邻近密集管线深基坑开挖地层变形分析*

胡 运,周立成,苏悦琦

(1.北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司,北京 100037; 2.北京北投置业有限公司,北京 100029; 3.北京市市政工程研究院,北京 100037)

0 引言

地铁车站深基坑周边一般建(构)筑物密集、管线繁多,环境保护要求很高,呈现出“深、大、近、紧、难”的特点[1]。邻近密集管线下深基坑的开挖施工难度大,给深基坑支护的设计与施工及周围环境带来巨大的风险。

随着监控量测技术的进步,对基坑工程设计方法和理论的认识逐步提高,基坑工程的设计原则正从强度破坏极限状态向变形极限状态控制发展[2]。地下管线变形控制一直以来都是深基坑工程的建设难点,主要的研究方法包括理论分析[3]、现场监测[4]和数值模拟[5]。邻近密集管线下深基坑支护结构的变形及对周边环境的影响一般很难通过解析的方法求解,而数值分析及信息化监测的方法为解决这类问题提供了有力的工具。在现场监测方面,隋海波等[6]设计了一套基于BOTDR的新型基坑工程分布式光纤传感监测系统,可对管线的变形和泄漏进行监测,了解地下管线位移和变形动态。Wu等[7]提出了一种基于无人机图像的基坑施工安全快速监测方法,通过分析基坑的局部变形来评价其安全状态。在数值模拟方面,杜金龙等[8]运用FLAC3D有限差软件研究了不同管径大小对管线位移及地层变形的影响。赵平等[9]利用MIDAS-GTS研究了基坑开挖过程中,管线材质、管线位置对其自身位移的影响。金祎等[10]运用PLAXIS有限元软件模拟了基坑开挖对大直径管线的影响,分析了管线竖向位移与水平位移的差异变化。焦宁等[11]基于数值模拟研究了管线与基坑间距、管线埋深等因素对管线变形的影响规律,结果表明管线竖向位移和水平位移与管线埋深、管线与基坑间距成负相关,与基坑开挖深度成正相关。上述研究内容主要针对单一土层或软弱土层的小型基坑开挖对邻近管线的影响进行研究[12],对于复杂地质条件下,地铁深基坑开挖对邻近管线的影响研究较为缺乏。同时,现有研究主要调查了基坑开挖过程对既有管线竖向位移的影响,而对管线水平向附加变形的关注较少。本文以北京地铁17号线与10号线的换乘站太阳宫站深基坑工程为背景,对开挖过程中的地表沉降及管线变形进行现场监测,利用有限元软件MIDAS/GTS对基坑周边地表沉降、地下连续墙水平位移和既有管线变形进行分析,以期对北京地区今后的地铁车站建设提供技术依据。

1 工程概况

太阳宫站为北京地铁17号线与10号线的换乘站,位于太阳宫中路和太阳宫南街交叉口北侧。车站沿太阳宫中路南北向布置,位于太阳宫中路西侧辅路及太阳宫地产地块下方。车站为地下4层双柱三跨箱形框架结构,16 m岛式站台,总长220 m,中心里程处顶板覆土厚约3.4 m,底板底埋深约为28.63 m,轨面绝对标高13.222 m。车站土体采用明挖法施工,主体基坑小里程下沉段宽38.45 m,深约30.5 m;标准段宽26.1 m,深约28.8 m;大里程下沉段宽30.2 m,深约30.0 m。支护结构安全等级、基坑变形控制等级均为一级。车站主体围护结构采用1 000 mm厚的地下连续墙,标准幅宽为5 m或6 m,采用工字钢柔性接头,C35钢筋混凝土灌注。地下连续墙标准段嵌固深度为11.0 m,盾构下沉段嵌固深度为12.0 m,墙底均位于粉质黏土层。基坑小里程段和盾构段竖向设置6道钢支撑+1道换撑,标准段竖向设置5道钢支撑,如图1所示。第1道和第2道支撑采用φ800,t=16 mm,Q235B钢支撑,其余均采用φ800,t=20 mm,Q235B钢支撑。钢腰梁采用双拼I56b,设临时立柱,临时立柱采用500 mm×500 mm缀板式格构柱,临时立柱底部灌注桩采用φ1 000钻孔灌注桩。

图1 标准段剖面Fig.1 Profile of standard section

2 工程地质条件及周边环境

车站拟建场地位于北京市朝阳区,属平原地貌,地形较为平坦,地面高程为38.500～41.500 m。根据钻探资料及室内土工试验结果,本场地地层的物理力学参数如表1所示。太阳宫车站基坑周围既有地下管线情况复杂,已探明的各类地下管线近10种,其中车站范围内控制性管线主要有:车站南端东西延伸的3.6 m×4.2 m热力隧道,管内底埋深约11 m,距离主体基坑最近距离约10.8 m;车站南端东西向φ800雨水管,管内底埋深2.0 m;车站南端东西向φ500燃气管,管内底埋深2.0 m。

表1 地层物理力学计算参数Table 1 Physical and mechanical calculation parameters of formation

3 监测方案及数据分析

3.1 监测方法及测点布置

本车站基坑开挖深度大,根据GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》判定基坑风险等级为一级,监测等级为一级,确定施工监测范围为2H(H为基坑开挖深度)范围内均需要进行监测。采用Trimble DINI03型电子精密水准仪(精度±0.3 mm/km),对基坑开挖过程中的周边地表沉降和管线沉降进行监测,分析深基坑施工对原始地层的影响程度及可能产生失稳的薄弱环节。根据该基坑工程明挖顺作法的具体情况,在基坑四周距坑边10 m范围内沿坑边布设沉降观测点,排距3～8 m,点距20 m。同时对基坑南侧沿东西向延伸的热力隧道、雨水管、燃气管布设地下管线沉降测点,测点间距依据基坑开挖对其影响程度的不同进行调整,各监测点具体位置如图2所示。

图2 基坑监测平面布置及基坑周边环境Fig.2 Foundation pit monitoring layout and surrounding environment

3.2 现场监测数据分析

考虑到开挖基坑与邻近管线的相对位置关系,将坑边地表沉降测点按区域划分为基坑长边远离管线侧(BC段)、基坑长边邻近管线侧(AD段)、基坑短边侧(AB,CD段),在每侧选取特征位置处的地表沉降数据进行分析。基坑周边地层随施工阶段变化的沉降曲线如图3所示,基坑开挖引起的地表沉降由于受到时空效应和施工荷载的影响,地表沉降曲线并非呈单一变化趋势,而是呈上下起伏的波动状态。在BC段选取1,4,9,13测点的数据进行分析,如图3a所示,随着开挖深度和开挖时间的增加,基坑长边远离管线侧的地表沉降随之增大。与围护桩相比,地下连续墙的整体性和支护刚度更好,基坑开挖引起的周边地表沉降较小,最终稳定值在-2.18～-5.71mm。1号测点位于基坑小里程下沉段,此处基坑开挖深度最深,随着基坑逐步开挖,坑边测点具有明显的沉降趋势,1号测点地表沉降稳定值达到-12.24 mm,为基坑长边远离管线侧的最大沉降点。

图3 基坑周边地表沉降曲线Fig.3 Surface settlement curve around foundation excavation

图3b为基坑长边邻近管线侧地表沉降,在AD段选取18,21,25,27测点的数据进行分析。与BC段相比,由于基坑与管线的相互作用,地表变形的沉降趋势更加明显,地表沉降的最终稳定值在-2.57～-7.85 mm,其中21号测点位于基坑中部位置,是整个基坑支护刚度的薄弱位置,基坑开挖引起的地表沉降最大,最大沉降值为-11.43 mm。图3c为基坑短边侧(AB,CD段)地表沉降,在AB段选取15,16,在CD段选取29,30测点的监测数据进行分析。与BC,AD段相比,基坑开挖后短边侧的临空面较窄,围护结构所受水平土压力范围小于基坑长边侧,基坑支护体系构建完成后,基坑两侧短边的地表沉降稳定值在-3.28～-6.24 mm。

随着坑内土体挖出,基坑周边土体将会产生卸载过程。卸载将会导致基坑围护结构收敛、下沉;围护结构周围土体产生压力差,从而引起土体由外向中心的水平移动,再带动地面下沉,引起周边建筑物及地下管线的沉降。为分析基坑开挖对周围地层的影响范围,在基坑长边远离管线侧(BC段)布置5列测点,提取2-1～2-3,7-1～7-3,10-1～10-3,12-1～12-3的监测结果对比分析,如图4所示。各测点的地表沉降均随施工阶段呈增大趋势,2-1～2-3测点位于基坑小里程下沉段与标准段的衔接处,此处的地表沉降值较其他位置更大。测点距基坑越近,开挖引起的地层变形越剧烈,基坑开挖对周边地层的影响范围在0～24 m。

图4 不同坑边距离的地表沉降Fig.4 Surface subsidence at different excavation edge distances

基坑开挖会引起邻近密集管线的沉降,图5为基坑支护结构闭合后,基坑南侧热力隧道、燃气管、雨水管的沉降稳定值。不同种类的管线均因基坑开挖而产生了不均匀沉降,由于热力隧道断面尺寸最大,距离坑边最近,其产生的管线沉降最大,最大管线沉降位于热力隧道中部RL-7测点,最大管线值沉降为8.9 mm,与基坑长边邻近管线侧(AD段)的最大地表沉降位置对应,所有管线的沉降值均小于监控量测的控制指标要求。

图5 基坑周边管线沉降值Fig.5 Settlement value of pipeline around foundation excavation

4 有限元计算模拟与分析

4.1 数值模型建立

运用MIDAS/GTS有限元分析软件模拟分析施工的全过程。因基坑开挖前已经完成降水施工,地下水水位维持在坑底以下1.0 m,故在模拟中不再考虑地下水的影响。模型尺寸为长399 m,宽217 m,高70 m。模型上部取至地表,基坑两侧及底部距模型边界长度均为3～5倍的基坑开挖深度。运用MIDAS/GTS有限元分析软件的激活和钝化功能来实现基坑的开挖和支护的施作。模型上部地表为自由边界不设约束,下部为竖向位移约束,左右两侧为水平位移约束。土体采用实体单元,地下连续墙及管线衬砌采用板单元,钢支撑、钢腰梁、格构柱都采用梁单元模拟。土体本构关系采用修正莫尔库伦强度准则,地层计算参数如表1所示。地下连续墙、管线衬砌、钢支撑、钢腰梁、格构柱采用弹性本构关系,支护结构材料参数如表2所示。建立的三维数值分析模型如图6所示,该模型共有130 891个节点,211 853个单元。基坑开挖遵循“纵向拉坡、横向开槽、分段开挖、随挖随撑、量测反馈”的原则,全面采用分层开挖,主要施工步骤如表3所示。

表2 支护结构材料参数Table 2 Material parameters of supporting structure

表3 主要施工步骤Table 3 Main construction steps

图6 有限元模型Fig.6 Finite element model

4.2 坑周地层位移模拟分析

坑内土体开挖后,打破了原有的初始应力平衡条件,由于基坑的开挖卸荷作用,地应力进行重分布,坑周地层产生沉降,如图7所示。随着基坑开挖深度逐渐增大,产生的沉降越来越大,形成了沿基坑底部斜向上方扩展的沉降槽。地表沉降随着距坑边距离的增大而逐渐降低,直至在较远处为0,而坑底有明显的隆起。基坑开挖完成后沉降达到最大值,最大沉降位于基坑长边邻近管线侧(AD段)中部,最大沉降值为-15.23 mm。同时随着开挖深度的增加,坑内土体的开挖使得坑壁的法向约束消除,坑周土体向坑内的水平位移也逐步增大,由于受到既有管线的影响,基坑长边邻近管线侧地层的水平向变形程度显著大于基坑长边远离管线侧。

图7 开挖完成后基坑位移云图Fig.7 Cloud diagram of foundation excavation displacement after excavation

为验证数值模拟计算的准确性,选取21号测点的监测数据与数值模拟结果进行对比,如图8所示。数值模拟结果与监测数据变化趋势相同,结果基本吻合。数值模拟结果与监测数据的最大误差为13.3%,说明模型的建立和参数的选取是合理的,通过数值模拟计算分析该深基坑工程是合理可行的。

图8 监测值与计算值对比Fig.8 Comparison of monitored and calculated values

提取基坑各侧边中线处的地表沉降曲线对比分析,如图9所示。基坑开挖完成后AB,BC,CD,AD段的最大地表沉降分别为-5.01,-11.94,-2.52,-15.17 mm,最大地表沉降位于基坑长边邻近管线侧,最小地表沉降位于基坑右短边侧。基坑长边侧的沉降范围整体大于基坑短边侧,长边侧的围护结构产生悬臂形变形,最大地表沉降位于基坑边界,而短边侧的围护结构产生弓形变形,最大地表沉降位于基坑边界后4.5 m处。基坑长、短边侧的地表沉降影响范围均在距基坑边界25.0 m范围内,与现场监测结果一致。

图9 基坑各侧边地表沉降曲线Fig.9 Surface settlement curves of each side of foundation excavation

4.3 地下连续墙水平位移模拟分析

为评估基坑不同位置处地下连续墙的支护效能,提取基坑长边远离管线侧(BC段)、基坑长边邻近管线侧(AD段)、基坑短边侧(AB,CD段)中线处墙体水平位移曲线对比分析。由监测数据可知基坑长边邻近管线侧中部是整个基坑支护刚度的薄弱位置,基坑开挖引起的地表沉降最大,提取不同施工阶段下此处墙体水平位移进行分析,如图10a所示。由于地下连续墙自身的刚度较大,首道内支撑及第2道内支撑架设后,墙体并未产生显著的水平位移。当基坑开挖至-14 m时,墙体最大水平位移约6.58 mm,发生部位位于桩顶;当基坑开挖至-20 m,即开挖深度约为整体深度的2/3时,墙体水平位移趋于收敛;由于4～6道内支撑的支护作用,墙体埋深约-20 m以下的水平位移较小,开挖至基坑底部时,墙体最大水平位移约15.17 mm。

图10 地下连续墙水平位移对比Fig.10 Horizontal displacement contrast of underground diaphragm wall

如图10b所示,开挖完成后,基坑不同位置处地下连续墙的水平位移曲线区别较大。基坑长边远离管线侧的最大水平位移为11.63 mm,由于既有管线与基坑的相互作用,基坑长边邻近管线侧的最大水平位移为15.17 mm,较远离管线侧增大30.4%;基坑短边侧地下连续墙的水平变形程度均小于基坑长边侧,由于基坑左短边侧属车站小里程下沉段,其开挖深度更大,产生的墙体水平位移较基坑右短边侧增大46.4%。

4.4 既有管线变形分析

基坑开挖完成后,支护结构及各地下管线的变形如图11所示。深基坑开挖会对周围土体产生扰动,而邻近基坑的地下管线也会因开挖存在的时空效应形成管线位移,提取开挖完成后各地下管线的变形曲线,如图12所示。邻近管线不仅产生水平方向的位移,基坑开挖同样会引起管线的竖向位移,其竖向位移范围较水平位移更大;不同种类管线的位移分布存在明显的空间效应,各管线都呈现出在基坑中心处位移大而两端位移小的特点。这是因为地下管线受到基坑开挖的影响,开挖卸荷改变了坑周土体的位移场,而基坑两端的管线受到土体的约束作用,并没有产生明显的位移。热力隧道的断面尺寸最大,且与基坑的间距最近,其受基坑开挖的影响最大,开挖完成后,热力隧道的最大竖向位移为-4.57 mm,最大水平位移为1.96 mm,均在规范要求范围内。

图11 开挖完成后支护结构及管线变形云图Fig.11 Deformation cloud map of supporting structure and pipeline after excavation

图12 开挖完成后地下管线变形曲线Fig.12 Deformation curve of underground pipeline after excavation

5 结语

1)热力隧道的断面尺寸最大,距离坑边最近,其产生的管线沉降最大。最大管线沉降位于热力隧道中部,与基坑长边邻近管线侧的最大地表沉降位置对应。所有管线的沉降值均小于监控量测控制指标。

2)通过数值模拟分析基坑支护刚度的薄弱位置可知,当开挖深度约为整体深度的2/3时,地下连续墙的水平位移趋于收敛;由于4～6道内支撑的支护作用,墙体埋深约-20 m以下的水平位移较小。

3)邻近基坑管线的竖向位移范围较水平位移更大,开挖卸荷改变了坑周土体的位移场,管线的位移分布存在明显的空间效应,呈现出在基坑中心处位移大而两端位移小的特点。