砂卵石地层基坑开挖模拟分析

温兆东

(苏州设计研究院股份有限公司，江苏苏州　215000)



砂卵石地层基坑开挖模拟分析

温兆东

(苏州设计研究院股份有限公司，江苏苏州215000)

摘要:采用FLAC3D软件，模拟了成都犀浦近接高铁及地铁高架桥墩的基坑开挖过程，通过数值计算，分析了不同开挖深度下基坑周边土体及桥墩的变形规律，证明了基坑支护结构的可靠性和安全性。

关键词:基坑，水平变形，竖向位移，桥墩

0　引言

成都犀浦城市下穿公路隧道由于近接城灌高架铁路及成都地铁二号线，在基坑开挖过程中对高架桥不可避免会产生影响。对于此类近接重要建(构)筑物施工的基坑，围护结构的水平变形及附近的重要建筑物的安全性是其重点控制对象，许多学者对此进行了较为深入的研究［1-5］。然而，该基坑由于靠近沉降控制严格的城际铁路(施工中最大允许沉降仅5 mm)，因此控制城际铁路高架桥墩的变形成为了本基坑支护设计的关键所在。为此本文通过数值计算方法，研究了不同开挖深度下的基坑支护结构内力及铁路高架桥墩的沉降，为工程的设计施工提供参考。

1　工程背景

老成灌路改造工程全线设置不同走向的犀安路下穿及犀浦站下穿2座隧道，其中U型槽段长度450 m，隧道暗埋段长度1 250 m。本工程为其中两个隧道施工，即犀安路口下穿隧道与犀浦双铁站前下穿隧道，下穿隧道布置为双向六车道，隧道结构边界与高铁墩柱间距至少保证9．0 m以上，隧道总长1．7 km，其中暗埋段长1 250 m、船槽长450 m，结构净宽27．2 m。

围护结构左侧采用钻孔灌注桩，右侧采用咬合桩，支撑采用钢管内支撑。支护方案见图1，其中，基坑最深处为14．32 m，由上至下共设4道横撑，间距分别为3．0 m，3．0 m，4．0 m和4．3 m，并在基坑中设立了3排格构柱，用于增加横撑的稳定性。

图1　基坑支护结构立面图

2　基坑开挖模拟

2．1计算参数选取及数值模型

根据地质勘查文件及基坑开挖后的地质揭露情况，本次模拟计算所选取的参数见表1～表3。

根据勘察设计资料，建立了如图2所示的三维数值计算模型，其中模型宽度为140 m，纵向长度30 m，高度70 m，基坑开挖深度14 m，相应的灌注桩深度为26 m。并在灌注桩与开挖土体、开挖土体和基坑底部以及灌注桩和周围土体之间设置接触，接触参数按照表3选取。

表1　结构参数及地质参数

表2　接触单元模型参数

表3　横向支撑及围护结构参数

图2　计算模型

2．2开挖步设置

开挖过程按照施工设计进行，开挖深度为14．32 m的基坑过程中，首先施加两侧灌注桩及咬合桩，随后按照3 m，3 m，4 m及4．3 m的深度分步开挖，每次开挖完成后即设置横向支撑。

2．3基坑变形分析2．3．1基坑水平变形分析

随着基坑开挖深度的不断增加，将引起支护结构产生变形与挠曲，造成支护结构后缘土体紧跟随支护结构一起产生运动，尤其是处于基坑水平表面的土体这种运动表现得最为明显。通过模拟开挖分析，得到了各开挖步的基坑水平位移，基坑及周围土体的水平位移云图见图3。

从图3可以看出，在各开挖步中，当采用咬合桩结合横向钢支撑的组合围护结构时，基坑侧壁的水平位移都非常小。在第1～第3开挖步过程中，基坑侧壁都没有出现指向基坑内的变形，开挖第4步时，基坑左侧侧壁出现了一定的正向位移(指向基坑内侧)，其值为0．4 mm，但是基坑右侧侧壁相应位置处并没有出现相应位移，表明桥墩在一定程度上影响了基坑两侧侧壁的变形特征，基坑左侧侧壁更容易出现较大变形，需要在施工中及时施加水平支撑，密切监测水平支撑的横向位移以及轴力变化。

从图中还可以看出，在前三步开挖过程中，基坑地表的水平位移都是指向远离基坑侧，这也是由于采用了水平支撑约束住了指向基坑内侧的变形。表明基坑围护结构合理可靠，能保证基坑安全。

图3　各分步开挖时基坑水平位移

2．3．2基坑竖向变形分析

基坑开挖过程中，随着开挖深度的增加，基坑底部隆起逐渐增大，并且带动靠近基坑周围的土体逐渐向上运动，而远离基坑的土体则发生下沉，各开挖步中基坑整体竖向变形如图4所示。

图4　分步开挖时基坑竖向位移

从图4可以看出，在基坑开挖各个阶段，地表沉降表现不很明显，最大沉降变形量不是位于基坑壁处，而发生在基坑外侧的地方，说明地表的初始沉降变形是从离基坑较远的地方开始的，而并非在基坑壁处。在各开挖步中，基坑的竖向变形最大值都位于基坑底部，各开挖步的坑底隆起值分别为2．3 mm，4．8 mm，5．9 mm和7．2 mm，基坑隆起值整体上相对较小，表明基坑的降排水措施起到了良好的效果，基坑没有因地下水的作用而出现底部失稳的情况。从图中还可以看出，高铁及地铁桥墩的存在，一定程度上影响了基坑周围的整体竖向位移分布，基坑周围土体由于挤压作用出现了整体向上位移。

2．3．3基坑水平支撑轴力分析

开挖过程中基坑轴力见表4。

表4　各开挖步基坑水平支撑轴力　kN

从表4可以看出，随着基坑开挖深度增加，第一排水平支撑的轴力表现为先减小后增大的趋势，在基坑开挖达到第3步时，第一排水平支撑达到了最小值4．2 kN;第二排水平支撑从开始施加到基坑开挖完成期间，其轴力都一直在增大，从60．2 kN增加至138．0 kN，最后达到了259．6 kN，每次增加1倍左右;第三排水平支撑在开始施加时轴力就达到了142．1 kN，而后增加至343．9 kN。从总体上看，基坑水平支撑的轴力最大值出现在第三排横撑上，表明在开挖14．3 m基坑时，需要对第三排水平支撑的轴力进行密切监测，确保不会发生松弛，以确保基坑开挖的安全以及高铁安全。

2．3．4桥墩变形监测分析

由于基坑开挖卸荷影响，基坑周围土体会出现一定变形，这对基坑周围土体中的桥墩势必会产生一定的影响，桥墩可能会出现沉降变形。当桥墩周围土体存在较大不均匀沉降时，桥墩还可能会发生倾斜，造成高铁和地铁停运，将造成不可挽回的损失，因而控制桥墩的沉降以及差异沉降对犀浦下穿隧道的成败至关重要。为此在基坑模拟开挖计算中，对桥墩的沉降以及水平变形都进行了监测，以研究各开挖步中桥墩的沉降以及水平位移，确保高铁及地铁的安全运营。监测点布置如图5所示，桥墩竖向沉降和水平位移曲线如图6和图7所示。

图5　桥墩监测点布置图

图6　桥墩沉降曲线

图7　桥墩水平位移曲线

从图6可以看出，桥墩的整体沉降与基坑开挖深度呈正相关关系，在基坑开挖第1步时，桥墩随之发生沉降，且左侧桥墩的沉降量大于右侧桥墩，这与上节中的土体整体变形趋势一致，即相对远离基坑侧壁的土体和桥墩较近侧的土体和桥墩产生了更大的变形。究其原因，是由于咬合桩的设置使得发生偏向基坑位移的土体外移，基坑围护桩附近的土体与围护桩结构都保持一个非常低的竖向变形特征。因此在基坑开挖施工过程中，需要密切监测左侧桥墩及较远土体的竖向变形，避免基坑发生较大的隆起。

由图7分析桥墩的水平位移也发现类似的趋势，桥墩的水平变形是指向远离基坑侧，且随着开挖深度增加水平位移也逐渐增加，此现象也可以由土体发生的微小塑性流动加以解释。结合桥墩的竖向位移和水平位移特点可以看出，犀浦下穿隧道的基坑开挖对桥墩的影响都非常小，所产生的竖向和水平位移都在可控范围内，但是需要注意，由于桥墩并不是单纯的支撑上部荷载，结构上还与上部结构联系在一起，对于高次超静定结构，微小的位移也可能在结构中产生较大的结构次生应力，轻则出现屈服，出现连接部位损伤，重则影响结构耐久性，危及结构安全。

3　结语

利用有限差分软件FLAC3D模拟了近接高铁和地铁桥墩的下穿隧道开挖过程，通过分析各开挖步中的土体变形及桥墩变形，主要得到以下结论:

1)采用左侧咬合桩，右侧灌注桩并联合横撑及格构立柱的支护方式整体上科学合理，能有效控制土体及桥墩变形，保证结构安全。

2)从土体变形上看，左侧土体由于桥墩影响更容易出现变形，应重点监测其变形发展。

3)远离基坑的桥墩的水平位移相对于靠近基坑的桥墩较大，且竖向位移也存在类似趋势，且都小于限值，表明支护结构合理可靠。

参考文献:

［1］汪小兵，贾坚．深基坑开挖对既有地铁隧道的影响分析及控制措施［J］．城市轨道交通研究，2009(5):52-57．

［2］高广运，高盟，杨成斌，等．基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究［J］．岩土工程学报，2010，32(3):453-459．

［3］李平，杨挺，刘汉龙，等．基坑开挖中既有下穿地铁隧道隆起变形分析［J］．解放军理工大学学报(自然科学版)，2011，12(5):480-485．

［4］况龙川，李智敏，殷宗泽．地下工程施工影响地铁隧道的实测分析［［J］．清华大学学报(自然科学版)，2000，40(S1): 79-82．

［5］曹权，李清明，项伟，等．基坑群开挖对邻近既有地铁隧道影响的自动化监测研究［J］．岩土工程学报，2012，34 (S1):552-556．

Simulation analysis of pit excavation in sand and gravel stratum

Wen Zhaodong
(Suzhou Design and Research Institute Co．，Ltd，Suzhou 215000，China)

Abstract:The paper adopts FLAC3D software，simulates the pit excavation process of the express railway and subway elevated pier of Xipu in Chengdu，analyzes the change law for the surrounding soil of the pit and pier under different excavation depth according to the numeric calculation，and proves the pit support structure is reliable and safe．

Key words:foundation pit，horizontal deformation，vertical displacement，pier

作者简介:温兆东(1982-)，男，硕士，工程师

收稿日期:2015-10-20

文章编号:1009-6825(2016)01-0081-03

中图分类号:TU463

文献标识码:A