潮汐波動帶偏載超深基坑變形控制數值模擬分析及工程實踐*

陳志良,肖 鳴,魯劍峰,池凌杰

(1.騰達建設集團股份有限公司,浙江 杭州 310009; 2.河北科技大學建筑工程學院,河北 石家莊 050091)

0 引言

隨著工程技術水平的提高和城市建設的需求,越來越多的地下工程朝著沿江穿河、環湖跨海的方向發展。臨近江河湖海的工程,長期受到水流沖擊和侵蝕,大大增加了其鄰近基坑的施工難度。城市隧道工程往往采用明挖法施工,受城市布局的影響,隧道基坑周邊環境往往比較復雜,難免會出現既有環境的影響而對基坑形成偏載,因此,基坑支護結構的受力特性及施工部署需圍繞基坑安全進行專項研究。

周念清等[1]對某鄰近海岸的深基坑降水案例進行研究,分析坑外觀測井水位監測數據后發現,觀測井地下水位相對于潮汐波動存在一定時間的滯后,并且潮汐波動會對基坑地下水有一定補給?？軓奫2]將潮汐水位變化簡化為正弦函數得到布辛涅斯克方程,并利用matlab數值軟件進行地下水滲流場求解,探明了其滲流演化規律。吳龍華等[3]自研潮汐模擬系統和試驗裝置,對潮汐環境下的地下水位變化情況進行試驗研究,發現地下水位隨潮汐升降變化速度并不一致,上升速度明顯更快,同時隨測點離岸距離增大,水位振幅衰減加劇。陳從睿[4]通過對馬鑾海堤開口改造工程理論分析與工程實際結合驗證,在基坑施工時需考慮潮水對圍堰和支護結構造成的影響,控制基坑開挖速度、根據潮汐合理安排施工,對圍堰采取適當防滲措施可控制潮汐造成的滲流變化。

戴錦程等[5]針對山區條件下基坑開挖在非對稱土壓力下進行基坑支護優化設計。鄭剛等[6]采用數值模擬手段研究非對稱基坑降水引起的偏載力(有效應力)對基坑支護結構變形的影響。宗超[7]通過實測數據分析,探討非對稱基坑圍護結構的水平位移規律以及墻后土體的變形規律,對非對稱基坑類型采用有限單元法進行數值模擬,總結非對稱基坑在開挖過程中圍護結構變形規律,對比環境變形控制標準,優化地下連續墻深度,對設計和施工提出合理建議。

李志高等[8]針對深基坑工程中圍護結構出現的非對稱變形提出了設計方法,建立了兩種計算模型,并應用于上海某地鐵車站進行驗證計算,計算結果與監測結果對比表明,提出的不對稱基坑設計方法可行,計算模型合理。陽吉寶等[9]依據上海某偏載基坑工程實例,驗證了可通過優化支護結構設計參數的方法減小偏載產生的影響,即可通過增大偏載側圍護樁樁徑、樁深,提高圍護樁剛度、插入比等增大偏載基坑的穩定性。雷崇[10]以某臨河深基坑為依托,分析基坑在大偏載作用下的變形規律,得出基坑偏載側位移變形大于非偏載側,且偏載側彎矩包絡小,而非偏載側較大,可在設計中增大坑外加固深度、增強內撐受壓和受拉能力,尤其是第1道內支撐。國內外學者對大偏載深基坑施工工藝、變形控制進行了大量的數值模擬研究,但主要局限于兩側地質地層基本一致的均一性假設情形下進行模擬計算,較少涉及鄰水鄰山的顯著不同地層的超深基坑支護形式、施工工法和潮汐波動影響下的基坑變形及其控制方法等研究。

綜上所述,對于緊鄰錢塘江某市政隧道工程的明挖基坑鄰山鄰水且受潮汐影響的非對稱大偏載,目前沒有類似工程經驗可借鑒;基坑在潮汐波動帶且偏載作用下,兩側圍護墻體的水平位移變形及受力有較大差異,而豎向位移差別不大;兩側坑外地表沉降最大值不同,但由于偏載產生的形式及與基坑邊緣距離的不同,偏載產生的影響也有所差異,且目前偏載產生的形式大多為鄰近建筑、公路、堆載等,對因山體巖土高差產生偏載的基坑研究較少,同一側因山體巖土高差及建筑疊加產生偏載的基坑研究更少,加之針對錢塘江潮汐波動循環荷載對緊鄰超深基坑的影響鮮有研究。

本文以杭州市某緊鄰錢塘江的市政隧道接收井明挖深基坑為工程背景,采用現場測試方法揭示場地地下水與錢塘江潮汐效應的聯動規律,通過現場實踐和三維數值模擬分析,模擬偏載超深基坑的施工進程,研究錢塘江潮汐波動帶偏載超深基坑變形行為隨施工工序的階段性變化,同時受潮汐波動的影響,明確了緊鄰錢塘江的偏載超深基坑變形因素的差異性,進而提出其變形控制手段并在本依托工程中進行實踐。本文與既有文獻不同的是,將錢塘江潮汐波動帶的滲流場引入基坑變形影響因素分析,研究手段綜合了數值模擬和現場實測,研究成果直接應用于工程實踐,并取得了較好的應用效果,具有較好的推廣和借鑒價值。

1 工程概況與數值模型

1.1 工程概況

杭州市緊鄰錢塘江的某市政隧道工程采用“明挖+盾構”施工方法,其中在九溪山莊南錢塘江北位置設1座盾構接收井,項目位置如圖1所示。盾構接收井長約27.0m,基坑寬45.8m,開挖深度36.4m,基坑剖面如圖2所示,基坑工程安全等級為一級。工作井段圍護結構采用1 200mm厚地下連續墻+內支撐,共設5道混凝土支撐(1道800mm混凝土支撐,4道1 000mm混凝土支撐)+2道φ800鋼支撐?；幽蟼染o鄰錢塘江,平均潮位4.060～4.480m,往年最大潮水位8.020m,與基坑最小距離約為25.3m?；优c東側山體最小距離約為19.3m,附屬結構與山體最小距離約為1.8m,山體高出路面約7.0m。

圖1 項目位置及周邊環境

圖2 盾構接收井基坑橫剖面

本文依托工程屬于山前斜谷坡洪積平原地貌(II2)、低山丘陵地貌(I3)、坡洪積、沖海積地貌(III1)單元?；庸こ涕_挖深度范圍內主要地層為:①1碎石填土、②2粉質黏土、④1淤泥質粉質黏土、④2淤泥質粉質黏土夾粉土、1含碎石粉質黏土、2含黏性土碎石、a-2強風化泥質粉砂巖、a-3中風化泥質粉砂巖、c-3中風化凝灰質含礫砂巖。錢塘江屬感潮型河流,呈不規則半日潮型,水位直接受潮汐影響,變化幅度大,場區地處強潮河口,獨特的地理環境形成了舉世聞名的錢江涌潮。每當大潮汛時期,潮頭涌高可達2.0m以上,漲潮流速可達3.0m/s以上。由于水動力條件復雜,錢塘江杭州段河槽極不穩定,歷史上曾形成大沖大淤的變化,年內沖淤特點表現為“洪沖潮淤”,隨著兩岸標準堤防的建成,岸線受到堤塘的限制,目前岸線已經基本趨于穩定。

1.2 模型建立及基礎算例

1)本構模型建立及基本假定

結合該基坑現場工程地質條件,運用有限元軟件采用修正Mohr-Coulomb彈塑性本構模型,建立超深大偏載基坑數值三維模型。在依托項目偏載超深基坑的三維有限元建模過程中,由于數值模擬的工況設置與工程實際情況存在差異,為使有限元模擬能更好貼合工程實際,盡可能還原真實施工狀況,對有限元建模進行基本假定:根據地質勘察報告進行地層建模,發現基坑北側的山體高差為20.0m,主要以不同風化程度的泥質粉砂巖為主,山體頂端以粉質黏土為主,基坑離山體最近距離為9.85m;基坑南側為錢塘江,取水位為5.000m[11],基坑南側離溪流最近處為8.51m。各土層以各向同性的彈塑性土體分布,地下連續墻、支撐、冠梁等假定為彈性體,采用分層開挖的方法對基坑進行數值模擬計算。

2)建模設置及模型建立

運用有限元軟件建立三維模型,本模型考慮到基坑開挖施工的主次影響區,為減少邊界效應對計算結果的影響,將基坑邊界到模型邊界的距離均設置為基坑開挖深度的3倍,土層深度設置為地下連續墻深度的2倍,最后確定整個模型尺寸為長220m,寬200m,高60m。模型位移邊界為土體邊界左右兩側施加法向約束,底部邊界施加軸向約束。對基坑進行網格尺寸控制,基坑開挖土體及周圍土體設置網格尺寸為2m,山體與各地層設置的網格尺寸為6m,對模型進行網格劃分,劃分后模型總計114 920個單元,如圖3所示。模型具體布置及基坑內部各種支護形式主要有基坑圍護結構地下連續墻為25m,基坑內部設置600mm×600mm的鋼格構柱,頂部設置1 000mm×1 600mm的混凝土冠梁,為有效模擬河流偏載對基坑的變形影響,在基坑南側河流底部施加25kPa和65kPa均布荷載[12],以模擬江河潮汐效應。如圖4所示。

圖3 潮汐影響偏載超深基坑數值基本模型

圖4 超深基坑圍護結構示意

土層物理力學參數如表1所示。模型中各種結構構件,包括基坑地下連續墻、基坑支撐結構及基坑底板等都采用彈性模型,其中地下連續墻采用2D板單元,各個支撐采用1D梁單元,符合各種圍護結構的力學性質,結構材料具體參數如表2所示。

表1 土層巖體物理力學參數

表2 支護結構材料參數

2 潮汐作用下滲流場變化規律對超深基坑影響分析

通過文獻[2]調研可知,近海地下水位對潮汐環境的靈敏程度隨滲流距離逐漸衰減。基坑采用1 200mm厚地下連續墻圍護,本次水位監測主要是潛水水位觀測,主要目的是防止圍護結構滲水,避免造成水土流失所引起的周邊環境變形或破壞。

水位埋設按基坑四周每30m布設1個孔,共設置7個(東、西、南三側各2個,北側布置1個)水位觀測孔。通過工程現場設置水位觀測點,實測潮汐作用下緊鄰基坑水位數據,通過理論分析及數值求解,建立基坑滲流場時空演化模型,揭示基坑周邊地下水與錢塘江潮汐效應聯動規律。

1)由于地質構造差異顯著,基坑北側地下水位基本不受潮汐影響,東、西兩側地下水位隨錢塘江潮汐有明顯滯后衰減波動規律,南側地下水位與錢塘江水位聯系較為緊密,受潮汐直接影響較大。

2)降水過程中觀測井地下水位對潮汐波動反應比較敏感,基坑水位觀測井單井涌水量明顯與潮汐周期有關。

3)根據現場監測數據,利用在潮汐波動影響下的地下水運動方程[2]計算可得:基坑地下水位降深為15.0m時,潮汐波動作用下水力坡度的變化為:0.011 25～0.014 58。在該水力坡度作用下,潮汐對基坑涌水量的補給量為30m3/h。

4)通過理論分析及數值求解,可知基坑監測水位的變化相對于潮汐變化有較大的相位差,說明基坑附近的地下水對潮汐循環荷載的響應有明顯的滯后性;雖然潮汐水流進入土層邊界時的水頭衰減較大,但是在滲流介質中,水頭衰減變化相對較小,在滲流路徑中水頭變化比較穩定。

5)在基坑邊界處監測所得水頭變化振幅有稍微增大的趨勢,南側基坑周圍會產生較高的孔隙水壓力,然后依次向東西兩側地下連續墻進行滲流解壓,最后是北側地下連續墻,北側巖體地勢較高,受滲流影響相對較小。在基坑施工過程中應足夠重視其對基坑支護以及周邊建筑的影響。

3 偏載超深基坑變形數值模擬計算

3.1 模擬工況設置

本基坑工程總開挖深度為36.4m,但是在開挖20.0m后整個基坑全斷面進入基巖內。本次利用有限元軟件模擬的偏載基坑算例,其區域開挖深度設定為20.0m,分4層開挖,基坑南北側設置山體與河流兩種不同的地形偏載荷載?；訁^間內支撐系統為普通混凝土支撐與鋼支撐,其中第1,4道支撐為混凝土支撐,第2,3道支撐為鋼支撐。根據基坑實際施工步驟設置工況如表3所示。

表3 基坑施工步驟及工況設置

利用上述三維有限元模型,運用有限元軟件對大偏載深基坑工程開挖及對周圍環境的影響進行數值模擬研究,其中在三維模型中選取的斷面位置與現場實測斷面一致,同樣選取4個斷面對數值模擬計算結果進行分析,得到在偏載條件下各開挖工況過程中,基坑地下連續墻水平位移、各支撐軸力與墻后地表沉降的變形規律。

3.2 地下連續墻水平位移變形分析

隨著基坑開挖不斷加深,在不同施工工況下基坑兩側圍護地下連續墻變形方向均為向基坑內部發展,隨著工況的推進,基坑開挖深度逐漸增加,圍護地下連續墻的水平變形也不斷增大。地下連續墻變形最大值所在位置隨著開挖深度增加而向下移動,基坑兩側地下連續墻位移曲線呈現為先增大后減小的“凸肚”變形規律,其最大變形主要位于地下連續墻中部8～10m處,漲潮后潮汐荷載增加導致臨河側地下連續墻位移略微增大,而臨山側地下連續墻位移增大較多,這說明受潮汐荷載與偏壓山體荷載共同作用產生的位移影響更大?？紤]潮汐荷載及現場工況的計算分析結果如圖5～7所示。

圖6 臨河側地下連續墻水平位移曲線

圖7 臨山側地下連續墻水平位移曲線

3.3 地表沉降位移云圖分析

在地形偏載條件下,隨著基坑開挖深度的增加,周圍地表沉降變化主要表現為地表沉降曲線呈現先增大后減小的趨勢,兩側地表沉降最大值也逐漸增大,最大值往往位于距離基坑6m左右的位置,鄰山側偏載荷載較大,地表沉降普遍大于鄰河側,鄰近基坑邊緣由于樁土變形協調的問題,樁土相互作用不明顯使得周圍出現隆起。潮汐作用使基坑周圍地表沉降發生明顯變化,受潮汐荷載擠壓,各位置表現出沉降大幅減小及隆起略微增長,這表明土體受潮汐荷載擠壓顯示出更好的抗沉降能力?？紤]潮汐荷載及現場工況的計算分析結果如圖8～10所示。

圖8 基坑周圍地表沉降變形(單位:mm)

圖9 臨河側地表沉降變形曲線

圖10 臨山側地表沉降變形曲線

4 偏載超深基坑變形控制手段

4.1 基坑分段分層開挖及支撐腰梁永臨結合施工方案設計

基坑橫向分2個結構段、豎向分8層進行開挖。豎向第1層挖到第1道混凝土支撐底,該層開挖厚度為0.9m;豎向第2層挖到第2道鋼支撐底,該層厚度約為4.8m;豎向第3層挖到第3道混凝土支撐底,該層厚度約為3.4m;豎向第4層挖到第4道混凝土支撐底,該層厚度約為6.4m;豎向第5層挖到第5道混凝土支撐底,該層厚度約為6.1m;豎向第6層挖到第6道混凝土支撐底,該層厚度約為6.4m;豎向第7層挖到第7道鋼支撐底,該層厚度約為4m;豎向第8層分層開挖至基底,該層厚度約為4.4m;總開挖深度為36.4m。

本工程基坑作為盾構接收井,開挖深度大,考慮結構梁板回筑不及時,在方案設置初期,考慮基坑內力體系復雜,經反復研究,提出將原設計明挖順作調整為混凝土支撐體系為永臨結合的樓層環框梁,綜合采用側墻逆作結構跟隨法的總體施工方案。

4.2 偏載超深基坑開挖變形監測

在實施過程中主要進行了土體位移監測、地下水位監測、支撐軸力監測、地表沉降監測、圍護結構水平位移和沉降監測、圍護結構變形監測、周邊建筑物和管線的沉降及位移監測、錢塘江大堤水平位移及沉降監測。通過對全過程監測數據梳理并結合工況節點進行系統分析,可得出如下監測分析結果。

1)通過對不同土層土方開挖過程中圍護結構變形量的數據分析,帶偏載深基坑開挖過程中,軟土層一側基坑變形量大于巖層一側。

2)通過分析墻體位移及沉降監測數據,總結出潮汐對基坑圍護結構變形、支撐軸力存在一定的影響,潮起水位上升,圍護結構變形速率、軸力會增大,潮落反之。

3)基坑不同土層開挖以及基坑降水后對基坑圍護結構和土體變形的監控量測可以對基坑開挖安全進行預測,可以指導后續施工,并創造經濟和社會效益。

5 工程實踐與數值模擬結果對比分析

5.1 地下連續墻水平位移對比分析

基坑鄰河側由于河流偏載相較于山體較小,使得對地下連續墻的水平位移影響較小。通過對比基坑兩側地下連續墻水平位移的變形情況,得出地下連續墻兩側水平位移隨著開挖深度的增加,由于地形偏載荷載的影響,呈現先增加后減少的“凸肚”形變化規律,且水平位移均為向坑內發展,如圖11所示。在地下連續墻的最大水平位移、最大變形發生的部位以及地下連續墻位移變形規律等方面,數值模擬計算結果與現場監測相近,體現了模型計算的科學性。

圖11 地下連續墻水平位移數值模擬與現場監測對比

5.2 周圍地表沉降對比分析

隨著基坑距離的增大,地表沉降曲線呈現先增大后減小的“勺子”形變化規律,地表沉降最大位置大多位移基坑邊緣5m處,雖然各個斷面下地表沉降的計算結果與實測值存在差異,但兩者沉降曲線的變化趨勢基本一致,如圖12所示。

圖12 地表沉降數值模擬與現場監測對比

5.3 支撐軸力對比分析

混凝土支撐軸力變化規律較為一致,由于地下連續墻水平位移隨基坑開挖增大,支撐軸力總體呈上升趨勢,隨著后續支撐的不斷設置,該支撐軸力逐漸下降直至趨于穩定;鋼支撐方面,軸力最大值發生在ZCL11-2,數值模擬得出為7 560kN,現場監測在軸力最大值方面有一定區別,如圖13所示。ZCL11-2與ZCL11-3軸力的變化趨勢比較一致,隨著開挖的不斷推進,軸力先增大后趨于穩定。其中由于地下連續墻水平位移最大值發生在地下10m,為ZCL11-2位置,為減少地下連續墻變形,該處支撐軸力應最大。

圖13 基坑支撐軸力數值模擬與現場監測對比

6 結語

本文針對鄰江潮汐超深偏載基坑在潮汐動力影響下的滲流場演化特征及支護對策問題,以實際的鄰江基坑工程為研究背景,采用理論分析、數值模擬和現場監測等手段,重點分析了鄰江靠山深大基坑滲流場的時空演化特征,探討、提出并驗證了鄰江靠山深大基坑的支護對策。通過對上述內容的分析研究,主要得到以下結論。

1)通過理論分析及數值求解,可知波動帶水位的變化相對于潮汐變化有較大的相位差,說明基坑附近的地下水對潮汐循環荷載的響應有明顯的滯后性且整體隨滲流路徑的增加呈現明顯的衰減變化;在基坑圍護結構處其水頭變化振幅有增大的趨勢,呈現較高水頭勢能。因此,潮汐波動帶影響區域的基坑周圍會產生較高的孔隙水壓力,在基坑的施工過程中應加以重視。

2)通過運用三維有限元數值模擬計算軟件,對潮汐波動帶偏載超深基坑施工的工況進行數值模擬分析,地下連續墻和混凝土支撐對深大基坑的支護均有明顯積極效果,相比于普通支護環境下的基坑支護,潮汐動力影響下的基坑支護更應引起足夠重視,因為錢塘江的潮汐對基坑穩定性具有一定的危害性及破壞性。

3)通過對鄰近錢塘江深大基坑工程進行包括墻頂沉降及水平位移、基坑周邊地下水位、鋼支撐軸力、墻身測斜、深層土體位移等項目的監測工作,分析監測成果與數值模擬對比分析可知,該實際工程的基坑穩定性良好,基坑圍護結構實測軟土層變形最大值28.37mm,巖層變形最大值11.71mm,周邊地表沉降最大值24.67mm,均滿足設計及規范要求,驗證了該項目所采用的“1 200mm地下連續墻+5道混凝土支撐+2道鋼支撐”的聯合支護形式。