基于富水砂卵石地層的基坑施工監測技術數值模擬

祝李京

(武漢華中科大檢測科技有限公司,湖北 武漢 430074)

城市地鐵由于其快捷、安全、舒適等便民的特性,對擴大城市空間、構建城市快速立體交通網以及改善城市交通環境起到了越來越重要的作用[1]。然而地鐵在實際的開發中不可避免地造成地質的變化,土層的實際穩定性會遭到破壞,因此在降水開挖過程中引起土體的變形,易造成安全事故的發生[2]。因此,對地鐵基坑施工進行監測變得尤為重要。Guan等[3]為了避免深基坑變形帶來的安全事故,在數字近景攝影測量的基礎上提出了針對基坑監測的三維建模技術。李又云等[4]考慮深基坑降水開挖中的變形問題,在Abaqus的基礎上提出了一種三維化的流固耦合模型。朱大鵬等[5]為了解決基坑降水開挖造成地表沉降而帶來的周邊建筑物變形的問題,在利用三維滲流有限元模型的基礎上提出了基坑施工監測技術。在此背景下,研究依托成都軌道交通27號線一期工程,在現場監測的基礎上引入Abaqus模型,以此實現數值化的模型與自動化的監測,其目的是避免富水砂卵石地層基坑施工時安全事故的發生,并為公司在地鐵施工監測領域的市場開拓提供幫助,同時也為后續地鐵施工監測市場的拓展打下良好的基礎。另外,研究以自動化監測為主的方式綜合了人工和計算機模擬的優勢,同時針對同一地層對施工過程的影響以及穩定性的相關分析具備創新性,也為后續自動化監測的開展提供了經驗。

1 富水砂卵石地層中基坑施工監測技術分析

1.1 基坑監測工程概況及監測方案研究

針對軌道交通施工中存在的富水砂卵石地層的復雜地質條件問題,研究依托成都軌道交通27號線一期工程,并在實際在建工程的基礎上,通過工程實施階段監控量測信息反饋結果對理論模型進行修正?；影踩O測在工程建設中具有非常重要的作用,其不但可以根據現場的監測數據實時的了解結構的變形狀態以及周圍的環境狀態來指導施工,還可以預測可能的危險因素,從而能夠及時地進行安全地補救,防止事故發生。因此,研究結合成都軌道交通27號線一期工程來對基坑施工監測技術進行研究。

成都軌道交通27號線是北部外圍的填充線,總體呈北-西走向,主要經過成都市新都區、金牛區、成華區以及青羊區。一期工程線路全長24.86 km,設站23座,其中換乘站9座,沿途分別與S10線、28號線、1號線、9號線、18號線、5號線、6號線、12號線、2號線共9條線路換乘,其中地下線17.34 km,設站17座。研究的實際范圍在金牛區,其包含5座地下車站和4條盾構區間,地質條件復雜(富水砂卵石地質,全斷面高強度硬巖地質),區間線路周邊環境復雜,沿線穿越既有線地鐵站、重要管線、大型河流及多處高架橋梁等。在實際的基坑降水施工過程中,其會在一定的區域內造成卸載,因此在基坑圍護結構兩邊的土中會形成壓差,從而使土壤從邊沿到中間呈水平方向運動,因此會對周圍的土體、管線和原有的地基造成破壞。故通過一定的監測確保結構的穩定性具有重要意義。其中,監測項目具體內容見圖1。

圖1 監測項目內容

從圖1中可以看出,成都軌道交通27號線金牛區段實際監測項目內容包含圍護結構側移的監測、周圍地面沉陷的監測以及地下水位的監測,三者的數目分別為30、150以及20。另外,從針對圍護結構側移的監測頻率來看,在實際的施工開挖期間進行24 h的全天候監測,而在施工開挖結束后實行每天一次的監測頻率,報警指標為累計2×10-4km,每天2×10-5km。對周圍地面沉陷的監測,執行每天一次的監測頻率,報警指標為累計2×10-4km,每天2×10-5km。對地下水位執行每天一次的監測頻率,報警指標為下降1×10-4km,每天5×10-6km。最后,在實際的基坑施工巡檢過程中,需要將施工的實際工況、周邊環境等進行詳細記錄,如果發現異常,應該及時匯報。對成都軌道交通27號線期工程展開卵石地質復雜環境下城市地鐵施工監測技術研究,主要針對圍護結構的平行移動與地表沉降等進行展開。

其中,圍護結構是基坑工程中的一項重要結構,其直接影響著基坑工程的開挖深度、開挖范圍等。因此采用埋設傾角導管和傾角計測量支護結構的水平位移。通過對圍護結構的變形情況進行監測,對不同深度的樁體的水平位移變化進行了解,這不僅可以判斷出是否存在土體失穩的征兆和現象,還可以了解基坑周圍垂直剖面的土體隨基坑開挖深度變化的規律,從而為基坑的信息化施工、預測及優化設計提供直接的依據。同時,研究在基坑周圍設置了總計32個監測點,分別為B1～B32。在深基坑開挖過程中土體內部的應力擾動區域會逐漸向外擴展,向地表擴展?；又苓叺孛娉料菁润w現了周邊土層的受力狀態,又從某種意義上反映了基坑周邊土的受力狀態。因此,研究對地表沉降進行監測,并在南端設置了7個監測點,北端設置5個監測點,中間橫斷面設置了8個監測點,基坑的縱斷面設置了10個監測點,分別為A1～A30。

1.2 基坑降水下施工數值模擬

在實際現場監測的基礎上,研究引入Abaqus二維化的有限元模型來對成都軌道交通27號線的基坑降水開挖進行數值模擬,以此驗證這種數值模擬下的數字化監測技術的有效性。研究綜合分析了成都軌道交通27號線一期工程的基坑施工環境,選擇了均質彈性模型、滲流彈性模型以及本構模型(Mohr-Coulomb,M-C)。其中,M-C模型主要用于粒狀物料,在Abaqus中,其相應的屈服性準則為剪斷判據。剪斷判據的函數表達如公式(1)所示。

E=Rmcy-xtanλ-b

(1)

式中:E為剪斷判據函數;λ為摩擦角,(°);b為粒狀物料的黏聚力,kN/m2;x和y為平面橫縱軸方向。其中,Rmc(γ,λ)的計算表達如公式(2)所示。

Rmc(γ,λ)=

(2)

式中:γ為極偏角。剪斷判據函數一般采用蘭肯(Rankine)準則,其計算表達如公式(3)所示。

Et=Rr(γ)y-x-ρt

(3)

式中:ρt為抗拉強度,MPa。在Abaqus中,為了避免塑性位平面上存在著非唯一性,將一個連續且平滑的橢圓函數用作塑性位平面。其計算表達如公式(4)所示。

(4)

式中:H為橢圓函數;δ為子午平面上偏離中心的概率;ζ為剪脹角,(°);b0為初始的黏聚力,kN/m2。其中,Rmw(γ,e,λ)控制著塑性位平面中π面上的形狀,計算表達如公式(5)所示。

(5)

式中:e為偏心率,其計算表達如公式(6)所示。

(6)

通過式(6)的計算,可以有效保證塑性位平面位于π平面上受拉角上的受壓角與屈服面相切。另外,在Abaqus中,研究通過控制b的大小來實現剪切面的軟硬化,其中的等效應變計算表達如公式(7)所示。

(7)

式中:eij為偏向應變的相關張量。研究實地勘察的工程區間盾構隧道穿越砂卵石、硬巖(中風化泥巖、砂巖)地層。砂卵石地層具有快速收斂特性,盾體和刀盤受到周圍砂層包裹力較大,同時在砂卵地層中掘進如果土壓力控制不當容易引起地表沉降的出現。因此研究以基坑薄弱區為重點,選取其橫截面為實際的模擬區域,同時基坑降水開挖的實際影響范圍應該依據地鐵車站相關地質的實際條件、現場的相關監測情況以及前人的實際研究成果進行3倍化的深度開挖。并根據對稱性的相關原則來選擇實際工程一半來進行模擬。其中,在豎直方向上,依據成都地鐵27號線巖土工程的勘察材料,相應的基坑以及土層的尺寸見表1。

表1 基坑以及土層的尺寸 單位:km

從表1中可以看出,研究構建的模型大小為0.073 2 km×0.043 2 km,其中,寬度0.073 2 km下包含開挖面的寬度、圍護結構的寬度以及基坑外土體的寬度;高度0.0432 km下包含素填土層、粉質黏土層、圓礫層等。另外,在基坑降水開挖的數值化模擬中,研究選取了地面的支撐邊界和水頭邊界兩種作為研究設置的邊界條件?；诖?在成都軌道交通27號線一期工程基坑開挖工程中,研究將基坑降水開挖方案分為四步進行。首先,需要平衡初始的地應力。其次當第一次降水至地下7.8×10-3km時,第一層開始進行挖掘并挖至地下6.8×10-3km,此時進行第一道混凝土支撐。接著,當第二次降水至地下14.1×10-3km時,第二層開始進行挖掘并挖至地下13.1×10-3km,此時第二道鋼進行支撐。最后,當第三次降水至地下21.2×10-3km時,第四層開始進行挖掘并挖至地下20.2×10-3km,此時進行第三道鋼支撐。其中,平衡初始地應力設置每一層上、下表層的地應力值,并將深度作為自變量線性函數來描述初始地應力,同時在Abaqus平臺上施加載荷,將其轉化為初始地應力場。

2 模擬監測技術性能分析

為了驗證研究提出的數值模擬化的監測技術的合理性與有效性,研究將其與實地監測的部分數據進行了對比。其中,為了判定基坑內降水施工對坑外土的影響情況,研究分析了土體的沉降值變化,并對比了實際監測的A7點和模擬的坑外地表的沉降情況,其結果見圖2。

圖2 土體沉降變化情況和坑外地表的沉降模擬與監測對比結果

從圖2中可以看出,土體沉降值變化中,坑外的土體沉降呈現出了一種直角三角形的分布,在直角區域沉降最嚴重,并向兩個銳角逐漸地減小。而模擬對比中,第一步開挖模擬中,坑外地表的沉降值在基坑距離為2×10-3km時為7.46×10-5km,而實際監測為7.02×10-5km;17 m處為模擬值0.97×10-5km,監測值為0.95×10-5km。第二步開挖模擬中,坑外地表的沉降值在基坑距離為2×10-3km時為11.83×10-5km,監測值為11.14×10-5km;12×10-3km處模擬值為2.70×10-5km,監測值為2.30×10-5km。第三步開挖模擬中,坑外地表的沉降值在基坑距離為2×10-3km時為15.91×10-5km,而實際監測為16.93×10-5km;17×10-3km處為模擬值1.36×10-5km,監測值為2.10×10-5km。綜合來看,模擬結果與實際監測結果的偏差保持在2.1%～5.9%之間,模擬效果基本吻合,差別較小,驗證了研究提出的數值模擬監測的可行性與準確性。另外,為了研究在基坑降水施工中,土體水平移動對支護樁水平移動的影響,研究分析了側向位移的變化,并對比了止水帷幕水平移動的模擬監測與實際監測B14點,其結果見圖3。

圖3 側向位移變化情況和止水帷幕水平移動模擬與監測對比結果

圖3中,1～7分別表示距離基坑1×10-3～13×10-3km;a～c分別表示三步開挖的模擬結果;d～g分別表示三步開挖B14點監測結果。綜合圖3可以看出,在靠近基坑的地方,土體水平位移深度曲線與樁的水平位移曲線較為接近,而在基坑的外圍,土體水平位移最大值出現在12×10-3km深的粉質粘土與圓砂礫粘土的交界界面上。第一步開挖模擬中,圍樁的水平移動模擬數值在樁頂時最大,為7.32×10-5km,而實際監測為6.28×10-5km。第二步開挖模擬中,圍樁的水平移動模擬數值在基坑深度為10×10-3km時最大,為7.94×10-5km,監測值為4.12×10-5km。第三步開挖模擬中,圍樁的水平移動模擬數值在基坑深度為12×10-3km時最大,為11.22×10-5km,而實際監測值則在1.0×10-2km時最大,為8.06×10-5km。綜合來看,數值模擬的方法對圍護水平移動模擬效果較好,模擬的數值在B點監測基本相符,并且變形的趨勢都一樣。

3 結 論

為了避免成都軌道交通27號線一期工程施工中的工程事故發生,研究依托成都軌道交通27號線一期工程,引入Abaqus提出了數值模擬化的監測方法,并利用實驗驗證其有效性。綜合來看,結果表明研究提出的數值模擬的監測方法與實際的監測方法誤差維持在2%～5%之間,具備較高的有效性和準確性。但是,研究實際劃分土層并不詳細,因此后續需要精確的土層模擬。