全等級為一級。該基坑區間自西向東垂直穿越連鎮鐵路股道、揚州南站站中心南側第四跨橋跨間?；涌傞L127 m、寬25 m,最大開挖深度約24 m,分三節段施工:中間節段和左右兩側基坑節段,中間節段長度為62 m,兩側節段長各33 m,見圖1。其主體結構采用雙層三跨的矩形斷面暗埋結構形式,基坑工程采用明挖法施工,基坑圍護結構采用地下連續墻(厚1 m)加內支撐圍護形式。左右兩側基坑的內支撐結構豎向共五道(詳見圖2(a))。中間基坑的內支撐結構豎向共六道(詳見圖2(b))。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Schematic plan of foundation pit

(b)圖2 基坑支撐立面圖Fig.2 Elevation of foundation pit support

本基坑工程位于長江下游灘涂地區,西面約300 m處有一長江支流、為擬建廠區地下水補給源之一。場區周邊100 m范圍內不存在地表水。地下水類型為第四系孔隙水潛水,百年洪水位為7.32 m。土體大部分由粉土、砂性土組成,透水性較強,地質構造較為簡單。該工程地連墻與擬建高鐵橋樁的凈距僅為0.7 m,周圍土體強度較低,其地連墻與地鐵主體結構外墻采用疊合墻形式,故對圍護結構地連墻的垂直度及變形要求極高。土體參數如表1所示。

表1 土體參數表Tab.1 Parameter table of soils

2 施工方案的數值模擬分析

為控制基坑圍護結構地連墻的變形,根據工程建設實際,考慮兩種施工方案:一是先施工中間基坑,后再施工高鐵橋樁承臺,然后施工兩側基坑的施工方案(下面簡稱方案1);二是將基坑整體開挖施工完成后再進行高鐵橋樁施工(下面簡稱方案2)。

本文采用MIDAS GTS有限元分析軟件對這兩種施工方案進行模擬計算及效果分析。

2.1 計算假定

通過理論分析得知,長江漫灘軟土深基坑工程中,影響開挖過程中支護結構和土體變形的因素較多,實際施工過程的各種條件也較為復雜。為便于分析,需要對建模條件的考慮因素預先予以規定,以便確定主要影響因素,在確?？尚行缘幕A上建立較為貼合實際的模型。因此,作出以下假設:

(1)采用彈塑性模型進行模擬土體,采用線性彈性模型模擬地連墻支護結構。

(2)對基坑開挖過程的兩個關鍵過程和結果進行數值模擬分析:一是基坑支護結構變形及基坑周邊土體變形過程,二是基坑開挖對臨近高鐵橋樁施工影響的過程。

2.2 參數及模型選擇

模型尺寸100 m×250 m×100 m,其中采用四面體網格形式,網格控制參數為基坑內部3 m、外部為6 m。整個模型劃分為55 421個節點,119 909個單元。土體結構選擇修正摩爾庫倫模型,地連墻及支護結構選擇彈性體模型,模型見圖3。

圖3 數值計算模型圖Fig.3 Numerical model

2.3 兩種方案的對比分析

開挖方案1和開挖方案2的前期是一致的,均為中間基坑開挖,區別在于后期高鐵橋樁和左右基坑的前后順序:方案1是先施工高鐵橋樁承臺,后施工左右基坑;方案2是先施工左右基坑,后施工高鐵橋樁承臺。下面從圍護結構變形、土體變形、高鐵橋樁承臺變形三個方面進行對比分析。

2.3.1 圍護結構變形的對比分析

因左基坑相對較深,對比左右基坑開挖期間圍護結構變形時選取左基坑冠梁上一點分別對比方案1、2中不同工序下X、Y、Z軸方向的變形(如圖4)?？梢缘弥?左基坑冠梁在TY和TZ方向上的變形較大,說明該方向為主要變形控制方向。由圖可知,在主要變形控制方向上,方案1的變形均小于方案2。

工況(a) TX方向變形圖

工況(b) TY方向變形圖

工況(c) TZ方向變形圖圖4 圍護結構變形對比圖Fig.4 Deformation comparison diagram of retaining system

2.3.2 土體變形的對比分析

(1)基坑外土體變形

對左右基坑在方案1、2施工期間坑外土體沉降變形,選取沉降值最大的工況進行對比(如圖5)。對比得知,方案1地面土體沉降數值要小于方案2、但相差較小。

距離/m(a) 左基坑

距離/m(b) 右基坑圖5 左右基坑方案1、2土體最大沉降對比Fig.5 Comparison about maximum settlement of soil mass between left with right foundation schemes I and Ⅱ

對比左右基坑開挖過程坑內土體的最大變形,方案1最大變形分別是左基坑-6.12 mm、右基坑-1.44 mm;方案2最大變形分別是左基坑-3.18 mm、右基坑0.69 mm。方案2的基坑坑底土體隆起較小。

2.3.3 高鐵橋樁承臺變形的對比

方案1、2在施工期間高鐵橋樁承臺最大變形如表2。

表2 高鐵橋樁承臺最大變形對比表Tab.2 Comparison about maximum deformation of High speed railway bridge piles cap

對比最大變形模擬結果表得知,方案1、2下的橋樁承臺變形差別不大,方案2沉降變形控制較好。

2.3.4 對比結論

根據兩種不同開挖方案模擬結果的綜合分析,從基坑圍護結構變形及地面沉降、施工期間降水和氣象原因、施工過程安全風險控制難度等方面進行考慮,建議采用方案2進行施工。

3 施工監測與分析

為了確保揚州南站地鐵深基坑開挖的順利進行,動態監控和評估施工安全風險和地連墻結構變形、制定詳細基坑監控并實施尤其重要,須通過監測及時預測分析支護結構、內支撐體系、地表及建筑物動態變化,及時調整施工進度和調整控制措施,確保施工安全有序可控。

下面選取典型監測結果,與計算結果進行對比分析。

3.1 圍護結構變形對比

在對基坑測斜數據進行統計時發現,在中間基坑第三階段開挖時臨近橋樁側出現了變形最大值1.6 mm。為了對比,選取計算模型上對應時間和位置的地連墻變形數據進行分析,對比結果如圖6所示。

如圖5所示,在基坑開挖20 m之前,實測數據基本接近計算數據變化,說明計算具備相應的代表性;20 m之后計算值與實測值出現分布偏移,可能由于模型建立時為了降低運算量沒有考慮墻體與土體的接觸作用。

深度/m圖6 中間基坑地連墻計算值與實測值對比Fig.6 Comparison between calculated value and measured value on diaphragm wall of middle foundation

3.2 沉降變形對比

選取沿高鐵橋樁X軸、Y軸方向距離2、10、18、26 m左右基坑開挖結束時基坑變形值和理論計算值進行對比。沉降值如表3,變形對比如圖7。計算值分布規律基本能夠符合實際沉降值,但實測值比計算值略大,說明實際開挖過程沉降變形控制受多方面影響,但變化規律仍然符合基坑開挖對地面影響計算的規律。

表3 計算值和實測值對比表Tab.3 Comparison of calculated value and measured value

距離/m(a) 基坑Y軸方向 距離/m(b) 基坑X軸方向

4 結論

本文依托揚州南站地鐵深基坑工程,通過數值建模和有限元分析工程開工過程,對比了兩種不同施工方案,綜合考慮施工條件和安全質量風險后選擇先施工基坑后施工高鐵橋樁的順序。對施工過程中的監控量測,并與計算值進行了對比研究,得出以下結論。

1)根據兩種不同開挖方案模擬結果的綜合分析,從基坑圍護結構變形及地面沉降、施工期間降水和氣象原因、施工過程安全風險控制難度等方面進行考慮,建議采用方案2進行施工。

2)地下連續墻位移監測的累計變形位于中間基坑Y側最左邊緣處,變形最大值為1.6 mm,變形相對較小,均未超預警值;周邊地表沉降監測累計變形最大點X方向臨近基坑位置、為-38.7 mm,Y方向為距離基坑約18 m位置附近、為-28.9 mm,監測點變形相對較大但均未超預警值。

3)通過對比數值計算值和實測值發現,圍護結構變形和地面沉降的變形計算值基本符合實測值,說明模型計算是有效的?；娱_挖施工和降水作業對圍護結構變形和周圍土體沉降的影響均未超過預警值,基坑開挖過程均處于可控范圍內,地連墻圍護結構的變形較小,為后續高鐵橋樁施工提供了條件。

4)基坑水平支撐結構對保證基坑開挖及坑內外土體變形極其重要。根據模型模擬結果,地連墻變形最大值出現在地連墻上部。因此,第一、二道內部支撐結構的強度要保證,要加強支撐軸力監測頻次,施工期間要做好支撐結構狀態保護。

5)因高鐵橋樁設計位置緊鄰中間基坑,為確保在高鐵橋樁施工期間橋樁、承臺、基坑的相對位移保持穩定,建議中間基坑第一道支撐結構于高鐵橋樁施工完成后進行拆除。