鄰近密集管線深基坑開挖地層變形分析*

胡 運,周立成,蘇悅琦

(1.北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司,北京 100037; 2.北京北投置業有限公司,北京 100029; 3.北京市市政工程研究院,北京 100037)

0 引言

地鐵車站深基坑周邊一般建(構)筑物密集、管線繁多,環境保護要求很高,呈現出“深、大、近、緊、難”的特點[1]。鄰近密集管線下深基坑的開挖施工難度大,給深基坑支護的設計與施工及周圍環境帶來巨大的風險。

隨著監控量測技術的進步,對基坑工程設計方法和理論的認識逐步提高,基坑工程的設計原則正從強度破壞極限狀態向變形極限狀態控制發展[2]。地下管線變形控制一直以來都是深基坑工程的建設難點,主要的研究方法包括理論分析[3]、現場監測[4]和數值模擬[5]。鄰近密集管線下深基坑支護結構的變形及對周邊環境的影響一般很難通過解析的方法求解,而數值分析及信息化監測的方法為解決這類問題提供了有力的工具。在現場監測方面,隋海波等[6]設計了一套基于BOTDR的新型基坑工程分布式光纖傳感監測系統,可對管線的變形和泄漏進行監測,了解地下管線位移和變形動態。Wu等[7]提出了一種基于無人機圖像的基坑施工安全快速監測方法,通過分析基坑的局部變形來評價其安全狀態。在數值模擬方面,杜金龍等[8]運用FLAC3D有限差軟件研究了不同管徑大小對管線位移及地層變形的影響。趙平等[9]利用MIDAS-GTS研究了基坑開挖過程中,管線材質、管線位置對其自身位移的影響。金祎等[10]運用PLAXIS有限元軟件模擬了基坑開挖對大直徑管線的影響,分析了管線豎向位移與水平位移的差異變化。焦寧等[11]基于數值模擬研究了管線與基坑間距、管線埋深等因素對管線變形的影響規律,結果表明管線豎向位移和水平位移與管線埋深、管線與基坑間距成負相關,與基坑開挖深度成正相關。上述研究內容主要針對單一土層或軟弱土層的小型基坑開挖對鄰近管線的影響進行研究[12],對于復雜地質條件下,地鐵深基坑開挖對鄰近管線的影響研究較為缺乏。同時,現有研究主要調查了基坑開挖過程對既有管線豎向位移的影響,而對管線水平向附加變形的關注較少。本文以北京地鐵17號線與10號線的換乘站太陽宮站深基坑工程為背景,對開挖過程中的地表沉降及管線變形進行現場監測,利用有限元軟件MIDAS/GTS對基坑周邊地表沉降、地下連續墻水平位移和既有管線變形進行分析,以期對北京地區今后的地鐵車站建設提供技術依據。

1 工程概況

太陽宮站為北京地鐵17號線與10號線的換乘站,位于太陽宮中路和太陽宮南街交叉口北側。車站沿太陽宮中路南北向布置,位于太陽宮中路西側輔路及太陽宮地產地塊下方。車站為地下4層雙柱三跨箱形框架結構,16 m島式站臺,總長220 m,中心里程處頂板覆土厚約3.4 m,底板底埋深約為28.63 m,軌面絕對標高13.222 m。車站土體采用明挖法施工,主體基坑小里程下沉段寬38.45 m,深約30.5 m;標準段寬26.1 m,深約28.8 m;大里程下沉段寬30.2 m,深約30.0 m。支護結構安全等級、基坑變形控制等級均為一級。車站主體圍護結構采用1 000 mm厚的地下連續墻,標準幅寬為5 m或6 m,采用工字鋼柔性接頭,C35鋼筋混凝土灌注。地下連續墻標準段嵌固深度為11.0 m,盾構下沉段嵌固深度為12.0 m,墻底均位于粉質黏土層。基坑小里程段和盾構段豎向設置6道鋼支撐+1道換撐,標準段豎向設置5道鋼支撐,如圖1所示。第1道和第2道支撐采用φ800,t=16 mm,Q235B鋼支撐,其余均采用φ800,t=20 mm,Q235B鋼支撐。鋼腰梁采用雙拼I56b,設臨時立柱,臨時立柱采用500 mm×500 mm綴板式格構柱,臨時立柱底部灌注樁采用φ1 000鉆孔灌注樁。

圖1 標準段剖面Fig.1 Profile of standard section

2 工程地質條件及周邊環境

車站擬建場地位于北京市朝陽區,屬平原地貌,地形較為平坦,地面高程為38.500～41.500 m。根據鉆探資料及室內土工試驗結果,本場地地層的物理力學參數如表1所示。太陽宮車站基坑周圍既有地下管線情況復雜,已探明的各類地下管線近10種,其中車站范圍內控制性管線主要有:車站南端東西延伸的3.6 m×4.2 m熱力隧道,管內底埋深約11 m,距離主體基坑最近距離約10.8 m;車站南端東西向φ800雨水管,管內底埋深2.0 m;車站南端東西向φ500燃氣管,管內底埋深2.0 m。

表1 地層物理力學計算參數Table 1 Physical and mechanical calculation parameters of formation

3 監測方案及數據分析

3.1 監測方法及測點布置

本車站基坑開挖深度大,根據GB50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》判定基坑風險等級為一級,監測等級為一級,確定施工監測范圍為2H(H為基坑開挖深度)范圍內均需要進行監測。采用Trimble DINI03型電子精密水準儀(精度±0.3 mm/km),對基坑開挖過程中的周邊地表沉降和管線沉降進行監測,分析深基坑施工對原始地層的影響程度及可能產生失穩的薄弱環節。根據該基坑工程明挖順作法的具體情況,在基坑四周距坑邊10 m范圍內沿坑邊布設沉降觀測點,排距3～8 m,點距20 m。同時對基坑南側沿東西向延伸的熱力隧道、雨水管、燃氣管布設地下管線沉降測點,測點間距依據基坑開挖對其影響程度的不同進行調整,各監測點具體位置如圖2所示。

圖2 基坑監測平面布置及基坑周邊環境Fig.2 Foundation pit monitoring layout and surrounding environment

3.2 現場監測數據分析

考慮到開挖基坑與鄰近管線的相對位置關系,將坑邊地表沉降測點按區域劃分為基坑長邊遠離管線側(BC段)、基坑長邊鄰近管線側(AD段)、基坑短邊側(AB,CD段),在每側選取特征位置處的地表沉降數據進行分析。基坑周邊地層隨施工階段變化的沉降曲線如圖3所示,基坑開挖引起的地表沉降由于受到時空效應和施工荷載的影響,地表沉降曲線并非呈單一變化趨勢,而是呈上下起伏的波動狀態。在BC段選取1,4,9,13測點的數據進行分析,如圖3a所示,隨著開挖深度和開挖時間的增加,基坑長邊遠離管線側的地表沉降隨之增大。與圍護樁相比,地下連續墻的整體性和支護剛度更好,基坑開挖引起的周邊地表沉降較小,最終穩定值在-2.18～-5.71mm。1號測點位于基坑小里程下沉段,此處基坑開挖深度最深,隨著基坑逐步開挖,坑邊測點具有明顯的沉降趨勢,1號測點地表沉降穩定值達到-12.24 mm,為基坑長邊遠離管線側的最大沉降點。

圖3 基坑周邊地表沉降曲線Fig.3 Surface settlement curve around foundation excavation

圖3b為基坑長邊鄰近管線側地表沉降,在AD段選取18,21,25,27測點的數據進行分析。與BC段相比,由于基坑與管線的相互作用,地表變形的沉降趨勢更加明顯,地表沉降的最終穩定值在-2.57～-7.85 mm,其中21號測點位于基坑中部位置,是整個基坑支護剛度的薄弱位置,基坑開挖引起的地表沉降最大,最大沉降值為-11.43 mm。圖3c為基坑短邊側(AB,CD段)地表沉降,在AB段選取15,16,在CD段選取29,30測點的監測數據進行分析。與BC,AD段相比,基坑開挖后短邊側的臨空面較窄,圍護結構所受水平土壓力范圍小于基坑長邊側,基坑支護體系構建完成后,基坑兩側短邊的地表沉降穩定值在-3.28～-6.24 mm。

隨著坑內土體挖出,基坑周邊土體將會產生卸載過程。卸載將會導致基坑圍護結構收斂、下沉;圍護結構周圍土體產生壓力差,從而引起土體由外向中心的水平移動,再帶動地面下沉,引起周邊建筑物及地下管線的沉降。為分析基坑開挖對周圍地層的影響范圍,在基坑長邊遠離管線側(BC段)布置5列測點,提取2-1～2-3,7-1～7-3,10-1～10-3,12-1～12-3的監測結果對比分析,如圖4所示。各測點的地表沉降均隨施工階段呈增大趨勢,2-1～2-3測點位于基坑小里程下沉段與標準段的銜接處,此處的地表沉降值較其他位置更大。測點距基坑越近,開挖引起的地層變形越劇烈,基坑開挖對周邊地層的影響范圍在0～24 m。

圖4 不同坑邊距離的地表沉降Fig.4 Surface subsidence at different excavation edge distances

基坑開挖會引起鄰近密集管線的沉降,圖5為基坑支護結構閉合后,基坑南側熱力隧道、燃氣管、雨水管的沉降穩定值。不同種類的管線均因基坑開挖而產生了不均勻沉降,由于熱力隧道斷面尺寸最大,距離坑邊最近,其產生的管線沉降最大,最大管線沉降位于熱力隧道中部RL-7測點,最大管線值沉降為8.9 mm,與基坑長邊鄰近管線側(AD段)的最大地表沉降位置對應,所有管線的沉降值均小于監控量測的控制指標要求。

圖5 基坑周邊管線沉降值Fig.5 Settlement value of pipeline around foundation excavation

4 有限元計算模擬與分析

4.1 數值模型建立

運用MIDAS/GTS有限元分析軟件模擬分析施工的全過程。因基坑開挖前已經完成降水施工,地下水水位維持在坑底以下1.0 m,故在模擬中不再考慮地下水的影響。模型尺寸為長399 m,寬217 m,高70 m。模型上部取至地表,基坑兩側及底部距模型邊界長度均為3～5倍的基坑開挖深度。運用MIDAS/GTS有限元分析軟件的激活和鈍化功能來實現基坑的開挖和支護的施作。模型上部地表為自由邊界不設約束,下部為豎向位移約束,左右兩側為水平位移約束。土體采用實體單元,地下連續墻及管線襯砌采用板單元,鋼支撐、鋼腰梁、格構柱都采用梁單元模擬。土體本構關系采用修正莫爾庫倫強度準則,地層計算參數如表1所示。地下連續墻、管線襯砌、鋼支撐、鋼腰梁、格構柱采用彈性本構關系,支護結構材料參數如表2所示。建立的三維數值分析模型如圖6所示,該模型共有130 891個節點,211 853個單元。基坑開挖遵循“縱向拉坡、橫向開槽、分段開挖、隨挖隨撐、量測反饋”的原則,全面采用分層開挖,主要施工步驟如表3所示。

表2 支護結構材料參數Table 2 Material parameters of supporting structure

表3 主要施工步驟Table 3 Main construction steps

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

4.2 坑周地層位移模擬分析

坑內土體開挖后,打破了原有的初始應力平衡條件,由于基坑的開挖卸荷作用,地應力進行重分布,坑周地層產生沉降,如圖7所示。隨著基坑開挖深度逐漸增大,產生的沉降越來越大,形成了沿基坑底部斜向上方擴展的沉降槽。地表沉降隨著距坑邊距離的增大而逐漸降低,直至在較遠處為0,而坑底有明顯的隆起。基坑開挖完成后沉降達到最大值,最大沉降位于基坑長邊鄰近管線側(AD段)中部,最大沉降值為-15.23 mm。同時隨著開挖深度的增加,坑內土體的開挖使得坑壁的法向約束消除,坑周土體向坑內的水平位移也逐步增大,由于受到既有管線的影響,基坑長邊鄰近管線側地層的水平向變形程度顯著大于基坑長邊遠離管線側。

圖7 開挖完成后基坑位移云圖Fig.7 Cloud diagram of foundation excavation displacement after excavation

為驗證數值模擬計算的準確性,選取21號測點的監測數據與數值模擬結果進行對比,如圖8所示。數值模擬結果與監測數據變化趨勢相同,結果基本吻合。數值模擬結果與監測數據的最大誤差為13.3%,說明模型的建立和參數的選取是合理的,通過數值模擬計算分析該深基坑工程是合理可行的。

圖8 監測值與計算值對比Fig.8 Comparison of monitored and calculated values

提取基坑各側邊中線處的地表沉降曲線對比分析,如圖9所示。基坑開挖完成后AB,BC,CD,AD段的最大地表沉降分別為-5.01,-11.94,-2.52,-15.17 mm,最大地表沉降位于基坑長邊鄰近管線側,最小地表沉降位于基坑右短邊側。基坑長邊側的沉降范圍整體大于基坑短邊側,長邊側的圍護結構產生懸臂形變形,最大地表沉降位于基坑邊界,而短邊側的圍護結構產生弓形變形,最大地表沉降位于基坑邊界后4.5 m處。基坑長、短邊側的地表沉降影響范圍均在距基坑邊界25.0 m范圍內,與現場監測結果一致。

圖9 基坑各側邊地表沉降曲線Fig.9 Surface settlement curves of each side of foundation excavation

4.3 地下連續墻水平位移模擬分析

為評估基坑不同位置處地下連續墻的支護效能,提取基坑長邊遠離管線側(BC段)、基坑長邊鄰近管線側(AD段)、基坑短邊側(AB,CD段)中線處墻體水平位移曲線對比分析。由監測數據可知基坑長邊鄰近管線側中部是整個基坑支護剛度的薄弱位置,基坑開挖引起的地表沉降最大,提取不同施工階段下此處墻體水平位移進行分析,如圖10a所示。由于地下連續墻自身的剛度較大,首道內支撐及第2道內支撐架設后,墻體并未產生顯著的水平位移。當基坑開挖至-14 m時,墻體最大水平位移約6.58 mm,發生部位位于樁頂;當基坑開挖至-20 m,即開挖深度約為整體深度的2/3時,墻體水平位移趨于收斂;由于4～6道內支撐的支護作用,墻體埋深約-20 m以下的水平位移較小,開挖至基坑底部時,墻體最大水平位移約15.17 mm。

圖10 地下連續墻水平位移對比Fig.10 Horizontal displacement contrast of underground diaphragm wall

如圖10b所示,開挖完成后,基坑不同位置處地下連續墻的水平位移曲線區別較大。基坑長邊遠離管線側的最大水平位移為11.63 mm,由于既有管線與基坑的相互作用,基坑長邊鄰近管線側的最大水平位移為15.17 mm,較遠離管線側增大30.4%;基坑短邊側地下連續墻的水平變形程度均小于基坑長邊側,由于基坑左短邊側屬車站小里程下沉段,其開挖深度更大,產生的墻體水平位移較基坑右短邊側增大46.4%。

4.4 既有管線變形分析

基坑開挖完成后,支護結構及各地下管線的變形如圖11所示。深基坑開挖會對周圍土體產生擾動,而鄰近基坑的地下管線也會因開挖存在的時空效應形成管線位移,提取開挖完成后各地下管線的變形曲線,如圖12所示。鄰近管線不僅產生水平方向的位移,基坑開挖同樣會引起管線的豎向位移,其豎向位移范圍較水平位移更大;不同種類管線的位移分布存在明顯的空間效應,各管線都呈現出在基坑中心處位移大而兩端位移小的特點。這是因為地下管線受到基坑開挖的影響,開挖卸荷改變了坑周土體的位移場,而基坑兩端的管線受到土體的約束作用,并沒有產生明顯的位移。熱力隧道的斷面尺寸最大,且與基坑的間距最近,其受基坑開挖的影響最大,開挖完成后,熱力隧道的最大豎向位移為-4.57 mm,最大水平位移為1.96 mm,均在規范要求范圍內。

圖11 開挖完成后支護結構及管線變形云圖Fig.11 Deformation cloud map of supporting structure and pipeline after excavation

圖12 開挖完成后地下管線變形曲線Fig.12 Deformation curve of underground pipeline after excavation

5 結語

1)熱力隧道的斷面尺寸最大,距離坑邊最近,其產生的管線沉降最大。最大管線沉降位于熱力隧道中部,與基坑長邊鄰近管線側的最大地表沉降位置對應。所有管線的沉降值均小于監控量測控制指標。

2)通過數值模擬分析基坑支護剛度的薄弱位置可知,當開挖深度約為整體深度的2/3時,地下連續墻的水平位移趨于收斂;由于4～6道內支撐的支護作用,墻體埋深約-20 m以下的水平位移較小。

3)鄰近基坑管線的豎向位移范圍較水平位移更大,開挖卸荷改變了坑周土體的位移場,管線的位移分布存在明顯的空間效應,呈現出在基坑中心處位移大而兩端位移小的特點。