成都地鐵基坑圍護樁大變形原因分析及對策研究*

李 雪 耿鳳娟 趙衛(wèi)星 李方利 蔣 媛

(1. 西南石油大學地球科學與技術(shù)學院, 610500, 成都; 2. 中國航空集團建設開發(fā)有限公司, 101300, 北京;3. 中國鐵建昆侖投資集團有限公司, 610041, 成都; 4. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司, 610072, 成都)

基坑在開挖過程中,圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形直接反映了基坑的穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化。基坑中土體開挖將使圍護結(jié)構(gòu)前后的土體產(chǎn)生不平衡力而產(chǎn)生壓力差,巖土體在壓力差的作用下將產(chǎn)生變形,過大的巖土體變形會對基坑周邊環(huán)境造成嚴重影響。因此,我國基坑工程設計大多采用變形控制。

基坑開挖有效控制圍護結(jié)構(gòu)變形以保護周邊環(huán)境。文獻[1]發(fā)現(xiàn)幾何形狀、支護結(jié)構(gòu)和支撐所在位置的影響是基坑變形的主要因素。文獻[2]對處于軟、中等硬度飽和土中的基坑進行了長期監(jiān)測,提出了基坑土體周圍環(huán)境的變形規(guī)律。文獻[3]利用FLAC模擬研究地鐵換乘站深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。文獻[4]結(jié)合變形監(jiān)測研究北京地鐵義和莊站基坑支護結(jié)構(gòu)。文獻[5]利用有限元軟件著重分析了基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)的變形、基坑周圍土體的沉降、基坑底部的隆起三方面。上述研究均探究了基坑開挖對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的影響。

在復雜環(huán)境、復雜地層條件下,基坑圍護樁發(fā)生大變形后,針對如何進行快速安全地加固防止圍護樁進一步變形及周邊土體失穩(wěn)方面的研究較為罕見。對此,本文針對成都地鐵某基坑工程圍護樁發(fā)生大變形后處理措施進行分析,并對加固方案進行數(shù)值計算。

1 工程背景

1.1 工程概況

成都地鐵某基坑工程周邊緊鄰小區(qū)及主干道。該站建筑為地下一層、局部地下兩層。基坑的南側(cè)及東側(cè)均采用樁錨支護體系。樁錨支護區(qū)基坑深度(自冠梁頂計算)為9.8～17.8 m。東南側(cè)緊鄰的石油小區(qū)內(nèi)有6層磚混結(jié)構(gòu)建筑,基坑計算深度約為13.8 m。基坑與小區(qū)位置如圖1所示。石油小區(qū)圍墻距基坑約20.0 m,石油小區(qū)1層配電房距基坑約為21.0 m。

a) 位置關(guān)系平面圖

1.2 地質(zhì)概況

場地內(nèi)自冠梁向下的土層依次為中風化砂巖、強風化礫巖、強風化砂巖、中風化砂巖。土層分界線整體呈東高西低走向。圍護結(jié)構(gòu)深度所涉土層大致為:① 中風化砂巖,深度范圍為0～2.0 m;② 強風化礫巖,深度范圍為2.0～6.0 m;③ 強風化砂巖,深度范圍為6.0～10.0 m;④ 中風化砂巖,深度范圍為10.0～28.8 m。各土層物理參數(shù)見表1。

表1 各土層物理參數(shù)表

2 基坑圍護樁變形發(fā)展情況分析

2018年9月8日凌晨鄰近石油小區(qū)的東南側(cè)基坑開挖至第三道錨索施工作業(yè)面,發(fā)現(xiàn)基坑變形較大。此時該部位基坑開挖深度約為10 m。選取基坑東南角監(jiān)測點ZQS16、ZQS17、ZQS18、ZQS19的數(shù)據(jù)進行分析,相應圍護樁監(jiān)測點平面布置圖(部分)如圖2所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖3可知,ZQS16、ZQS18、ZQS19的樁頂側(cè)向位移均為24 mm左右,ZQS17的樁頂側(cè)向位移單日最大變化量達49 mm;基坑變形部位的樁頂水平位移最大累積值已達77.8 mm。

圖2 圍護樁監(jiān)測點平面布置圖(部分)

圖3 ZQS16—ZQS19處樁頂水平位移趨勢圖

3 圍護樁變形原因分析

施工期間雨水頻繁,水分增加了土體顆粒間的潤滑度,導致土體內(nèi)摩擦角減小、黏聚力降低,進而使土體抗剪強度急劇下降,使土體喪失平衡。

在監(jiān)測點ZQS17所在的17號基坑圍護樁(以下簡稱“17號樁”),鄰近石油小區(qū)圍墻已產(chǎn)生裂縫,且電纜溝容易積水,故鉆孔施工過程中圍巖裂隙水不斷滲出,導致大量雨水未及時排出就經(jīng)裂縫滲入下方砂巖。據(jù)推測,砂巖的吸水微膨脹性會造成該處發(fā)生不均勻沉降,進一步引起圍護樁側(cè)方土體及小區(qū)邊坡局部滑移[6-7]。

4 處理方案

4.1 加固措施

基于基坑圍護樁變形原因,提出現(xiàn)場加固措施。基坑圍護樁加固措施示意圖如圖4所示。

圖4 基坑圍護樁加固措施示意圖

1) 對邊坡的擋墻的泄水孔進行疏通,使坡體含水量及其中的孔隙水壓力降低,以增強抗滑力和減小下滑力。及時對坡頂硬化層有開裂的坡頂裂縫進行封閉,防止雨水下滲。

2) 在17號樁處的坑角處進行堆土反壓,將土石堆于阻滑部位;反壓堆土回填至第一道錨索和第二道錨索之間,使之既起到降低支護結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力又增加抗滑力的良好效果,有效抑制圍護及土體變形。

3) 結(jié)合后續(xù)錨索施工方案,進行錨桿預應力補張,以提高滑動面上的法向應力,進而提高該面的抗滑力,改善剪應力的分布情況,增強面層整體性和強度。

4) 在石油小區(qū)圍墻基礎旁打設深度為22 m的微型鋼管樁。微型鋼管樁應貫穿礫巖層,并錨入下部砂巖層。通過壓力注漿,提高鋼管周圍土體的強度指標,改善初始應力場,增強土體的自穩(wěn)性,降低開挖瞬時土體次生力的變化,減小邊坡變形量。鋼管樁與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同作用穩(wěn)固邊坡。

4.2 數(shù)值模擬

采用PLAXIS 2D軟件建立平面應變模型,對基坑加固措施進行數(shù)值模擬分析。計算模型尺寸為50 m×70 m。圍護樁及微型鋼管樁采用板單元模擬。考慮圍護結(jié)構(gòu)與土體間的相互作用,板單元左右兩側(cè)創(chuàng)建強度折減系數(shù)Rinter為0.7的界面單元。地層錨桿采用點對點單元與Embedded beam row單元組合模擬,前者用于模擬自由段,后者模擬錨固段。基坑開挖至第三層底部時激活線荷載模擬堆土反壓措施。采用Harding-soil二階高級本構(gòu)模型(以下簡稱“HS本構(gòu)模型”)來模擬砂石的土體變形行為。HS本構(gòu)模型的基坑計算模型及基坑網(wǎng)格模型分別如圖5及圖6所示。

圖5 基坑計算模型

圖6 基坑網(wǎng)格模型

HS本構(gòu)模型的有限元計算中,模型破壞準則采用摩爾-庫倫準則。HS本構(gòu)模型主要強度參數(shù)取值見表1。

4.3 施工階段模擬

為了反映初始應力狀態(tài)及施工加固過程,模擬過程按實際的11個施工階段分為11個計算步進行模擬。初始階段,利用“K0過程”指令生成初始應力;其余階段,依次激活地下連續(xù)墻、凍結(jié)開挖土體及錨桿激活施加預應力等。HS本構(gòu)模型模擬計算步及內(nèi)容見表2。

表2 HS本構(gòu)模型模擬計算步及內(nèi)容

4.4 結(jié)果分析

模擬計算得到基坑總位移如圖7所示。由圖7可知:圍護結(jié)構(gòu)背側(cè)土體沿滑動面有向左側(cè)基坑滑動的趨勢;最大水平位移約為48 mm;基坑底部發(fā)生回彈隆起,隆起值約為65 mm。模擬加固措施后,圍護結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生變形破壞。

圖7 基坑總位移分布圖

由模擬結(jié)果還可見,基坑外側(cè)承受剪切應力,底部附加應力的增大,圍護結(jié)構(gòu)的變形主要體現(xiàn)在基坑中上部。由HS本構(gòu)模型模擬得出各工況下的圍護樁水平位移極值(以指向基坑內(nèi)部為正,背離基坑方向為負),如表3所示。由表3可知,隨基坑深度的增加,樁體側(cè)向位移也逐漸增加。

表3 各工況下的圍護樁水平位移極值

如圖8所示,基坑開挖3層土體至深度為10 m處時,圍護樁體中上部發(fā)生大變形(水平位移達-48 mm),經(jīng)過基坑角部堆土反壓施加側(cè)向荷載,對圍護樁提供側(cè)向抗滑力,阻止圍護樁體進一步變形;在小區(qū)圍墻外施作長為22 m的微型鋼管樁阻止圍護樁體向基坑內(nèi)側(cè)滑移,進而減緩圍護樁體發(fā)生變形。由圖8可知,錨索鉆孔作業(yè)處,通過錨桿預應力補張,可提高滑動面上的法向應力及抗滑力,進而改善剪應力的分布,減小樁體水平位移。

圖8 樁體水平位移

4.5 現(xiàn)場監(jiān)測

采取加固措施后,選取樁頂水平位移較大的17號樁,結(jié)合表3中工況對其重點監(jiān)測。17號樁的樁頂水平位移變化如圖9所示。

圖9 17號樁的樁頂水平位移變化

由圖9可知:2018年9月8日至10日采取堆土反壓施工,監(jiān)測點水平位移值無明顯變化;2018年9月10日至13日進行抗滑樁施工,期間測點ZQS17的位移明顯增加;2018年9月18日至23日進行混凝土注漿,測點受影響較小,混凝土灌注提高了結(jié)構(gòu)完整性,并很好地控制了圍護樁頂變形;9月22日以后,進行冠梁頂部錨索鉆孔作業(yè),監(jiān)測點位移平均每天增加約1.6 mm。

由監(jiān)測結(jié)果可知,對于樁錨支護體系,監(jiān)測點樁體水平位移累計值整體變化趨勢是規(guī)律性增加,圍護樁體水平位移趨于穩(wěn)定。

對比HS本構(gòu)模型模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),二者的樁體水平位移曲線均隨著加固措施的進行而呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。

通過HS本構(gòu)模型模擬石油小區(qū)的加固措施可知,采取加固措施后,樁體水平位移沒有出現(xiàn)大幅度增長,水平位移規(guī)律性增加。表明搶險措施具有一定的有效性。基坑變形控制效果明顯,后續(xù)施工過程中未發(fā)生大范圍變形。

5 結(jié)語

以成都某地鐵基坑為工程背景,結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了樁錨支護結(jié)構(gòu)基坑的變形性狀,制定加固措施,并采用HS本構(gòu)模型模擬了基坑圍護樁變形規(guī)律,得到了如下結(jié)論:

1) 基于砂礫巖層的土體情況分析,施工期間恰逢頻繁降雨,基坑東南側(cè)石油小區(qū)處砂巖吸水微膨脹后可能造成不均勻沉降,引起圍護樁側(cè)方土體滑移,進而導致基坑圍護結(jié)構(gòu)變形。樁頂水平位移最大累計值達到77.77 mm。

2) 針對基坑圍護樁變形及石油小區(qū)沉降,采用堆土反壓、施作抗滑樁、施作微型鋼管樁及補張錨索等加固措施,能有效減小土體下滑力并通過提供反向抗滑力,改善應力分布情況。

3) 通過Plaxis有限元軟件模擬加固措施,分析圍護樁側(cè)移的影響。由模擬結(jié)果可知,圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形時及時采取加固措施能有效控制樁體變形,并將樁體的水平位移保持在控制值(53 mm)以內(nèi)。樁體水平位移的仿真結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果變化規(guī)律一致。