地鐵超大斷面始發(fā)井地層大變形加固技術(shù)研究

趙明春，李樹光，李鎖在，焦 石，王飛宇

(1.中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司,北京 102300; 2.棗莊學(xué)院,山東 棗莊 277160)

0 引言

地鐵基坑開挖支護(hù)技術(shù)涉及到土體的穩(wěn)定性、變形性、滲流性等多個方面,同時也對周圍的環(huán)境和建筑物有一定的影響。為了保障基坑的安全性和工程質(zhì)量,需要進(jìn)行合理的勘察、設(shè)計、施工和監(jiān)測等環(huán)節(jié)[1-3]。

基坑開挖支護(hù)技術(shù)的研究主要集中在3個方面[4-6]:支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形分析研究方面,主要通過實測數(shù)據(jù)、離心模型試驗、數(shù)值模擬等手段,分析了不同土層、不同支護(hù)形式、不同開挖深度和范圍等因素對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、地表沉降、坑底隆起等的影響規(guī)律,并提出了一些經(jīng)驗公式和計算方法。支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法方面的研究主要基于結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性地基梁理論或有限元或有限差分?jǐn)?shù)值計算法,考慮了土壓力、支撐力、樁土作用、錨桿作用等因素,建立了不同類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)(如重力式擋墻、土釘墻、懸臂式排樁、錨固式排樁、雙排樁、地下連續(xù)墻等)的計算模型,并進(jìn)行了內(nèi)力和變形的分析。支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工與監(jiān)測技術(shù)方面的研究,主要關(guān)注了支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中的質(zhì)量控制、施工方法與工藝的改進(jìn)與創(chuàng)新,以及支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測過程中的儀器設(shè)備、監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)問題[7-8]。

大斷面基坑的開挖會導(dǎo)致底層大變形問題,嚴(yán)重影響周圍建筑以及基坑自身穩(wěn)定性[9-10]。研究基于大斷面TBM始發(fā)井矩形豎井基坑開挖為研究對象,通過數(shù)值模擬方法計算基坑變形量,通過現(xiàn)場監(jiān)測驗證最佳加固支護(hù)方案,以期為類似工程提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

TBM始發(fā)井位于青島地鐵2號線輪渡站大里程端北側(cè)公交臨時停車場內(nèi),矩形豎井位于區(qū)間線路正上方。豎井采用明挖順作法施工,豎向深度34.2 m。巖土性質(zhì)上軟下硬,具體為人工填土、軟土、風(fēng)化巖三種特殊性巖土。TBM始發(fā)井的上部鉆孔灌注樁部分內(nèi)凈空尺寸長31 m,寬28 m,下部鋼管樁部分內(nèi)凈空尺寸長28 m,寬25 m。TBM在始發(fā)井內(nèi)完成拼裝后,由豎井大里程端始發(fā)洞始發(fā)向小港站方向掘進(jìn)。研究采用鉆孔灌注樁施工加固技術(shù),解決開挖超大斷面的始發(fā)井時的地層大變形問題。地層上部的土層和軟巖采取機械破碎開挖的方式,地層下部的硬巖采取爆破開挖的方式,如圖1所示。

2 數(shù)值仿真模擬

2.1 模型建立

采用分線性有限元ADINA軟件對大斷面TBM始發(fā)井矩形豎井基坑開挖進(jìn)行仿真模擬分析。根據(jù)現(xiàn)場勘察及室內(nèi)試驗數(shù)據(jù),將地層條件整合具體模擬參數(shù)如表1所示。

表1 土層材料參數(shù)

ADINA軟件中有Native和ADINA-M兩種建立模型方法,本基坑開挖模型采用ADINA-M方法中的切片功能,劃分?jǐn)?shù)值模型中不同的土層、支護(hù)結(jié)構(gòu)等區(qū)域。由于地層為上軟下硬性質(zhì),上端支護(hù)設(shè)計為鉆孔灌注樁+錨索支護(hù)方案,下端支護(hù)設(shè)計為鋼管樁支護(hù)方案,因此本次研究僅以較為薄弱的上端鉆孔灌注樁+錨索支護(hù)方案為研究對象。模型計算區(qū)域側(cè)邊界離基坑邊緣60 m,大于3倍坑深,底邊界距離坑底20 m,網(wǎng)格剖分如圖2所示。

2.2 鉆孔灌注樁嵌固深度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

以依托的工程實際模型參數(shù)為基準(zhǔn),僅改變基坑鉆孔灌注樁的嵌固深度,形成8種工況,見表2,分別建立數(shù)值模型,模擬計算出樁體嵌固深度對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響規(guī)律。

表2 樁嵌固深度工況數(shù)據(jù)表

根據(jù)圖3的分析可以得出以下結(jié)論:當(dāng)嵌固深度較小時,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形較大。隨著樁嵌固深度的增加,支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響逐漸減小,有效提高了基坑的穩(wěn)定性。但當(dāng)嵌固深度超過5 m時,對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的抑制效果不再明顯。在工程實踐中,如果嵌固深度過小,被動土壓力會減小,導(dǎo)致坑底支護(hù)破壞。因此,僅靠增加嵌固深度來抑制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形并不經(jīng)濟,只需使嵌固深度達(dá)到基坑穩(wěn)定的要求即可。

2.3 樁徑變化對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

以依托的工程實際模型參數(shù)為基準(zhǔn),僅改變基坑鉆孔灌注樁的直徑,形成7種工況,見表3,分別建立數(shù)值模型,模擬計算出樁體直徑對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響規(guī)律。

表3 樁徑工況數(shù)據(jù)表

根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)樁徑較小時,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體位移較大。隨著樁徑的增大,支護(hù)結(jié)構(gòu)位移逐漸減小,增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度。從圖5的曲線斜率可以看出,當(dāng)樁徑超過0.8 m后,樁徑增加對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的抑制效果逐漸減小。因此,僅靠增加樁徑來抑制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形并不經(jīng)濟。

2.4 錨索傾角對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

考察錨索的傾角對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響,仍按照實際工程原結(jié)構(gòu)形式,兩層錨索共同改變傾角,按照表4中的工況分別進(jìn)行數(shù)值模擬,得出結(jié)果。

表4 錨索傾角工況數(shù)據(jù)表

根據(jù)圖6的數(shù)據(jù)可以看出:隨著錨索傾角的增大,支護(hù)結(jié)構(gòu)位移也隨之增大。這主要是因為錨固端與土體黏結(jié),將錨固力傳遞給腰梁。腰梁對樁產(chǎn)生了水平約束作用,即錨固力的水平分力。當(dāng)錨索傾角增加時,水平分力減小,減小了對樁的約束,導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)位移增大。考慮到錨索施工的方便性,錨索傾角不應(yīng)過小或過大,一般在10°～45°之間。從圖7的曲線可以看出,在10°～25°之間,支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化較小且平緩。在這個范圍內(nèi),不僅符合施工方便性,而且支護(hù)結(jié)構(gòu)變形也較小,符合工程安全性要求。考慮易于施工,錨索傾角選取20°。

2.5 錨索長度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

錨索長度因素對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響,形成6種工況進(jìn)行數(shù)值模擬,見表5。

表5 錨索長度工況表

從圖8的曲線可以看出錨索長度越大,支護(hù)結(jié)構(gòu)位移越小。較長的錨索同樣增加了錨索錨固段長度,索體與土體之間的錨固力得以大大增強,有效提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)擋土能力和抗變形能力。綜合整體支護(hù)控制和經(jīng)濟性考慮,確定錨索長度為12 m。

3 數(shù)值模擬與監(jiān)測對比分析

根據(jù)分析確定的鉆孔灌注樁和錨索參數(shù),進(jìn)行了設(shè)計施工,現(xiàn)場對基坑周邊水平向位移進(jìn)行了監(jiān)測。為了進(jìn)行對比分析,研究人員將基坑中四個主要監(jiān)測點的鉆孔灌注樁頂變形模擬值與現(xiàn)場實測值進(jìn)行了比較。圖9中的A,B,C,D四點分別代表東基坑側(cè)壁中點、西基坑側(cè)壁中點、南基坑角點和北基坑側(cè)壁中點檢測點的位置。

以ADINA自帶時間步與實際施工時間等效,獲得數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測對比數(shù)據(jù)。圖9為開挖完畢后整體的3D數(shù)值模型水平位移云圖和豎向沉降等值線分布圖。在對應(yīng)時間步云圖上A,B,C,D點位置提取位移值繪制曲線如圖10所示。

根據(jù)各點監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出,在基坑開挖支護(hù)的前期,位移值較小,且數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合較好。但在后期,隨著變形的增加,模擬值與監(jiān)測值開始出現(xiàn)差異。這主要是因為,在開挖較淺時,地層條件和支護(hù)影響條件較為簡單,數(shù)值模擬與實際工程較為貼合。但隨著開挖深度的增加,地層條件以及鉆孔灌注樁、錨索等支護(hù)影響變得更為復(fù)雜。而數(shù)值模擬是基于一定的假定前提,因此會出現(xiàn)偏差。模型與監(jiān)測整體數(shù)據(jù)偏差基本在10%以內(nèi),滿足工程精度要求。這說明所建立的數(shù)值模型較為精確,可以利用該模型開展多因素影響下基坑開挖支護(hù)影響研究。

4 結(jié)論

研究基于青島地鐵2號線大斷面TBM始發(fā)井矩形豎井基坑開挖為研究對象,通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法研究基坑加固、變形規(guī)律,得出具體結(jié)論如下:

1)研究建立了基坑開挖支護(hù)3D數(shù)值模型,通過仿真模擬計算優(yōu)化確定了該工程關(guān)鍵支護(hù)參數(shù),嵌固深度5 m、樁徑0.8 m、錨索長度12 m、傾角20°。

2)基坑開挖越深數(shù)值模擬計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果偏差越大,模型與監(jiān)測整體數(shù)據(jù)最大偏差小于10%。

3)通過模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析,驗證了數(shù)值模型的精度以及優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)的正確性。