地鐵站深基坑樁撐支護開挖變形

劉性鋒, 劉禹, 李輝, 吳燕開, 王粱, 魏方永, 趙虎, 任相利

(1.山東省路橋集團有限公司, 濟南 250014; 2. 山東大學土建與水利學院, 濟南 250100;3. 山東科技大學土木工程與建筑學院, 青島 266590)

21世紀以來,中國城市化進程的勢頭發展迅猛,高樓大廈建設速度加快,人口增長速度更是迅猛,逐漸造成了土地資源緊張。近年來,中國大力發展地下空間的建設,北京、天津、上海、廣州、武漢、青島、南京等大城市正在完善自己的地鐵網,部分二三線城市也已經批準了地鐵的建設。地鐵的建設過程中少不了地鐵車站的建設,而且車站的建設逐漸在往深、大的方向發展,在建筑密集的城市中,場地受到限制,建設難度大,國內外學者針對基坑開挖也做了大量研究,楊小康等[1]、鄭剛[2]、胡敏云等[3]、朱彥鵬等[4]利用數值模擬與現場實測地表沉降、管線沉降及建筑沉降等監測數據進行對比分析,明確了圍護結構受鄰近基坑開挖施工影響受力變形的發展特征;董利虎等[5]通過對基坑內支護樁頂、內支撐格構柱及坑外地面進行監測,探究基坑支護樁、坑外土體及基坑變形的協調性;周鵬等[6]通過分析不同地質條件和開挖深度的基坑對周邊道路沉降影響的監測實例,總結了基坑周邊道路在整個施工期內的時空特征;張楠[7]結合工程監測數據進行分析研究,闡述了深基坑開挖對周圍環境的變形影響。濟南更是以泉城著名,地鐵車站的建設面臨的問題更多[8-10]。楊汝賢等[11]針對富水圓礫地層結構,利用現場監測與數值模擬相結合的方法,研究了甘肅省的某基坑工程采用排樁-旋噴樁局部止水帷幕對基坑變形的影響;朱彥鵬等[12]采用MIDAS GTS有限元軟件,對蘭州東方紅地鐵車站的紅砂巖地層基坑工程進行模擬,并進行了現場沉降的監測;慕煥東等[13]采用模型試驗的方法,以洛陽火車站地鐵車站基坑開挖為依托,研究了基坑支護結構樁體的位移變化,并考慮了不同的樁間距的影響;劉曉玉等[14]針對廣東省佛山市的一個基坑工程,通過有限元的手段,對地表沉降、樁體的位移和斜撐的軸力變化進行了分析,并與現場的監測結果進行了對比;陳江等[15]對軟土地區的某內支撐深基坑工程進行研究,通過PLAXIS軟件對比分析了原方案以及優化后的方案,結果表明,優化后的方案對于基坑變形控制更好。

現以濟南地鐵4號線一期工程四標段邢村站基坑工程為例,采用ABAQUS數值模擬軟件對周圍土體的變形、支護結構的變形以及支撐結構的變形進行研究,并與現場監測結果進行對比分析與總結,為今后類似工程建設的深基坑支護設計與施工提供指導。

1 深基坑變形機理分析

1.1 圍護結構水平變形機理

基坑開挖后,圍護結構的三向受力狀態遭到破壞,對土體的卸載導致部分土體荷載不均勻,主動土體的壓力將會直接作用到深基坑的外部土體,外部土體產生的被動壓力就會直接作用在圍護結構的底部內,這一系列壓力會使圍護結構產生水平位移變化。圍護結構變形曲線可大致分為弓形、深埋型、前傾型、踢腳型。

1.2 圍護結構豎向變形機理

圍護結構豎向變形是由于坑底隆起和圍護結構水平位移造成的,前期開挖坑底隆起較小,不會產生較大的豎向變形,隨著基坑開挖逐漸加深,坑內的土體被移走,內部土應力減小之后,基坑底部的土體發生較大隆起,從而帶動圍護結構發生豎向位移。

1.3 周邊地表沉降變形機理

基坑內部土體開挖后,在基坑外部的土壓力作用下,圍護結構會朝著基坑內部發生位移變形,從而對土壓力的分布產生影響,土體也會朝向基坑內部發生位移,導致周邊土體的承載力降低,發生地表沉降;再者隨著開挖逐步進行,坑內減載,土體發生回彈,基底隆起,由于土顆粒具有一定流塑性,基坑外側土體向內移動產生地表沉降。

1.4 支撐軸力變化機理分析

對于混凝土支撐,在基坑剛開挖時強度不高,隨著混凝土的養護,支撐承受的軸力逐漸增大。對于鋼支撐,隨著初始預應力的施加,地連墻與鋼支撐閉合,圍護結構與外側土體的土壓力作用,墻底產生較大負彎矩,當施加足夠預應力后,可增大土體抗剪強度,減小被動土壓力的大小和區域,進而減小塑性區面積,從而控制圍護結構變形。

2 工程概況

擬建濟南市軌道交通4號線一期工程四標段邢村站(8號線折返線部分)西起港興一路與經十路交叉口,東至山東省救災物資儲備管理中心北側,沿經十東路綠化帶敷設,8號線一期工程起點里程為右AK19+124.384,全長約185.0 m,為地下2層,標準段凈寬約10.8 m,覆土深度約3.76 m,主體結構埋深約21.08～23.78 m。場地平面示意圖如圖3所示。

場地各巖土層分布及特征自上而下分述如下。第1-1層素填土:黃褐色,松散-中密,稍濕,主要成分為黏性土及少量碎石,偶見植物根系。第8層黃土狀粉質黏土:褐黃色,可塑-硬塑,土質較均勻;韌性及干強度中等。第10-1層粉質黏土:褐黃色,可塑,含少量鐵錳氧化物;韌性一般,塑性較好,干強度中等。第10-3層碎石:雜色,稍濕,中密-密實,局部膠結,母巖成分為灰巖,次棱角狀及亞圓狀,無序排列,礦物成分以長石、方解石為主,呈中風化狀,含量50%～65%,粒徑2～4 cm,充填15%～20%黏性土。第16-1層粉質黏土:棕紅色,可塑-硬塑,含少量鐵錳氧化物,局部夾少量鐵錳結核,偶見碎石;塑性較好,干強度中等。第16-4層碎石:雜色,稍濕,中密-密實,局部膠結,無序排列,礦物成分以長石、方解石為主,呈中風化狀,含量50%～65%,粒徑2～4 cm,充填15%～20%黏性土。

邢村站車站結構范圍內無地表水流過,經檢測,場內地下水位埋藏較深,開挖不受地下水位影響,故不考慮地下水的影響。

3 基坑圍護結構設計及監測方案

3.1 圍護結構設計

邢村地鐵站主體結構圍護形式采用鉆孔灌注樁+內支撐,基坑平面尺寸約為165×22 m,開挖深度約為22 m,鉆孔灌注樁尺寸為Φ1 000 mm@1 300,混凝土強度等級為C30,混凝土保護層厚度50 mm,樁間采用鋼筋網噴混凝土;在基坑內部相應位置設置Φ1 000 mm的鉆孔灌注樁內插490 mm×490 mm的鋼格構柱;在基坑頂部設置冠梁,截面尺寸為1 200 mm×1 000 mm,并在相應位置設置尺寸為1 000 mm×1 000 mm的加腋。第一道支撐采用混凝土支撐,截面尺寸為800 mm×1 000 mm;第二道支撐采用鋼管支撐,尺寸為Φ609 mm,樁間距t=16 mm;第三、四道支撐采用鋼管支撐,尺寸為Φ800 mm,t=20 mm,并在相應位置設置雙拼工50C的鋼圍檁以及尺寸為1 500 mm×1 500 mm的200 mm厚鋼板撐。由于基坑較長,每部分支護結構略有不同,基坑支護結構剖面圖如圖4所示。

3.2 監測方案

為了保證基坑開挖過程中的安全,工程主要對基坑周圍地表沉降、灌注樁沉降、冠梁變形、圍護結構變形、混凝土支撐以及鋼支撐的軸力等進行了監測,監測點布置圖如圖5所示。

4 數值模擬計算模型

4.1 計算模型建立

由于本基坑尺寸較大,且支護形式不統一,因此根據本基坑特點,在進行模擬計算過程中,分為三區段進行模擬分析,三區段分別為:左側端頭井軸線1～5,軸線6～9部分,軸線18～21部分。采用ABAQUS有限元軟件對此工程基坑開挖進行模擬,如圖6所示,根據圣維南原理與現場實際建立三維模型,數值計算模型1(左側端頭井軸線1～5)X、Y、Z共3個方向取為160 m×85 m×50 m(長×寬×高),模型共采用76 940個實體單元,開挖深度為22.7 m,設置地下連續墻深度為32 m,共設置4道支撐,然后進行分步開挖。

數值計算模型2(軸線6-9部分)X、Y、Z共3個方向取為80 m×24 m×50 m(長×寬×高),模型共采用33 750個實體單元,開挖深度為20.9 m,設置地下連續墻長度為30.5 m,共設置3道支撐,然后進行分步開挖。數值計算模型3(軸線18-21部分)X、Y、Z共3個方向取為80 m×24 m×50 m(長×寬×高),模型共采用31 200個實體單元,開挖深度為18.9 m,設置地下連續墻長度為29 m,共設置4道支撐,然后進行分步開挖。模型上表面自由,前后左右約束其法向位移,底部為固定邊界。

4.2 計算參數

地層、冠梁、鉆孔灌注樁、地下連續墻和鋼圍檁采用實體單元,計算單元選擇八結點線性六面體單元C3D8R,混凝土支撐和鋼管支撐采用梁單元進行模擬,計算單元選擇兩結點空間線性梁單元B31;鋼板撐采用殼單元模擬,計算單元選擇四結點曲面薄殼或厚殼S4R。地層采用摩爾-庫倫本構模型,冠梁、鉆孔灌注樁、地下連續墻、鋼圍檁、鋼板撐、混凝土支撐和鋼管支撐采用線彈性本構模型。忽略巖土體的節理裂隙,不考慮地下水在開挖過程中的影響。模型計算中各土層以及圍護結構的計算參數如表1、表2所示。同時模擬基坑周圍有堆載存在,在距基坑2 m處施加寬度為10 m的靜荷載,取20 kPa。

表1 土層計算參數Table 1 Calculation parameters of soil layer

表2 圍護結構計算參數Table 2 Calculation parameters of enclosure

在數值模擬計算分析中,為了方便計算,常常對鉆孔灌注樁圍護體系進行簡化,把樁+內支撐支護體系看作是地連墻+內支撐支護體系,等效地連墻厚度根據式(1)進行計算,即

(1)

式(1)中:D為鉆孔樁樁徑;t為樁間距;h為等效后的地下連續墻厚度。

4.3 模擬工況

對于左側端頭井軸線1～5部分,首先進行地應力平衡,然后施加地下連續墻、鉆孔灌注樁、冠梁、第一道混凝土支撐后進行分步開挖并施加支撐:開挖深度至3 m和6.1 m,施加第二道鋼管支撐8.6 m和11.1 m,施加第三道鋼管支撐14.1 m和17.1 m,施加第四道鋼管支撐20.1 m和22.7 m。

對于軸線6～9部分,首先進行地應力平衡,然后施加地下連續墻、鉆孔灌注樁、冠梁、第一道混凝土支撐后進行分步開挖并施加支撐:開挖深度至3 m和6.1 m,施加第二道鋼管支撐8.6 m和11.1 m,施加第三道鋼管支撐13.6 m和16.1 m,施加第四道鋼管支撐18.5 m和20.9 m。

對于軸線18～21部分,首先進行地應力平衡,然后施加地下連續墻、冠梁、第一道混凝土支撐后進行分步開挖并施加支撐:開挖深度至3、5.9、8.7 m,施加第二道鋼管支撐11.3 m和13.9 m,施加第三道鋼管支撐16.4 m和18.9 m。

5 計算結果分析

5.1 圍護結構墻頂水平位移

在基坑的施工過程中,由于坑內土體的開挖,支護結構兩側的土壓力發生改變,導致支護結構發生變形,其中圍護結構墻頂的水平位移值大小,能夠直觀反映出基坑的變形情況,對于基坑的安全穩定有著至關重要的作用。因此,通過提取數值模擬中圍護結構墻頂水平位移的監測點ZDS10、ZDS14、ZDS15、ZDS16的結果,與現場監測結果進行對比分析,得到圍護結構墻頂水平位移曲線,如圖7所示。

由圖7可知,隨著基坑的開挖,基坑頂部呈現出逐漸向坑內運動的趨勢。其中左側端頭井處ZDS16監測點,隨著基坑開挖深度的逐漸增大,基坑頂部的水平位移逐漸增大,當基坑開挖深度超過17.1 m時,支撐結構逐漸發揮作用,坑頂的變形值基本不變,在開挖深度為20.1 m時,水平位移達到最大值為0.84 mm。基坑另一側的監測點ZDS15、ZDS14、ZDS10的變形基本均在當基坑施加第二層鋼支撐時變形最大,即當基坑開挖深度為6.1、6.1、8.7 m時,基坑頂部的水平位移最大分別為0.47、0.6、1.08 mm,隨后隨著第二道鋼支撐的施加,在開挖深度達到13.9 m時,監測點ZDS15與ZDS14的變形略微增大,監測點ZDS10的水平位移值減小為0.68 mm,可以發現第二道鋼支撐發揮了重要作用。然后隨著開挖深度的繼續增加以及第三、四道鋼支撐的施加,監測點ZDS15水平位移繼續減小,當開挖完成后,水平位移達到0.31 mm,監測點ZDS14與ZDS10的水平位移基本不變,當開挖完成后,水平位移達到0.64 mm和0.68 mm。

對比圖7中的現場實際監測值可以發現,對于圍護結構墻頂水平位移,現場監測與數值模擬的曲線變形趨勢基本一致,但是模擬值較現場監測值小0.15 mm左右,這是因為現場施工環境復雜,對于地層中的微裂隙以及裂隙水,在數值模擬中較難實現,再加上施工人員操作不利,導致精度較差,因此數值模擬結果與現場實測結果存在一定誤差。

5.2 圍護結構墻頂豎向位移

通過提取圍護結構墻頂豎向位移的監測點ZDC10、ZDC14、ZDC15、ZDC16的模擬結果,并與現場的監測數據進行對比分析,研究圍護結構墻頂豎向位移與基坑開挖深度之間的關系,繪制位移曲線圖,如圖8所示。

由圖8可知,隨著基坑開挖深度的增加,各監測點的變形基本一致,即圍護結構出現隆起變形,并且隆起值逐漸增大,最后趨于平穩。基坑施工過程中,由于土體的開挖卸荷,基坑底部的土體應力狀態發生改變,基坑底部土體會出現隆起變形,帶動圍護結構產生向上的運動,隨著支撐結構的施加,加上圍護結構的自重,圍護結構的隆起變形逐漸減小并趨于平穩。其中左側端頭井部分監測點ZDC16、ZDC15的變形基本一致,在基坑開挖深度達到17.1 m時,變形基本不變,隆起值為7.99 mm。監測點ZDC14、ZDC10的變形均呈現出,在基坑開挖深度由0 m增加到8.6 m的過程中,隆起值由0 mm增加到16.07 mm,變化速率最大。隨后隨著第二、三、四道鋼支撐的施加,變化速率逐漸減小,最大隆起值分別為20.03 mm和19.76 mm。與現場的監測曲線對比可以發現,與模擬結果曲線趨勢基本一致,但隆起值較大,因此還需對支護形式進行進一步討論。

5.3 圍護結構深層水平位移

通過提取圍護結構深層水平位移的監測點ZTS10、ZTS14、ZTS15、ZTS16的模擬結果,并與現場的監測數據進行對比分析,研究圍護結構的整體變形與基坑開挖深度之間的關系,繪制位移曲線圖,如圖9所示。

由圖9可以看出,各監測點均呈現出隨著基坑開挖深度的增大,水平位移的最大值逐漸增大,并且圍護結構呈現出向坑內的“弓”形分布。左側端頭井處的監測點ZTS16與ZTS15的變形形態基本相同,當開挖深度達到6.1 m時,在地表以下3.6 m處圍護結構的變形最大,最大值分別為6.82 mm和7.56 mm;隨后施加第二道鋼支撐,當開挖深度達到11.1 m時,變形逐漸增大,在地表以下8.5 m處圍護結構的變形最大,最大值分別為15.62 mm和17.4 mm;隨后施加第三道鋼支撐,當開挖深度達到17.1 m時,在地表以下14.5 m處圍護結構的變形最大,最大值分別為27.73 mm和30.8 mm;隨后施加第四道鋼支撐,當開挖深度達到22.7 m時,變形進一步增大,在地表以下19.4 m處圍護結構的變形最大,最大值分別為33.02 mm和37.94 mm。

監測點ZTS14與ZTS10在基坑施加第二道鋼支撐時,即基坑開挖深度為6.1 m與8.7 m時,圍護結構的變形較大,分別達到了24.07 mm和36.69 mm,因此在施工中要格外注意。但當施加第二道鋼支撐后,最大位移會逐漸較小,隨著基坑開挖深度的繼續增加,圍護結構下部的變形值會逐漸增大,當基坑開挖完成時,最大變形分別為33.24 mm和38.31 mm。

通過綜合分析可以發現,雖然基坑開挖深度逐漸增加后,圍護結構的變形會逐漸增大,但是隨著過程中支撐結構的施加,圍護結構的變形能夠得到明顯的減小,說明支撐結構對于約束圍護結構的水平變形有著重要的作用,但圍護結構水平位移值過大,因此還需對支護方案進行進一步優化。

5.4 地表沉降

地鐵車站的開挖過程中,極易造成周圍的地表沉降,在某些建筑物存在區域,沉降過大容易產生經濟損失,甚至人員傷亡,因此控制開挖過程中產生的地表沉降尤為重要。通過提取基坑周圍地表沉降的監測點DC31-33、DC43-45、DC49-51、DC52-54的模擬結果,并與現場的監測數據進行對比分析,繪制地表沉降曲線,如圖10所示。

圖1 基坑圍護結構水平變形圖Fig.1 Horizontal deformation diagram of foundation pit retaining structure

圖2 基坑圍護結構豎向變形圖Fig.2 Vertical deformation diagram of foundation pit retaining structure

圖3 建筑基坑平面示意圖Fig.3 Schematic plan of building foundation pit

圖4 基坑支護結構剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of foundation pit supporting structure section

圖5 基坑監測點布置示意圖Fig.5 Layout of monitoring points of foundation pit

圖7 圍護結構墻頂水平位移曲線Fig.7 Horizontal displacement curve of enclosure wall top

圖8 圍護結構墻頂豎向位移曲線Fig.8 Vertical displacement curve of enclosure wall top

圖9 圍護結構深層水平位移曲線Fig.9 Deep horizontal displacement curve of enclosure structure

圖10 地表沉降曲線Fig.10 Surface subsidence curve

由圖10可知,各監測點的地表沉降曲線呈現“U”形分布,并且隨著基坑開挖深度的逐漸增加,地表沉降最大值逐漸增大。左側端頭井部分的監測點DC52-54與DC49-51的沉降曲線基本一致,由于在基坑2 m外施加寬度10 m的荷載,因此在基坑外2～12 m范圍內地表的沉降變形值最大,但沉降變形基本在開挖深度3 m時就達到最大值,而后隨著開挖深度的增加,沉降值基本不變,最大值發生在距離基坑邊緣8 m處,沉降值分別為14.06 mm和13.66 mm。監測點DC43-45沉降最大值發生在開挖深度為6.1 m時,在距離基坑邊緣4 m處,最大值為24.43 mm。監測點DC31-33沉降最大值發生在開挖深度為18.9 m時,在距離基坑邊緣10 m處,最大值為17.02 mm。現場的監測數據可知,其地表沉降曲線與模擬結果基本一致,僅最大值有所偏差,誤差在1～2 mm內。綜合分析可知,基坑開挖的影響范圍基本在0～20 m內,當距離基坑邊緣距離超過20 m后,地表沉降值均小于3 mm,并且隨著距離的增加,沉降值逐漸減小。

5.5 支撐軸力變化

支撐對于限制圍護結構的變形有著至關重要的作用,因此提取模擬中軸力最大的支撐的軸力監測點ZC6、ZC7、ZC9、ZC15的數據,研究支撐的軸力隨著開挖深度的變化情況,繪制軸力變化曲線,如圖11所示。

圖11 支撐軸力變化曲線Fig.11 Support axial force variation curve

由圖11可以得出,隨著開挖深度的逐漸增加,各支撐的軸力呈現出逐漸增加的趨勢,并且下部支撐軸力大于上部支撐的軸力。其中監測點ZC6與ZC7軸力最大值為開挖深度為22.7 m時的第三道鋼管撐上,最大值分別為2 030 kN和1 550 kN;監測點ZC9軸力最大值為開挖深度為20.9 m時的第四道鋼管撐上,最大值為3 597 kN;監測點ZC15軸力最大值為開挖深度為18.9 m時的第三道鋼管撐上,最大值為2 416 kN。還可以看出,當施加下一道支撐后,該支撐軸力迅速增加,而上一道支撐的軸力的增長速度開始減慢,這也能說明隨著開挖深度的增加,下部的支撐發揮作用的效應更明顯。

6 結論

(1)隨著基坑的開挖,基坑頂部呈現出逐漸向坑內運動的趨勢,并且隨著開挖過程中支撐結構的施加,圍護結構整體呈現出向坑內變形的“弓”形分布,在支撐施加的部位,變形值明顯減小,說明支撐結構對于約束圍護結構的水平變形有著重要的作用,但圍護結構水平位移最大值超過30 mm,因此還需對支護方案進行進一步優化。

(2)由于基坑開挖土體的卸荷,基坑底部的土體應力狀態發生改變,基坑底部土體會出現隆起變形,帶動圍護結構產生向上的運動,隨著支撐結構的施加,加上圍護結構的自重,圍護結構的隆起變形逐漸減小并趨于平穩。

(3)各監測點的地表沉降曲線呈現“U”形分布,并且隨著基坑開挖深度的逐漸增加,地表沉降最大值逐漸增大。本基坑開挖的影響范圍基本在0～20 m內,當距離基坑邊緣距離超過20 m后,地表沉降值均小于3 mm,并且隨著距離的增加,沉降值逐漸減小。

(4)隨著開挖深度的逐漸增加,各道支撐的軸力呈現出逐漸增加的趨勢,下部的支撐發揮作用的效應更明顯,并且下部支撐軸力大于上部支撐的軸力。

(5)通過將數值模擬結果與現場的監測數據進行對比發現,數值模擬結果與現場的監測結果基本一致,說明了有限元軟件能夠較好地模擬深基坑的開挖過程,因此對于以后的類似工程有限元技術能夠提供可靠的建議。