滨海沼泽区地铁车站深基坑开挖变形

任晓敏, 刘俊杰, 刘俊伟, 王 晨

(1. 中建八局轨道交通建设有限公司, 江苏 南京 210046; 2. 青岛理工大学 土木工程学院, 山东 青岛 266033; 3. 潢川恒石市政建筑有限公司, 河南 信阳 465150; 4. 山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心, 山东 青岛 266033)

地铁作为一种新兴的地下交通工具已经融入到了公共大众的日常生活.深基坑的开挖伴随着土方的大量卸载,原有的水土压力平衡体系被打破,必然会对周边环境造成一定的不利影响,因此对地铁车站深基坑施工过程进行动态监测是必不可少的,通过反馈并分析监测信息,及时调整设计和施工方案,对保证基坑开挖安全和达到动态设计与信息化施工具有极其重要的意义.因此,很多学者和工程人员对基坑开挖开展研究.杨有海等[1]根据杭州地铁车站基坑实际情况分析了软土地区的基坑开挖变形规律;霍润科等[2]结合施工监测与数值模拟对比分析了基坑的开挖变形;张艳书等[3]通过数值模拟分析软土地层厚度、埋深变化对基坑开挖变形的影响;Clough等[4]根据大量粘土与砂土中基坑监测数据总结得出围护结构最大水平位移δhmax与系统刚度S的关系曲线;Finno等[5]对粘土地层某深基坑开挖进行三维效应下的变形分析并提出一种预估墙后土体变形的计算模型;Goh等[6]使用有限元分析研究了影响基坑开挖引起地表沉降的主要参数并建立了用于预测地表沉降的人工神经网络模型.

青岛某滨海沼泽区地质上软下硬,土体含水量高,水位埋深浅,这种情况下深基坑的降水开挖支护难度大,易造成基坑底隆起变形和围护结构变形增大等,影响基坑的稳定.因此在基坑施工过程中进行有效的实时监测分析并及时发现不稳定因素,保障基坑开挖的安全性是必不可少的.本文结合青岛地铁某站深基坑开挖分析上软下硬富水土层深基坑在开挖与支护过程中的监测数据,采用Midas GTS NX软件建立三维数值模型,将计算数据与监测数据进行对比,系统分析总结相关规律,为基坑安全提供设计建议和技术指导.

1 工程概况

1.1 工程地质

地铁车站位于青岛滨海沼泽区,工程场地地质分区主要为滨海沼泽带区,地貌类型主要为滨海堆积浅滩,地形较平坦,地面高程1.9～5.6 m.地铁车站基坑长为212 m,宽为20 m,开挖深度平均18 m.根据场地勘察情况,该工程场地土、岩层自上而下物理力学指标如表1所示.地下水类型主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水,水位埋深0.10～1.80 m,水位标高1.62～3.25 m.

1.2 基坑支护及开挖方案

标准段基坑深度为17.11～18.65 m,宽度为20～25.3 m.主体围护结构采用φ1 000 mm@1 400 mm钻孔灌注桩排桩墙,沿竖向设置三道内支撑,第一道支撑采用800 mm×1 000 mm混凝土支撑,局部斜撑为600 mm×600 mm,水平间距为9 m,第二、三道支撑采用φ609 mm厚16 mm钢管支撑,水平间距为3 m.基坑开挖的主要施工工况如表2所示,基坑开挖标准段竖向分层示意图如图1所示.

表2 基坑开挖主要施工工况

图1 基坑开挖竖向分层示意图

1.3 监测项目及监测点布置

对基坑进行行之有效的变形监测是预知危险保障安全的重要手段,本文对基坑围护桩深层水平位移、基坑周边地表沉降、支撑轴力三个方面的监测数据进行分析.基坑开挖平面为对称矩形,基坑西侧监测点平面布置图如图2所示.

图2 监测点平面布置图

2 监测数据分析

2.1 围护桩深层水平位移

图3为基坑开挖各个时间节点监测的围护桩水平变形曲线,CX1位于基坑西侧端头井段,CX7位于基坑标准段北侧.由变形曲线可知,在整个基坑开挖过程中桩体深层水平位移随深度的变化特征均为两端变形小、中间变形大的“弓”形,即桩体水平位移随深度的增加先逐步变大然后又逐渐减小,这与杭州软土地区多个基坑工程的监测结果相似[7-9].由图3可知两个测点的最大桩体深层水平位移均出现在约10 m桩体深度处(约为0.55H,H为最大开挖深度),最大水平位移分别仅为12 mm(0.067%H)和8 mm(0.033%H),上述结果同上海软土深大型基坑相比,狭长型车站深基坑的最大水平变形量偏小[10],桩体的水平位移变化不大,说明该地区的车站基坑开挖采用排桩墙加内支撑的结构形式稳定性很高,同时开挖土体前降水措施效果良好,并没有因为地下富水对土体和支护结构产生很大影响.

图3 CX1和CX7围护桩水平位移-深度关系曲线

图4为CX1、CX7围护桩最大水平位移随基坑开挖时间的变化曲线,可以看出两个测点的最大水平位移均随着基坑开挖呈现线性增长,当基坑开挖完成后,最大水平位移趋于稳定,同时端头井处的变形相比于标准段发展更快一些,分析是端头井部分开挖进程优先支护系统尚未成形的原因.

图4 围护桩最大水平位移随时间变化曲线

2.2 基坑周边地表沉降分析

图5分别为基坑南侧标准段CJ1～CJ7测点与基坑西侧端头井段CJ8～CJ14测点的地表沉降量随基坑边缘距离的变化曲线.通过变化曲线可知:基坑南侧与西侧的地表沉降变化趋势基本一致,即随距离的增加先不断增大后逐渐减小,基坑开挖导致的地表沉降影响范围约在2H.地表沉降量存在最大值,基坑标准段南侧最大沉降量位于坑外10 m左右,最大沉降量约为10.5 mm,基坑西侧端头井段最大沉降量也位于基坑外10 m左右,最大沉降量约为9.3 mm.其中,最大地表沉降点距离基坑边缘0.6H,最大地表沉降量约为0.058%H,远小于上海软土地区平均值0.38%H[11],整体的地表沉降变化小,分析是因为该地区下部岩层在基坑开挖过程中的变形发展缓慢且小的原因,这些沉降规律与文献[3]中所述的软土地区狭长型地铁车站深基坑开挖模拟得到的结果相似.Clough等[4]认为基坑的地表沉降曲线的分布形式取决于沉降量的大小,沉降量小时为抛物线形,沉降量大时为三角形,而本例中均为小沉降量的抛物线形,与其结论相吻合.Mana等[12]在统计各工况下多个基坑开挖的数据后发现,基坑围护墙最大水平位移δhmax与墙后地表最大沉降量δvmax之间存在δhmax>δvmax>0.5δhmax的关系,而本文工程监测数据大致存在δvmax=0.88δhmax的关系,也符合Mana等总结的规律.

图5 基坑南侧、基坑西侧地表沉降随距离变化曲线

2.3 内支撑轴力监测分析

图6为基坑标准段中部ZCL1处三道内支撑轴力随时间变化的曲线,根据轴力变化曲线可知,开挖深度较浅时,基坑侧壁土压力主要由第一道混凝土支撑承受,继续开挖施加第二道钢支撑后,第一道混凝土支撑的轴力逐渐下降,后趋于稳定.第二道钢支撑的轴力在施加第三道钢支撑后不再继续增加而呈现范围波动.基坑开挖深度大时,土压力主要由第二道钢支撑承受,第三道钢支撑轴力在短暂时间增长到一定范围后趋于稳定.总体来看,内支撑的轴力受基坑开挖深度、施工工况的影响比较大,Zhang等[13]在基坑开挖实测与模拟分析中同样发现基坑内支撑轴力受土层条件、开挖形状、内支撑和围护墙、开挖深度等各个因素的综合影响.本工程中内支撑轴力数值上与杭州地区类似富水软黏土车站深基坑开挖相比较小[7],分析可能与施工工艺方法和沼泽区地质环境存在密切关系.综合分析,在施工过程中需要加强对第二、三道支撑的监测,防止出现影响基坑稳定的非正常波动变化.

图6 内支撑轴力随时间变化曲线

3 基坑开挖数值模拟分析

3.1 数值模型建立

采用Midas GTS NX软件建立的三维数值计算模型如图7所示,通过模拟得到滨海沼泽区基坑开挖过程变形结果,并与工程监测数据进行对比分析来验证所建模型的合理性,以及该建模方法用于预测基坑开挖变形研究的可行性.模型土体本构采用MC模型,支撑结构为弹性模型,围护桩墙按照等刚度转换原则等效为地下连续墙结构.根据圣维南原理,基坑开挖影响区域为开挖尺寸的3～5倍,所以建立模型尺寸为350 m×140 m×60 m(长×宽×高),三维数值模型网格划分如图7所示.各土层选用表1中具体参数.根据实际施工工况将基坑开挖模拟分为6个步骤:1) 初始地应力分析;2) 围护桩墙施工;3) 基坑第一层土开挖及冠梁、混凝土支撑施工;4)基坑第二层土开挖及第二道钢围檩、第二道钢管支撑施工;5) 基坑第三层土开挖及第三道钢围檩、第三道钢管支撑施工;6) 开挖第四层土体直至结束.

图7 三维数值计算模型

3.2 围护桩墙变形分析

图8为基坑围护桩墙的变形云图,从图中可以看出围护结构整体呈现向基坑内部变形的“弓”形,即围护桩墙中部变形大,上下部变形小,这与滨海沼泽区车站基坑围护桩监测得到的变形特征一致.对CX1和CX7点位置处的桩体水平位移实测值和模拟值进行对比分析,如图9所示.从图中可以看出,模拟值与实测值整体变化形式基本相同,数值也比较接近,最大水平位移均出现在约10 m深度处.对比分析说明数值模型的建立、参数选取等合理,用于滨海沼泽区基坑开挖的模拟计算比较成功.Zhang等[14]在软黏土内支撑深基坑开挖有限元模拟分析中考虑了小应变硬化土模型本构,模拟结果同样发现围护墙体呈现“弓”形特征,随着基坑开挖深度的增加,墙体最大挠度逐渐增加形成肚鼓形.

图8 地下连续墙整体变形云图

图9 CX1、CX7测点围护桩水平位移实测与模拟值对比

3.3 周边地表沉降分析

图10为模拟基坑开挖完成后地层竖直方向上的位移云图,可以看出基坑周边发生了明显的沉降,最大沉降点距离基坑一定距离.对比基坑南侧CJ1～CJ7测点和基坑西侧CJ8～CJ14中最大地表沉降监测值与模拟值分别如图11所示,两者数值相差不大,最大沉降点的沉降值和到基坑的距离也非常接近.王卫东等[11]根据统计的众多软土地区基坑开挖数据对比发现,对于墙后地表沉降分布呈现凹槽形的基坑,紧邻墙后处的地表沉降量一般处于0～0.5%H范围,最大地表沉降一般发生于距离围护墙0.3H～1.0H之间的位置,而在1.0H～4.0H的范围内沉降逐渐衰减至可以忽略的大小,墙后地表沉降的影响范围一般不超过4.0H.1.0H范围内为沉降最大范围,1.0H～4.0H范围为沉降过渡区域.本文滨海沼泽区车站基坑的实测值与模拟值最大地表沉降值均出现在0.56H,紧邻墙后的地表沉降量也均处于0～0.5%H范围,与上海软土地区基坑开挖地表沉降规律相一致[11].而Zhang等[15]根据新加坡上土下岩地层车站基坑开挖测量发现的最大地表沉降点发生在1.0H,存在一定差距,考虑与地下富水状态存在较大关联.

图10 土层总体变形云图

图11 CJ1～CJ7和CJ8～CJ14最大地表沉降实测和模拟值对比

4 结论

考虑滨海沼泽区工程环境的特殊性,对该地区车站深基坑开挖变形进行监测分析,并建立有限元模型对比分析发现:

1) 滨海沼泽区车站深基坑的围护桩深层水平位移-深度曲线呈现膨胀的“弓”形,即两头小中间大的形态.最大水平位移出现在0.55H(H为最大开挖深度),最大水平位移为0.067%H.

2) 基坑周边地表沉降均表现为抛物线形,沉降影响范围约为2H,周边最大沉降点距离基坑约为0.56H,最大地表沉降量约为0.058%H,基坑标准段的最大沉降量比端头井段稍大.

3) 基坑内支撑的轴力随施工工况的变化而变化,即每一道内支撑在施加后其轴力会逐渐增大,而随着下一道内支撑的施加会降低或稳定在一定范围内,该工况中第二道钢支撑轴力要比其他两道大.

4) 建立三维数值模型计算得到的桩体变形和地表沉降与实测值比较接近.滨海沼泽区车站深基坑与其他工程基坑呈现相似的开挖变形规律.