土巖深基坑開挖誘發周邊地表沉降規律研究

倪向陽

(青島市地鐵四號線有限公司 青島市 266000)

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設的快速發展,基坑在城市交通網絡中發揮的作用越來越重要[1]。而基坑工程所處周邊環境日益復雜,由于開挖卸荷作用,使得坑內巖土體的原始應力發生破壞,引起基坑周圍地表產生沉降,威脅了周邊建筑物與道路的安全,因此對于基坑工程的防災減災,重點關注深基坑開挖引發的周圍土體變形規律具有重大價值[2-4]。

關于基坑施工過程中周邊地面豎向變形,國內外學者進行了大量研究。Goldberg等[5]通過分析總結不同基坑的實測資料,得到不同地質條件下最大地表豎向位移,砂土中地表豎向變形最大值為2.5%H(H為基坑開挖深度),而黏土中僅為0.5%H。Clough[6]結合多個基坑工程的現場數據,分析發現砂土地層中周邊地表豎向變形呈“三角形”分布,影響范圍約為3H,而軟土中以“梯形”分布出現,沉降最大值位置距基坑邊緣0.75H。Attwel等[7]依據基坑工程實測結果,分析了開挖過程對周邊地表沉降以及建筑物的影響,并發現地表豎向位移受地層特性、基坑規模、開挖方式等諸多因素的影響。Ou等[8]通過分析大量的工程案例,發現基坑施工下的沉降模式分為兩種,分別是三角形和凹槽型。而在三角形模式中支護結構后方土體的沉降量最大,與之不同,在凹槽型模式中離基坑邊緣一定距離處出現最大沉降。Leung等[9]充分利用現場監測數據,研究了基坑開挖下支護結構的側向變形以及地表豎向位移特征,并通過豎向變形規律曲線分析了施工的影響范圍。聶宗泉等[10]對南京地區柔性圍護結構下軟土深基坑周圍地表豎向變形特性進行了研究,并給出相應的地表豎向變形表達公式,在實際工程中得到較好的應用。楊敏等[11]通過對比上海地區眾多深基坑的實測值,發現絕大多數基坑開挖過程中周邊豎向變形呈凹槽型。王衛東等[12]運用統計學方法分析了上海地區多個深基坑現場數據,地表最大豎向位移發生在0.1%～0.8%H范圍內,并通過地表沉降最大值估算地面傾斜程度。李淑等[13]通過對北京地區多個明挖地鐵車站數據整理分析,發現開挖結束后,地表豎向位移呈“凹槽形”分布,沉降最大值與插入比成反比。謝錫榮等[14]根據金華地區某土巖復合基坑監測結果,分析得到地表最大豎向位移平均值為0.035%H,基坑影響范圍約為1.5H。Chen等[15]結合深圳地區某土巖超大基坑的實測數據,分析地面豎向位移、支護結構及周邊建筑物的變形特性,得到地面沉降的豎向影響范圍發生在剛性粘土層以上,最大豎向位移發生在約0.2H處。目前,地表沉降研究主要集中于土質基坑,對于巖質地層為主的基坑地表沉降特征并未重點研究。

文章以青島地區某地鐵車站深基坑為背景,運用Midas有限元軟件對基坑的實際施工過程進行動態模擬,并結合現場監測數據研究分析開挖過程中深基坑周邊地表沉降變形規律,為該地區類似的深基坑工程施工提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

青島鞍山路站為地鐵4號線與8號線的換乘站,地下四層結構。緊鄰兩條主干道,南側是鞍山路,東西走向,路寬約45m,路中為杭鞍高架橋;東側是山東路,南北走向,路寬約32m,路中為山東路高架橋。大路小學緊接車站北側,西側為青島十六中,西北側是磚混結構居民樓,如圖1所示。基坑開挖深度大,內部結構復雜。考慮到深基坑工程具有明顯的區域特性,根據深基坑工程實踐,巖體內部力學環境復雜,存在較大的離散性。巖體開挖后,應力集中與應力重新分布也存在較大的不確定性。

圖1 基坑施工現場

場區內地貌特征主要為剝蝕地貌,由南向北緩緩傾斜。基坑上部地層為人工素填土,下部為巖性較好的花崗巖。局部區域有煌斑巖等淺成相巖貫穿其間,與花崗巖結合成混合巖體。節理發育程度隨著區域的變化相差較大,受斷裂帶控制,一般在斷裂帶附近節理更加集中。在場區內,花崗巖中的節理一般是每米5到10條,而煌斑巖中的節理較多,一般是每米10到15條。場區內的地下水較豐富,主要以兩種形式呈現,分別是孔隙潛水和基巖裂隙水。地下水間相互聯系,主要依賴大氣降水和孔隙水補充水源。

1.2 圍護結構設計方案

綜合考慮場區周邊環境、地質條件、基坑開挖規模、地下水等情況,基坑采用明挖順筑法施工,圍護單元為微型鋼管樁+錨索/錨桿的支護形式。基坑使用三級微型鋼管樁+錨索/錨桿的支護結構,鋼管樁嵌入巖體的深度為1.5m,相鄰兩級鋼管樁間的錯臺寬度為1m。基坑上部土層的支護為雙排微型鋼管樁+預應力錨索,下部巖層支護為單排微型鋼管樁+錨桿,鋼管樁外徑為168mm,厚度為8mm,樁間距為1m。錨索/錨桿水平間距為2m,豎向間距根據實際開挖情況進行調整,并采用工型鋼將錨桿/錨索成排連接。最后,在開挖面上噴射100mm厚的C20混凝土。支護單元分布如圖2所示。

圖2 支護單元分布示意圖

2 數值模擬

由于鞍山路基坑開挖工作量大,施工周期長,現場監測點及監測數據眾多,針對研究目的,選取鞍山路8號線東北側M單元作為研究對象。單元M的支護形式及附近監測點布置如圖3所示,由圖3可知,該支護單元地面標高為27.7m,而標高14.72m以下為微風化花崗巖,錨索采用4Φ15.2mm的鋼筋,錨桿采用2Φ28mm的鋼筋,M單元周圍地表沉降監測點為DBC30-01和DBC30-02。運用Midas GTS NX數值軟件進行M單元的模擬,較為真實地反映基坑的實際開挖過程。

圖3 支護單元M

2.1 模型建立

充分考慮復雜的周圍環境,為了便于分析,對模型進行幾點簡化:假定基坑內外為均質地層,呈水平分布;由于圍護結構為微型鋼管樁+錨桿/錨索支護,鋼管樁數目較多,為了提高模型的運算速度,將微型鋼管樁根據等效剛度法簡化成地下連續墻,簡化后墻體厚度為0.14m,使用錨建模助手對錨索及其施加預應力進行添加,如圖4所示。

圖4 M單元圍護結構圖

根據以往大量基坑開挖數值分析的經驗,深基坑的豎向影響范圍約為開挖深度的1～2倍,距離基坑開挖面水平方向上影響范圍約為開挖深度的3～5倍。文中基坑的模擬開挖深度為37m,最終選用的模型尺寸為140m×130m×80m。為了滿足求解精度和計算速度的要求,模型共產生42884個單元,297944個節點。

2.2 材料參數

由于巖土體材料結構復雜,且性質多樣,為了真實地反映基坑開挖過程中巖土體的應力應變變化特性,數值分析中巖土體選取摩爾-庫倫本構模型。模擬中巖土體的參數如表1所示。

表1 巖土體力學參數表

數值計算中,除巖土體材料外,剩余的材料選取彈性本構模型。各材料的具體參數如表2所示。

表2 結構材料參數表

2.3 邊界條件

在基坑模型創建并劃分完成之后,需要在模型的邊界設置一定的條件。在x軸方向和y軸方向上創建水平向的固定約束,在z軸方向的底部建立豎直方向的定向約束。定義自重荷載為z軸方向,荷載系數為-1。數值模型創建完成,如圖5所示。

圖5 數值計算模型

2.4 施工步驟

基坑開挖根據實際工況先撐后挖,按照現場開挖順序,數值模擬將基坑內部巖土體劃分成17層開挖,前11層每次開挖2m,最后6層每次開挖2.5m,每次開挖完成設置一道錨桿/錨索,將基坑開挖過程劃分成21個施工階段,并通過軟件“激活”和“鈍化”的功能進行基坑的施工。

3 基坑周圍地表沉降分析

由于基坑的開挖卸荷作用,基坑初始應力平衡發生破壞,從而引發地表沉降。根據數值模擬計算結果,對微型鋼管樁錨桿/索支護結構的土巖深基坑進行地表豎向變形特征分析。

3.1 數值計算結果與監測結果對比

將鞍山路8號線東側監測點DBC30-01和DBC30-02不同施工階段下現場實測數據與模擬結果進行對比,如圖6所示。

圖6 M單元沉降監測值與計算值對比

對比監測值和計算值可以得到,隨著基坑開挖深度的不斷增加,周邊地面豎向變形逐漸變大,但變形均在施工的允許范圍內。開挖初期,地表豎向位移變化速率最大,并且大部分累計沉降發生在基坑施工前期,即第一級微型鋼管樁支護下的基坑開挖階段。在M單元開挖過程中,監測點DBC30-01和DBC30-02實測曲線和對應位置處的計算曲線存在一定差別,但整體變化趨勢一致。這種差異屬于合理容許范圍,說明模型模擬得到的結果具有較好的參考性。模擬結果與現場實測數據產生差別的原因是現場施工環境復雜,無法對其進行模擬,且建模過程中未充分考慮周邊車輛荷載及地下水等情況。

3.2 地表沉降規律

隨著基坑施工進程的不斷推進,坑內巖土體鈍化卸荷,圍護結構周圍巖土體應力重新分布并向坑內發生變形,從而使基坑周邊地面產生沉降。M單元周圍地表豎向位移變化云圖如圖7所示。

圖7 基坑開挖地表豎向位移云圖

圖7云圖展現了基坑開挖模擬過程中周圍地面豎向變形情況。基坑開挖初期,基坑周邊的豎向位移比較小,坑內土體產生一定程度的隆起。隨著M單元開挖到第一級微型鋼管樁底部,開挖深度為10m,基坑周圍地面產生沉降槽,最大豎向位移約處在離基坑邊緣5m處,其值為5.77mm。此時,巖性較差的素填土和強風化花崗巖已被挖除。當開挖至第二級微型鋼管樁底部時,開挖深度到20m,最大沉降量距離M單元邊緣4m處,沉降值達到5.63mm。由于基坑底部為巖性較好的微風化花崗巖,故開挖結束時,最大沉降達到6.19mm,位于基坑邊緣4m處,約為0.1H(H為基坑的開挖深度)。

以M單元邊緣處為坐標原點,提取基坑開挖至不同深度處周邊地面豎向位移,如圖8所示。從圖8中可以看到基坑地表豎向變形曲線光滑性較差,存在兩個極值,以不規則的偏態分布形式呈現。施工期間,基坑附近出現一定的隆起,可能是因為施作預應力錨索,預應力錨索注漿后,會增大錨固體與周圍巖土體的摩擦力,在錨索注漿和養護完成后,對錨索進行張拉預應力處理,由于微型鋼管樁和錨索共同作用,擠壓基坑附近土體,導致地表向上產生隆起。隨著基坑開挖深度增加,地表豎向位移也逐漸增大,但從施工到第一級微型鋼管樁底部到開挖結束,地面豎向變形曲線大體一致,說明巖性較好巖層的開挖對地表沉降影響小。基坑開挖過程中,最大地表豎向位移出現在離開挖面一定距離位置處。

圖8 地表豎向位移曲線

4 結論

以青島地鐵8號線鞍山路基坑工程為研究對象,通過有限元軟件,對青島地區復合地層深基坑開挖進行數值模擬,并結合現場監測數據分析總結了以巖層為主基坑的地表豎向位移變化規律。

(1)隨著基坑不斷向下開挖,周邊地表豎向變形逐漸變大,最大豎向變形量為13.39mm,未超過控制值25mm。

(2)地表豎向位移在基坑開挖初期變化速率最大,且大部分累積沉降發生在素填土和強風化花崗巖中,而在巖性較好的中風化花崗巖和微風化花崗巖中豎向位移趨于平穩。

(3)基坑施工過程中,地表豎向位移最大值出現在離基坑開挖面一定距離位置處。