地表深孔注浆对毗邻基坑建筑保护作用分析

王亚君, 武 科, 于雅琳

(1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心, 山东 济南 250061; 2. 山东大学 土建与水利学院, 山东 济南 250061)

地铁工程在建设过程必然遭遇十分重要且不可拆除的建筑物或者构筑物,如何保护建筑物和构筑物不受或者少受地铁施工的影响,成为地下空间研究的一个重要难题.目前,有许多工法可以保护毗邻地铁工程中的建筑物[1],而地表深孔注浆[2]加固便是其中一种十分有效的方法.该技术被广泛应用在煤矿巷道加固、公路隧道加固、地铁隧道下穿或上穿既有结构体.

国内外对于毗邻地下工程的建筑物的保护措施进行了广泛的研究.文献[3]建议通过采用基坑内部加大支撑轴力及其密度、先支撑后开挖、基坑外止水帷幕以及补充地下水的方式,保护临近建筑物.文献[4]通过对桩基托换、地圈梁+扩大基础加固、异型钢板+预应力锚索等3种方案的比较分析,探讨了3种方案对建筑物保护效果.文献[5]通过有限元模拟,分析了隔离桩的长度、位置及桩体刚度对于临近建筑物差异沉降的影响.文献[6]通过监测数据分析,验证了逆作法、管幕法等对历史建筑和古树的保护效果.文献[7]根据建筑物和周边环境特点,分析了建筑物的保护措施和基坑的支护方案.文献[8]研究了围护结构施工对历史保护性建筑物的影响.文献[9]基于监测数据对建筑物的沉降形态进行了分析研究,并指出建筑物的沉降形态与建筑物各点距基坑的距离、建筑物本身的上部刚度和基础形式以及基坑的三维效应密切相关.文献[10]基于三维数值模拟,并结合现场监测,研究了不同基坑支护方案及技术措施对基坑变形控制及历史建筑保护的有效性.文献[11]基于ABAQUS数值模拟,研究了隔断墙对建筑的保护效果.文献[12]基于监测数据,分析了新型组合桩对建筑物沉降的抑制作用.目前,深孔注浆技术在建筑物加固方面的应用还鲜有研究,分析深孔注浆技术对基坑变形、基坑支撑内力及所加固的建筑物的影响,对深孔注浆技术在毗邻基坑建筑物的加固工程中的推广有着重要意义.

为此,依托于深圳市轨道交通10号线工程益田停车场出入线区间的基坑,通过ABAQUS数值模拟,创建3种方案下的模型,深入分析深孔注浆加固对于变电站地基沉降、基坑侧壁横向位移、支撑内部应力分布以及注浆孔内应力分布的影响规律,对深孔注浆加固技术在实践中的应用有着一定的指导借鉴作用.

1 工程概况

1.1 依托工程概况

深圳市城市轨道交通10号线工程益田停车场出入线区间,起于福田口岸站西侧端墙,止于益田停车场东侧端墙.本次重点研究对象为益田变电站段,其与基坑的空间位置关系如图1所示.

图1 益田变电站与明挖区间空间位置关系

1.2 变电站保护措施

为了减小施工过程中益田变电站与明挖区间基坑的相互影响,在基坑开挖之前，首先对变电站进行加固,具体的加固方案如图2所示.益田变电站靠近基坑侧采用两排地表深孔注浆加固,加固深度为强风化花岗岩地层下1.0 m.地表深孔注浆加固的浆液采用水泥与水玻璃双液浆,浆液的扩散半径为0.8 m,注浆孔间距为1.0 m,采用梅花型布置,注浆压力控制在0.5～0.8 MPa,注浆顺序采用先对基础两边注浆，再对靠近明挖区一侧注浆，采用隔孔交替的方式进行注浆.

图2 益田变电站的保护加固措施图

2 数值模拟方法

2.1 数值计算模型

根据GB 50059—2011《35～110 kV变电所设计规范》,取楼面均布活荷载为10 kN·m-2,荷载分项系数取1.4,将每层梁、板和柱等结构自重荷载(共有3层)简化为6.0 kN·m-2,荷载分项系数为1.3,所以简化荷载σ为

σ=1.4SQ(N-1)+1.3SGN=

1.4×10×2+1.3×6.0×3=51.4 kPa.

即变电站上部结构荷载可简化为地基上51.4 kPa的均布荷载.

变电站靠近基坑侧有消防水池,消防水池靠近基坑的一边距离基坑地连墙的外边缘3.78 m,变电站的外边缘与基坑地连墙的外边缘相距12.00～15.00 m.为了便于建模及力学机理分析,不予考虑变电站外侧的消防水池,作为补偿,将变电站外边缘与基坑外边缘简化为相互平行的两条直边,并将两者的距离拉近到5.00 m.地表深孔注浆加固区域,考虑到注浆扩散效果不一,将每个注浆孔简化为单根桩,采用梁单元模拟,岩土体和地连墙采用三维八节点实体单元,支撑采用梁单元.其中方案1的数值计算模型及网格如图3所示.其中模型长为112 m,宽85 m,深105 m,网格数目为33 033个,边界条件为模型的前、后、左、右及下边界均约束住其法向位移.

为了分析地表深孔注浆加固对于变电站基坑的保护效果,采用3种方案进行模拟.方案1为不考虑地表深孔注浆;方案2为采用深孔注浆加固,深孔注浆范围为变电站靠近基坑的一边的外边缘与垂直于基坑的两边的一半;方案3为采用深孔注浆加固,深孔注浆加固范围为将变电站3面围住,仅留变电站远离基坑的一边.

图3 数值计算模型及其网格图

2.2 力学参数

根据《深圳市轨道交通10号线地质勘探报告》,确定数值模拟中相关的材料参数.表1为数值模拟中的材料参数表.

表1 数值模拟中的材料参数表

2.3 分析方法

数值模拟中,采用的模拟步骤与实际工程中的施工步骤相同,具体如表2所示.

表2 数值模拟步骤

3 结果分析与讨论

为了分析地表深孔注浆对建筑物和基坑的保护作用,以及两种不同范围的地表深孔注浆对建筑物和基坑保护作用的不同,重点对ABAQUS数值模拟结果中建筑与基坑的整体变形、建筑物地基的沉降变形、基坑内边缘的侧向变形、注浆孔中弯曲应力分布以及支撑内部应力分布等方面的情况进行相关分析,进一步揭示地表深孔注浆的保护作用机理.

3.1 地表沉降情况分析

1) 竖向变形分析.基坑开挖完成之后,基坑的竖向变形云图如图4所示,变电站中间切面的竖向变形云图如图5所示,其中z代表竖向位移.

图4 沉降云图

图5 基坑及变电站地基中间切面的沉降云图

由图4,5可知: ① 方案1基坑最大沉降量为7.67 mm,发生在电站地基的中间位置,隆起量最大值为3.78 mm,两处隆起量最大的位置发生在基坑的底面距离基坑两边1/4的位置,而不是在基坑底面的中心. ② 方案2基坑的最大沉降量为3.60 mm,同样发生在变电站地基的中间位置,最大隆起量为3.10 mm,位置与方案1的相同. ③ 方案3基坑的最大沉降量为2.73 mm,发生在基坑左侧(变电站相反的一侧),最大隆起量为3.00 mm,发生位置与方案1相同.由此可以看出,相较于不施工地表深孔注浆的方案1而言,方案2和方案3中,十分明显地抑制了变电站的沉降,其中方案2比方案1减小了52.2%的沉降量,方案3比方案1减小了64.4%的沉降量,方案2和方案3在降低变电站的沉降效果相近.方案3基坑的最大隆起量最小,但总体而言,3种方案的最大隆起量相差不大,说明地表深孔注浆对于控制基坑的隆起效果不明显. ④ 深孔注浆将变电站与基坑分离开,形成一个孤岛,致使其变形与基坑之间的相互影响变小.

图6为基坑上边缘沉降变形曲线.由图6可知,变电站地基竖向变形呈现出中间大两边小的现象,形状与抛物线相近,地表深孔注浆不仅控制了地基中间变形最大的位置,也控制了地基两边的变形.方案3相对方案2而言,使变电站地基变形趋于均匀,原因在于,与方案2相比,方案3使得变电站地基下的岩土体更接近于一种三向受力状态,间接地提高了变电站下岩土体的承载能力.

图6 基坑上边缘沉降变形曲线

2) 横向变形分析.基坑开挖完成之后,基坑的横向变形云图如图7所示,变电站中间切面的横向变形云图如图8所示.其中y代表左右向位移.

图7 横向变形云图

图8 中间切面横向变形云图

由图7,8可知: ① 方案1基坑最大横向变形量为12.50 mm,发生在基坑变电站一侧第2道和第3道支撑的中间位置,基坑另一侧最大横向变形量为6.20 mm,位于第2道和第3道支撑中间的位置. ② 方案2基坑的最大横向变形量为8.23 mm,位置与方案1的相同,基坑另一侧最大横向变形量为6.84 mm,位置同样位于第2道和第3道支撑中间的位置. ③ 方案3基坑的最大横向变形量为7.53 mm,发生在基坑左侧(变电站相反的一侧)第2道支撑和第3道支撑中间位置,而基坑的另一侧最大横向变形量为6.15 mm,发生位置与方案1,2相同.可以看出方案2,3明显地减小了基坑靠近变电站一侧的横向变形量,其中方案2比方案1减小了34.16%,方案3比方案1减小了39.76%,说明方案2和方案3在减小基坑横向变形量上是相差不多的.同时,相对方案1而言,方案2和方案3基坑左侧(与变电站相反的一侧)的最大横向变形量增加了,但是增加的幅度不大.

3.2 注浆孔应力应变分析

注浆孔的横向变形云图如图9所示.方案2,3的最大横向变形量分别为6.49,4.21 mm,两个方案注浆孔的横向变形量相差不大.由图9可知,方案2和方案3的横向变形云图形状大致相仿.为了分析注浆孔的应力情况,将注浆孔地面以下10 m和地面以下20 m位置注浆孔的弯曲应力绘制成曲线,分别如图10和图11所示.

图9 注浆孔横向变形云图

图10 方案2注浆孔不同深度的弯曲应力曲线

图11 方案3注浆孔不同深度的弯曲应力曲线

由图10,11可知:方案2注浆孔的弯曲应力值分布较方案3更均匀,且有规律性;方案2中,在地面下10 m水平面处,在变电站靠近基坑的两个角部的注浆孔中出现了两处应力集中的地方,应力值分别达到了1.80,1.53 MPa,其他区域应力分布比较均匀;方案3中,注浆孔应力水平比较大,但基本形状与方案2相近,同样出现了两处应力集中的位置,应力集中处都接近3.5 MPa,位置分别为变电站靠近基坑的两个角部的注浆孔,此外，其他注浆孔的应力分布比较均匀;在地面下20 m处,方案2的应力分布十分均匀,且有规律性,形状呈抛物线,而方案3中注浆孔的应力值变化比较频繁,呈锯齿形分布,规律性不如方案2,注浆孔的应力值比方案2大些.

综上,方案2注浆孔中应力分布比方案3要小许多,而且更为均匀合理,方案3中应力集中现象比较严重,应力分布不太均匀.主要原因为注浆孔将变电站三面围住,虽然提高了变电站的地基承载能力,但是与此同时,注浆孔也承担了更大的应力,承担了更大的风险.同时,在地面下10 m的水平面上,注浆孔出现了应力集中的现象,而且两个方案应力集中的位置均是相同的,即位于变电站角部所对应的注浆孔中.注浆孔主要承受来自变电站地基及其以下岩土体的侧向土压力,在侧向土压力的作用下,角部注浆孔的应力集中与建筑结构中的框筒结构的剪力滞后[22]现象非常相近.

为此,将方案2,3的角部和中间注浆孔应力单独进行分析,绘制成曲线,如图12所示.

图12 角孔和中间孔弯曲应力分布规律

由图12可知:方案2,3的中间注浆孔应力都很小,且沿着孔深度方向上变化不大;两个方案的角孔应力最大值均出现在深度为14 m处,而方案2角孔的应力最大值仅为2.0 MPa,方案3为6.4 MPa,是方案2的3.20倍.方案3角孔应力最大值是其中间孔应力最大值的4.27倍,方案2角孔应力最大值是其中间孔应力最大值的2.30倍.方案2,3角孔均呈现出较高的应力集中现象,对注浆孔加固区域的安全性不利,且方案3角孔应力集中程度更高.

3.3 支撑应力应变分析

为了分析3种方案下支撑的应力应变情况,将3种方案下支撑的中点应力值绘制成曲线如图13所示.

图13 支撑内部应力曲线图

由图13可知:3种方案第1层支撑正应力值基本相同;方案1第2层支撑的弯曲应力最大,方案2次之,方案3最小;方案1第3层支撑的弯曲应力最大,方案2次之,方案3最小.3种方案对于第1层支撑内部的应力水平影响非常小,方案2和方案3的第2,3层支撑的应力均明显减小.另外,3种方案中,均是第2层支撑应力最大,第3层次之,第1层最小.

4 结 论

1) 地表深孔注浆技术可以使得建筑物地基的沉降变形得到有效地抑制,从而保护毗邻基坑的建筑物.另外,地表深孔注浆技术可以减小基坑支撑内力,从而可以减小基坑支撑的截面,有一定的经济性.且地表深孔注浆技术可以减小基坑的横向变形,从而达到保障基坑稳定性的目的.

2) 在设计地表深孔注浆加固方案时,应该考虑应力集中的影响,避免角部注浆孔出现比较大的应力集中现象,应该尽量使注浆孔内应力分布比较均匀,采用在被保护建筑物靠近基坑的半圈进行地表深孔注浆的形式,如方案2.

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