砂卵石地層地鐵車站基坑支護結構位移監測與分析

鄧 娜,石洪超,薛曉武

(1.成都工業學院 土木工程系,成都 611730;2.中國鐵建大橋工程局集團有限公司,成都 610000;3.空軍研究院工程設計研究所,成都 610000)

地鐵作為人們出行的主要方式之一,很大程度上緩解了城市交通堵塞的情況[1]。伴隨大量的地鐵建設,車站基坑的安全問題也日益突出[2-3]。為了保證基坑施工安全,國內學者對車站基坑支護結構的設計、數值模擬和監測等進行了研究分析,蔡江寧等[4]采用Midas軟件分析武漢某基坑開挖過程中的支護結構變形,并與監測數據比較分析;王秀麗等[5]采用Ansys軟件對深圳某深基坑進行建模分析,對基坑支護變形和受力進行監測,結果證明了支護設計的安全性;劉動[6]研究了深厚淤泥地質條件下深基坑施工過程中,地表沉降、支護樁體水平位移、支撐軸力等的變化規律;王滔[7]對深厚軟土地質條件下車站基坑施工時的地表沉降、支撐軸力、土體隆起及支護變形等進行分析,并提出相應的控制措施;蘇莉莉[8]以蘭州市軌道交通一號線五里鋪車站深基坑工程為例,通過現場監測和數值模擬,得出支護體系在降水開挖過程中的變形規律。以上關于深基坑支護結構的研究主要集中于黏土地層、砂土地層、淤泥地層等地質條件下,采用數值模擬再結合實際監測數據分析支護結構的受力和變形。關于砂卵石地層深基坑支護結構的變形研究,有高勝君[9]針對成都某地鐵車站基坑工程,通過現場監測和Midas/GTS軟件的數值模擬,分析基坑圍護結構的變形規律;童建軍[10]用顆粒離散元軟件分析卵石地層深基坑鋼支撐施工時效性和支護結構的受力、變形規律,并評價其安全性;周松[11]以成都春熙路地鐵車站深基坑為例,采用Midas/GTS進行數值模擬,并將結果與監測值、設計值進行對比分析,研究支護結構的內力和變形。相比軟土地區,針對砂卵石的深基坑支護結構研究相對較少,這與地層特點有關,我國地鐵基坑位于砂卵石地層的地區主要是成都、北京、沈陽等[12],其中最典型的是成都,本文對成都某車站砂卵石地層中深基坑支護結構進行研究,分析其變形規律為類似工程提供參考。

1 工程概況

成都某地鐵線中的1個換乘站是地下3層的島式車站,結構形式為雙柱三跨現澆框架結構,總長度約為241 m。站臺中心部位上部覆土約為3.5 m,該站標準段寬為23.5 m,車站主體基坑深度為25.2 m。該區域地表建(構)筑物密集,地下管線分布復雜,人流量和車流量較大。

該車站所在區域地形地貌簡單,為岷江水系沖積平原Ⅱ級階地,地面高程為502.56～503.54 m,相對高差約1 m,地勢平坦,起伏小。車站區域地表大面積連續分布雜填土,往下有粉質黏土(可塑、硬塑)、粉土、粉細砂(稍密)、卵石土(稍密)、粉細砂(密實)、卵石土(中密、密實),下伏基巖為白堊系灌口組泥巖。各巖土層參數指標如表1所示。

卵石(密實)22.50.1545.00.0048.00強風化泥巖22.00.1870.0——中等風化泥巖24.0————

場地范圍內地表水不發育,主要為道路兩側雨水溝和污水溝內的暫時性流水,無常水流,水量小。地下水主要賦存于砂、卵石土中,水量較豐富,為孔隙潛水,受地形和上覆土層控制影響,具有微承壓性。場區地下水埋深較深,一般介于4.1～6.7 m,水位起伏小,年平均水位變幅1.2～3.5 m。

2 支護方案

2.1 支護結構形式

車站主體基坑的支護采用混凝土鉆孔灌注樁、臨時立柱支撐和鋼管支撐、混凝土支撐結合的方式,車站主體支護結構剖面見圖1。車站端頭部分采用直徑為1.2 m、間距為1.6 m的玻璃纖維筋樁,中間部位采用直徑為1.2 m、間距為1.6～2.0 m的鉆孔灌注樁。樁間掛網錨噴支護,噴射C20混凝土,厚度平均為150 mm,掛網鋼筋采用Φ8@200×200 mm。

2.2 支撐系統

該車站基坑施工采用明挖法,深度方向設置直徑為609 mm、壁厚為16 mm的4道鋼管支撐,兩端盾構井段采用邊長為800 mm的正方形混凝土支撐,支撐的水平間距一般為3 m,局部略有不同。最上面1道支撐撐在冠梁上,其余支撐撐在腰梁上,第2道支撐的腰梁為雙拼工45c組合腰梁,第3、4道支撐的腰梁為雙拼工56b組合腰梁,局部采用邊長為800 mm的正方形混凝土腰梁。鋼筋混凝土和鋼管支撐具體參數見表2。

表2 鋼筋混凝土和鋼管支撐參數

在基坑的各角部位設置混凝土板撐和鋼板撐與鋼管支撐共面。邊長為1 m、厚度為300 mm的等腰三角形混凝土板撐與冠梁整體澆筑。邊長為1 m、厚度為20 mm的等腰三角形鋼板撐,2層布置與鋼圍檁連接。

圖1 成都某地鐵車站主體支護結構剖面圖

3 基坑支護數值計算

3.1 計算模型與參數

結合車站基坑開挖支護的施工現場情況,采用FLAC3D建立基坑三維模型對基坑開挖過程中支護結構進行數值模擬。以該車站基坑標準段為主要研究對象和建模依據,用空模型表示巖土體的開挖部分,用摩爾-庫侖模型模擬巖土體,用彈性模型模擬鋼筋混凝土和鋼結構。由于圍護排樁分布較密,且同時采用了腰梁、冠梁,可以將基坑支護結構看作是一個連續的整體,因此采用等效厚度的地下連續墻來模擬排樁。樁墻的厚度按照抗彎剛度相等的原則等效計算:

(1)

(2)

式中:D為鉆孔樁樁徑;t為最大樁凈距;h為等效后的地下連續墻厚。

因此,連續墻等效厚度取值為915 mm,模型中基坑開挖土體的范圍為220.0 m×23.5 m×30.0 m,模型的側面、底面、頂面分別采用水平約束、固定約束和自由約束。模型尺寸確定好后,在軟件中輸入如表1和表2所示的材料屬性參數,創建基坑開挖前和開挖后的數值模型如圖2和圖3所示。

圖2 未開挖狀態數值模型

圖3 開挖完狀態后數值模型

3.2 基坑支護結構水平位移模擬分析

數值模擬計算工況與實際施工過程的工況大體一致,從基坑開挖、設置支撐、支撐拆除至整個基坑施工完成,共分為9個工況。建立模型前進行開挖前初始地應力的平衡運算,形成開挖前土體初始應力場。數值模擬的具體實施步驟如表3所示。

表3 基坑施工步驟

基坑開挖后,樁身水平位移部分云圖如圖4～8所示,其中圖4為土體z方向的初始位移場。從圖中可以看出,樁身向基坑內側發生水平位移,隨著基坑開挖深度的增加,水平位移逐漸增大,水平位移的峰值部位也逐漸下移。

通過FLAC3D計算得到,隨著樁身深度變化,其水平位移最終結果(部分)如表4所示。由計算結果可知,在樁深19.0 m左右,支護結構出現最大水平位移為12.7 mm,且最大位移出現在工況9。當所有支撐都拆除完成后,變形增加,支護結構水平位移向坑內發展,出現累加效應,因此在第9工況出現了最大水平位移。

圖4 土體初始位移場

圖5 工況1水平位移

圖6 工況4水平位移

圖8 工況9水平位移

表4 樁身水平位移隨深度變化最終結果

4 支護結構位移監測

4.1 監測方案

該車站樁體水平位移監測點平面布置如圖9所示,圖中○為樁體變形測量點。根據工程特點采用測斜管、測斜儀,每隔20～40 m在支護結構內測樁體水平位移。

圖9 成都某地鐵車站監測點平面布置

基坑監測頻率為:當基坑開挖深度不大于5.0 m時,每3天監測1次;當基坑開挖深度為5.0～15.0 m時,每2天監測1次;當基坑開挖深度為15.0～20.0 m時,每天監測1～2次;當基坑開挖深度大于20.0 m時,每天監測2次。樁體水平位移的監測控制標準為:樁體水平位移單日變形量為3.0 mm;累計變形量為0.1%H和30.0 mm兩者中最小者(H為基坑開挖深度)。

4.2 監測結果分析

通過對實際監測數據的整理,該工程標準段的樁體主要測點CX06的水平位移部分監測結果如表5所示。

表5 樁體水平位移部分監測結果

通過實際監測結果顯示:樁體的變形隨著開挖深度的增加,水平位移量由小變大再逐漸變小。在樁長為19.1 m處,出現向坑內偏移的水平位移最大值是16.2 mm,在監測控制標準以內。

5 數據結果對比分析

為了判斷數值模擬中基坑模型的選擇及參數的設置是否合理、可靠,將基坑支護結構水平位移的現場實際監測數據和數值計算結果進行比較分析,其結果如圖10所示。

圖10 基坑支護樁水平位移曲線對比(CX06)

通過計算數據和實際監測數據可以看出:

1)樁體的實際最大水平位移為向基坑內側偏移16.2 mm,計算值最大水平位移為向基坑內側偏移12.7 mm,實際值超出計算值3.5 mm,均未超出控制范圍。2)樁體實際水平位移和計算水平位移最大值均出現在樁身19.0 m左右的深度,與工況9出現最大位移位置基本一致。3)樁體整體水平位移基本在控制范圍以內,沿樁身深度方向的水平位移均為先增大后減小,向基坑內側方向變形,大致為拋物線分布。4)樁體水平位移計算結果在樁頂和樁端處均比監測結果偏大。

由圖10可知,樁身水平位移曲線形狀和變形趨勢基本吻合,變形最大的地方深度一致,說明數值計算結果比較理想,由此驗證了數值模擬計算的可靠性和合理性。

6 結論

通過有限差分法軟件FLAC3D對成都某地鐵車站主體基坑標準段施工的9個工況進行數值模擬,主要研究了支護結構的水平位移變化,將實際監測的數據和數值計算的結果進行比較分析,得出其水平位移變化具有一致性。隨著支護樁體深度的增加,向基坑內發展的水平位移逐漸變大,在距離樁端約1/3的地方,其實際水平位移達到最大值16.2 mm。為控制支護結構變形發展,應盡量減少基坑暴露的時間,加強監測頻率,及時掌握變形情況,且應盡快按照施工要求嚴格施工封閉坑底。通過對支護結構變形的數值分析和監測分析,為類似工程提供參考。