水利工程中節制閘基坑支護及開挖土體變形特征研究

朱宇琦,王正飛

(1.昆山市水事綜合管理中心,江蘇 昆山 215300;2 常熟市水利工程建設管理處,江蘇 常熟 215500)

1 概 述

在工程建設過程中,經常需要對原始地面進行開挖,從而形成深度較大的基坑。 深基坑是常見的危大工程,對周邊環境和施工作業人員的安全影響較大。 影響基坑工程安全的因素眾多,包括水文特征、地質條件、支護方案、施工方法等[1-2]。 河道長期遭受河水的侵蝕、沖刷、堆積作用,水文、地質條件較為復雜,巖±體強度較低,受地下水影響較為顯著,針對臨河項目基坑開挖安全是深基坑工程研究中的難點[3-4]。

目前,數值模擬方法是深基坑工程研究中的常用方法。 王帥[5]采用數值模擬方法,建立分析模型,研究了地下水對基坑開挖的影響,認為控制地下水位對基坑安全影響較大。 呂晶晶等[6]采用數值模擬方法,分析了基坑開挖過程中基坑周邊巖±體的變化特征,計算結果對工程實施有較強的指導意義。

因此,本文通過建立數值模擬模型,準確分析深基坑工程的開挖變形情況,為工程設計、施工等提供參考。

2 基坑支護方案

根據原設計方案,橫河節制閘北側上下游翼墻采用C30 灌注樁φ80cm@ 100cm、L=15m 及D60cm@100cm、L=10m 的高壓旋噴樁進行支護;下游側樁頂高程4.8m,支護長度21m;上游側樁頂高程4.5m,支護長度28m。 灌注樁中心線距離廠房邊2.5m。

由于節制閘北側老廠房未進行拆除,考慮到廠房的穩定性及施工安全,進行了設計變更。 即在上下游消力池及閘室段,增加一排C30 灌注樁φ80cm@ 100cm、L=15m 及D60cm@ 100cm、L=10m 的高壓旋噴樁進行支護,樁頂高程3.5m,支護長度35m。 上下游翼墻兩側新增一排C30 灌注樁φ80cm@100cm、L=15m 及D60cm@100cm、L=10m 的高壓旋噴樁進行支護,支護長度下游新增14m、上游新增12m。 灌注樁中心線距離廠房邊2.5m。 支護樁施工前,首先進行上下游圍堰的筑設,根據設計圖紙要求,內外河側圍堰頂高程4.6m,頂寬3m;在圍堰基坑側設高程2.5m、寬度2m 的平臺,圍堰邊坡按1：1.5 進行填筑壓實;迎水側設高程2.0m、寬度1m 的平臺,圍堰邊坡1：1進行填筑壓實。

3 基坑變形數值模擬計算參數

為了準確分析開挖過程中橫河節制閘±層的變形情況,根據地質勘察成果,建立最不利斷面的數值分析模型。 ±質分布為：①1 河底淤泥,厚度0.9m,高程+1.0～+0.1m;②1 粉質黏±,厚度1.3m,高程+0.1～-1.2m;③1 含黏性±粉砂,厚度4.8m,高程-1.2～-6.0m;③2-2 粉砂,厚度6.6m,高程-6. 0～-12. 6m;④1 粉質黏±,厚度5.9m,高程-12.6～-18.5m;④2 粉質黏±,厚度3.3m,高程-18.5～-21.8m。

通過模擬基坑分層開挖施工過程,分析不同開挖深度條件下基坑的變形情況。 根據施工方案,建筑物最深開挖面處于閘室段底板部位,底板底面高程-1. 0m,本工程基坑開挖深度約為4.5m,分層開挖深度設置為1.125、1.125、1.125、1.125m。 見表1、圖1。

表1 數值模擬計算參數

4 基坑分層開挖變形特征分析

為了建模簡便,廠房以荷載的形式施加于基坑周邊,基坑分層開挖變形云圖見圖2。 根據圖2可知,隨著基坑開挖深度的增大,橫河節制閘基坑的變形量不斷增大。 當基坑開挖1.125m 深度時,基坑側壁的最大變形量約為4.5mm;坑底區域發生回彈變形,變形量約為0.35mm。 當開挖深度達到2.250m 時,基坑側壁的最大變形量超過8.5mm,與上一層相比,變形增量為4mm;坑底回彈變形量約為0. 78mm,回彈變形增量為0.43mm。 當基坑開挖深度達到3.375m 時,基坑側壁最大變形量約為13.8mm,與上一層相比,變形增量為5.3mm;坑底回彈變形量約為1.54mm,回彈變形增量為0.76mm。 當基坑開挖深度達到4.500m 時,基坑側壁最大變形量約為23. 0mm,與上一層相比,變形增量為9.2mm;坑底回彈變形量約為2.49mm, 回彈變形增量為0.95mm。

圖2 基坑開挖變形云圖

根據變形云圖可知,基坑側壁的變形距離坑邊越遠,變形量越小;坑底回彈變形量隨著與坑邊距離的增大而增大。 側壁變形受基坑開挖影響較大的范圍主要集中在基坑開挖深度1 倍范圍內,在施工過程中,需要在廠房擋墻處設置監測點,同時加強人工巡查,實時監測既有廠房的變形情況,一旦發生較大的變形,及時采取回填等措施,以保證既有廠房安全[7]。

根據變形監測數據,繪制開挖深度與基坑側壁、回彈變形量關系曲線,見圖3。 由圖3 可知,隨著開挖深度的增大,側壁變形量和回彈變形量的增速均有顯著的增大。 根據數據擬合結果可知,回彈變形量、側壁變形量與基坑開挖深度之間存在較為顯著的指數關系。 其中,側壁變形量與基坑開挖深度的關系曲線為y=2. 7356e0.5379x(R2=0.9983),基坑回彈變形量與基坑開挖深度的關系曲線為y=0. 1959e0.6567x(R2=0. 9846)。在基坑施工過程中,需要嚴格控制基坑開挖速率,避免基坑側壁和坑底出現較大的變形速率。當變形速率過大時,需要降低施工速度,保持基坑變形穩定,避免出現基坑變形破壞[8]。

圖3 開挖深度與基坑側壁、回彈變形量關系

5 結 論

1)由于橫河節制閘基坑周邊存在廠房等重要建筑,基坑開挖深度大,場地狹窄,導致基坑不具備放坡開挖條件,綜合考慮采用支護樁進行支護。

2)根據數值模擬計算結果可知,隨著基坑開挖深度的增大,基坑側壁變形量、坑底回彈量均有所增大。 基坑側壁、坑底回填變形量的變化速率隨著開挖深度的增大而增大。 側壁變形量與基坑開挖深度滿足y=2.7356e0.5379x(R2=0.9983),基坑回彈變形量與基坑開挖深度滿足y=0.1959e0.6567x(R2=0.9846)。

3)基坑周邊±體變形主要集中在1 倍基坑深度范圍內,距離基坑越遠,變形量越小;坑底回彈量距離基坑中心位置越近,變形量越大。

4)根據數值分析結果,在施工過程中需要做好分層開挖,控制開挖速率,避免出現較大的變形速率,從而影響到基坑的整體穩定性。 由于基坑與既有廠房距離較近,在施工過程中需要做好監測預警工作。