基于富水砂卵石地层的基坑施工监测技术数值模拟

祝李京

(武汉华中科大检测科技有限公司,湖北 武汉 430074)

城市地铁由于其快捷、安全、舒适等便民的特性,对扩大城市空间、构建城市快速立体交通网以及改善城市交通环境起到了越来越重要的作用[1]。然而地铁在实际的开发中不可避免地造成地质的变化,土层的实际稳定性会遭到破坏,因此在降水开挖过程中引起土体的变形,易造成安全事故的发生[2]。因此,对地铁基坑施工进行监测变得尤为重要。Guan等[3]为了避免深基坑变形带来的安全事故,在数字近景摄影测量的基础上提出了针对基坑监测的三维建模技术。李又云等[4]考虑深基坑降水开挖中的变形问题,在Abaqus的基础上提出了一种三维化的流固耦合模型。朱大鹏等[5]为了解决基坑降水开挖造成地表沉降而带来的周边建筑物变形的问题,在利用三维渗流有限元模型的基础上提出了基坑施工监测技术。在此背景下,研究依托成都轨道交通27号线一期工程,在现场监测的基础上引入Abaqus模型,以此实现数值化的模型与自动化的监测,其目的是避免富水砂卵石地层基坑施工时安全事故的发生,并为公司在地铁施工监测领域的市场开拓提供帮助,同时也为后续地铁施工监测市场的拓展打下良好的基础。另外,研究以自动化监测为主的方式综合了人工和计算机模拟的优势,同时针对同一地层对施工过程的影响以及稳定性的相关分析具备创新性,也为后续自动化监测的开展提供了经验。

1 富水砂卵石地层中基坑施工监测技术分析

1.1 基坑监测工程概况及监测方案研究

针对轨道交通施工中存在的富水砂卵石地层的复杂地质条件问题,研究依托成都轨道交通27号线一期工程,并在实际在建工程的基础上,通过工程实施阶段监控量测信息反馈结果对理论模型进行修正。基坑安全监测在工程建设中具有非常重要的作用,其不但可以根据现场的监测数据实时的了解结构的变形状态以及周围的环境状态来指导施工,还可以预测可能的危险因素,从而能够及时地进行安全地补救,防止事故发生。因此,研究结合成都轨道交通27号线一期工程来对基坑施工监测技术进行研究。

成都轨道交通27号线是北部外围的填充线,总体呈北-西走向,主要经过成都市新都区、金牛区、成华区以及青羊区。一期工程线路全长24.86 km,设站23座,其中换乘站9座,沿途分别与S10线、28号线、1号线、9号线、18号线、5号线、6号线、12号线、2号线共9条线路换乘,其中地下线17.34 km,设站17座。研究的实际范围在金牛区,其包含5座地下车站和4条盾构区间,地质条件复杂(富水砂卵石地质,全断面高强度硬岩地质),区间线路周边环境复杂,沿线穿越既有线地铁站、重要管线、大型河流及多处高架桥梁等。在实际的基坑降水施工过程中,其会在一定的区域内造成卸载,因此在基坑围护结构两边的土中会形成压差,从而使土壤从边沿到中间呈水平方向运动,因此会对周围的土体、管线和原有的地基造成破坏。故通过一定的监测确保结构的稳定性具有重要意义。其中,监测项目具体内容见图1。

图1 监测项目内容

从图1中可以看出,成都轨道交通27号线金牛区段实际监测项目内容包含围护结构侧移的监测、周围地面沉陷的监测以及地下水位的监测,三者的数目分别为30、150以及20。另外,从针对围护结构侧移的监测频率来看,在实际的施工开挖期间进行24 h的全天候监测,而在施工开挖结束后实行每天一次的监测频率,报警指标为累计2×10-4km,每天2×10-5km。对周围地面沉陷的监测,执行每天一次的监测频率,报警指标为累计2×10-4km,每天2×10-5km。对地下水位执行每天一次的监测频率,报警指标为下降1×10-4km,每天5×10-6km。最后,在实际的基坑施工巡检过程中,需要将施工的实际工况、周边环境等进行详细记录,如果发现异常,应该及时汇报。对成都轨道交通27号线期工程展开卵石地质复杂环境下城市地铁施工监测技术研究,主要针对围护结构的平行移动与地表沉降等进行展开。

其中,围护结构是基坑工程中的一项重要结构,其直接影响着基坑工程的开挖深度、开挖范围等。因此采用埋设倾角导管和倾角计测量支护结构的水平位移。通过对围护结构的变形情况进行监测,对不同深度的桩体的水平位移变化进行了解,这不仅可以判断出是否存在土体失稳的征兆和现象,还可以了解基坑周围垂直剖面的土体随基坑开挖深度变化的规律,从而为基坑的信息化施工、预测及优化设计提供直接的依据。同时,研究在基坑周围设置了总计32个监测点,分别为B1～B32。在深基坑开挖过程中土体内部的应力扰动区域会逐渐向外扩展,向地表扩展。基坑周边地面沉陷既体现了周边土层的受力状态,又从某种意义上反映了基坑周边土的受力状态。因此,研究对地表沉降进行监测,并在南端设置了7个监测点,北端设置5个监测点,中间横断面设置了8个监测点,基坑的纵断面设置了10个监测点,分别为A1～A30。

1.2 基坑降水下施工数值模拟

在实际现场监测的基础上,研究引入Abaqus二维化的有限元模型来对成都轨道交通27号线的基坑降水开挖进行数值模拟,以此验证这种数值模拟下的数字化监测技术的有效性。研究综合分析了成都轨道交通27号线一期工程的基坑施工环境,选择了均质弹性模型、渗流弹性模型以及本构模型(Mohr-Coulomb,M-C)。其中,M-C模型主要用于粒状物料,在Abaqus中,其相应的屈服性准则为剪断判据。剪断判据的函数表达如公式(1)所示。

E=Rmcy-xtanλ-b

(1)

式中:E为剪断判据函数;λ为摩擦角,(°);b为粒状物料的黏聚力,kN/m2;x和y为平面横纵轴方向。其中,Rmc(γ,λ)的计算表达如公式(2)所示。

Rmc(γ,λ)=

(2)

式中:γ为极偏角。剪断判据函数一般采用兰肯(Rankine)准则,其计算表达如公式(3)所示。

Et=Rr(γ)y-x-ρt

(3)

式中:ρt为抗拉强度,MPa。在Abaqus中,为了避免塑性位平面上存在着非唯一性,将一个连续且平滑的椭圆函数用作塑性位平面。其计算表达如公式(4)所示。

(4)

式中:H为椭圆函数;δ为子午平面上偏离中心的概率;ζ为剪胀角,(°);b0为初始的黏聚力,kN/m2。其中,Rmw(γ,e,λ)控制着塑性位平面中π面上的形状,计算表达如公式(5)所示。

(5)

式中:e为偏心率,其计算表达如公式(6)所示。

(6)

通过式(6)的计算,可以有效保证塑性位平面位于π平面上受拉角上的受压角与屈服面相切。另外,在Abaqus中,研究通过控制b的大小来实现剪切面的软硬化,其中的等效应变计算表达如公式(7)所示。

(7)

式中:eij为偏向应变的相关张量。研究实地勘察的工程区间盾构隧道穿越砂卵石、硬岩(中风化泥岩、砂岩)地层。砂卵石地层具有快速收敛特性,盾体和刀盘受到周围砂层包裹力较大,同时在砂卵地层中掘进如果土压力控制不当容易引起地表沉降的出现。因此研究以基坑薄弱区为重点,选取其横截面为实际的模拟区域,同时基坑降水开挖的实际影响范围应该依据地铁车站相关地质的实际条件、现场的相关监测情况以及前人的实际研究成果进行3倍化的深度开挖。并根据对称性的相关原则来选择实际工程一半来进行模拟。其中,在竖直方向上,依据成都地铁27号线岩土工程的勘察材料,相应的基坑以及土层的尺寸见表1。

表1 基坑以及土层的尺寸 单位:km

从表1中可以看出,研究构建的模型大小为0.073 2 km×0.043 2 km,其中,宽度0.073 2 km下包含开挖面的宽度、围护结构的宽度以及基坑外土体的宽度;高度0.0432 km下包含素填土层、粉质黏土层、圆砾层等。另外,在基坑降水开挖的数值化模拟中,研究选取了地面的支撑边界和水头边界两种作为研究设置的边界条件。基于此,在成都轨道交通27号线一期工程基坑开挖工程中,研究将基坑降水开挖方案分为四步进行。首先,需要平衡初始的地应力。其次当第一次降水至地下7.8×10-3km时,第一层开始进行挖掘并挖至地下6.8×10-3km,此时进行第一道混凝土支撑。接着,当第二次降水至地下14.1×10-3km时,第二层开始进行挖掘并挖至地下13.1×10-3km,此时第二道钢进行支撑。最后,当第三次降水至地下21.2×10-3km时,第四层开始进行挖掘并挖至地下20.2×10-3km,此时进行第三道钢支撑。其中,平衡初始地应力设置每一层上、下表层的地应力值,并将深度作为自变量线性函数来描述初始地应力,同时在Abaqus平台上施加载荷,将其转化为初始地应力场。

2 模拟监测技术性能分析

为了验证研究提出的数值模拟化的监测技术的合理性与有效性,研究将其与实地监测的部分数据进行了对比。其中,为了判定基坑内降水施工对坑外土的影响情况,研究分析了土体的沉降值变化,并对比了实际监测的A7点和模拟的坑外地表的沉降情况,其结果见图2。

图2 土体沉降变化情况和坑外地表的沉降模拟与监测对比结果

从图2中可以看出,土体沉降值变化中,坑外的土体沉降呈现出了一种直角三角形的分布,在直角区域沉降最严重,并向两个锐角逐渐地减小。而模拟对比中,第一步开挖模拟中,坑外地表的沉降值在基坑距离为2×10-3km时为7.46×10-5km,而实际监测为7.02×10-5km;17 m处为模拟值0.97×10-5km,监测值为0.95×10-5km。第二步开挖模拟中,坑外地表的沉降值在基坑距离为2×10-3km时为11.83×10-5km,监测值为11.14×10-5km;12×10-3km处模拟值为2.70×10-5km,监测值为2.30×10-5km。第三步开挖模拟中,坑外地表的沉降值在基坑距离为2×10-3km时为15.91×10-5km,而实际监测为16.93×10-5km;17×10-3km处为模拟值1.36×10-5km,监测值为2.10×10-5km。综合来看,模拟结果与实际监测结果的偏差保持在2.1%～5.9%之间,模拟效果基本吻合,差别较小,验证了研究提出的数值模拟监测的可行性与准确性。另外,为了研究在基坑降水施工中,土体水平移动对支护桩水平移动的影响,研究分析了侧向位移的变化,并对比了止水帷幕水平移动的模拟监测与实际监测B14点,其结果见图3。

图3 侧向位移变化情况和止水帷幕水平移动模拟与监测对比结果

图3中,1～7分别表示距离基坑1×10-3～13×10-3km;a～c分别表示三步开挖的模拟结果;d～g分别表示三步开挖B14点监测结果。综合图3可以看出,在靠近基坑的地方,土体水平位移深度曲线与桩的水平位移曲线较为接近,而在基坑的外围,土体水平位移最大值出现在12×10-3km深的粉质粘土与圆砂砾粘土的交界界面上。第一步开挖模拟中,围桩的水平移动模拟数值在桩顶时最大,为7.32×10-5km,而实际监测为6.28×10-5km。第二步开挖模拟中,围桩的水平移动模拟数值在基坑深度为10×10-3km时最大,为7.94×10-5km,监测值为4.12×10-5km。第三步开挖模拟中,围桩的水平移动模拟数值在基坑深度为12×10-3km时最大,为11.22×10-5km,而实际监测值则在1.0×10-2km时最大,为8.06×10-5km。综合来看,数值模拟的方法对围护水平移动模拟效果较好,模拟的数值在B点监测基本相符,并且变形的趋势都一样。

3 结 论

为了避免成都轨道交通27号线一期工程施工中的工程事故发生,研究依托成都轨道交通27号线一期工程,引入Abaqus提出了数值模拟化的监测方法,并利用实验验证其有效性。综合来看,结果表明研究提出的数值模拟的监测方法与实际的监测方法误差维持在2%～5%之间,具备较高的有效性和准确性。但是,研究实际划分土层并不详细,因此后续需要精确的土层模拟。