地鐵基坑槽壁開挖對臨近建筑的影響及控制措施研究

張 浩 文

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017)

1 概述

地連墻具有施工成本低，對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地用于擋土承重等工程當(dāng)中。地連墻通常認(rèn)為是“假想就位”[1]，即不考慮地連墻成槽施工引發(fā)的土體變形。研究表明，地連墻成槽過程處置不當(dāng)所引起的地表沉降可達(dá)后期總沉降量的30%～50%[2]。

地質(zhì)條件、成槽深度、工藝方法等因素都有可能造成槽壁失穩(wěn)，且各種相關(guān)因素又相互制約。槽壁一旦失穩(wěn)可能引發(fā)重大的工程事故，輕者墻體結(jié)構(gòu)變形，重者引起地面沉降甚至塌陷，危害基坑及鄰近建筑的安全[3,4]，因此，需要對地下連續(xù)墻槽壁開挖對臨近建筑的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。本文以某地鐵車站基坑成槽施工為背景，基于Midas軟件分析了槽壁開挖對臨近磚混結(jié)構(gòu)房屋的影響并對相關(guān)控制措施進(jìn)行研究。

2 工程概況

某地鐵車站基坑工程深28 m，站址東側(cè)為6層住宅小區(qū)；西側(cè)為待建地塊及6層賓館小區(qū)(磚混結(jié)構(gòu))；北側(cè)為商業(yè)樓及高架橋梁。其中，西側(cè)賓館小區(qū)房屋與基坑凈距最小僅6.68 m，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，平面尺寸40 m×20 m，車站場地地質(zhì)圖如圖1所示。

站址處為長江漫灘地貌單元，地層以砂土為主，土體孔隙比大、含水量高、壓縮性高，工程地質(zhì)性質(zhì)差；基巖以泥巖為主，埋深約60 m。場區(qū)地下水初見水位埋深1.40 m～4.30 m，平均高程4.37 m；穩(wěn)定水位埋深1.55 m～4.20 m，平均高程4.24 m，地下水位年變化幅度約1 m～2 m，土層參數(shù)見表1。槽壁開挖深度為45 m，每次開挖3 m，開挖時(shí)同時(shí)泥漿護(hù)壁，泥漿比重為1.12。開挖之前先通過攪拌樁對土體進(jìn)行加固。本文重點(diǎn)研究各方案下槽壁開挖對距離開挖面最近處磚混房屋穩(wěn)定性的影響程度及周邊地表沉降特征，并最終確定施工方案，各方案見表2。

表1 土層材料參數(shù)

表2 各方案情況匯總

3 計(jì)算模型

3.1 有限元模型基本假定及計(jì)算參數(shù)的選取

本次分析有限元模型滿足如下基本假定[5]：

1)模型中材料為均質(zhì)連續(xù)的各向同性材料；2)土體為理想彈塑性材料；3)房屋為線彈性材料；4)不考慮土的流變；5)滑動面為傾斜的平面。

模型中泥漿和水的密度差為ρn，對槽壁的支撐力pn沿基槽深度方向(深度為H)以均布荷載施加：

pn=ρngH2/2

(1)

3.2 計(jì)算參數(shù)的選取

土體和攪拌樁均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，參數(shù)見表1。攪拌樁彈性模量Ej=1×105kN/m2，重度γj=20 kN/m3，粘聚力cj=20 kPa，摩擦角φj=50°。房屋采用線彈性模型，彈性模量Ef=5×105kN/m2，重度γf=15 kN/m3。由于地下水水位較高，認(rèn)為土體完全飽和。

3.3 模型的建立

槽壁沿深度和長度方向分別為60 m,100 m，開挖深度為45 m，分15次開挖，槽幅6 m；房屋為磚混結(jié)構(gòu)，高6 m，長40 m，寬20 m，長邊方向距槽壁6.68 m。土體采用六面體和四面體實(shí)體混合單元，網(wǎng)格劃分見圖2。模型四面為法向約束，頂部自由，底部固定。各土層及房屋與土層之間采用綁定接觸。

3.4 數(shù)值模擬過程

模型分析過程如下：

1)建立三維有限元模型，賦予模型相應(yīng)的材料參數(shù)。

2)進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，模擬土體未開挖狀態(tài)。

3)按照槽壁開挖順序依次鈍化開挖的土體，每次開挖后同時(shí)施加泥漿壓力，共分15個開挖步驟。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

槽壁開挖導(dǎo)致壁外土體向壁內(nèi)滑移，從而引起槽壁周邊建筑物沉降。攪拌樁通過隔離土體應(yīng)力，減少土體間隙引起的地層損失和土體擾動后的固結(jié)沉降，控制相鄰建筑物的變形及建筑物與基坑相互影響，如圖3所示。當(dāng)土體產(chǎn)生滑移變形時(shí)，攪拌樁通過提高滑移面的抗剪能力以及樁身提供的樁側(cè)阻力以限制樁后土體的變形發(fā)展，減小樁后保護(hù)建筑的沉降。樁體“主要承受開挖施工引起的側(cè)向土壓力和地基差異沉降產(chǎn)生的摩阻力”。下面從地表沉降規(guī)律以及攪拌樁相關(guān)參數(shù)對房屋沉降控制作用方面進(jìn)行闡述，并最終確定施工方案。

4.1 地表沉降分析

根據(jù)槽壁開挖引起地表沉降的機(jī)理，結(jié)合地層變形時(shí)間和空間上的特性，本文選取地表橫斷面(y=3處)的數(shù)值模擬結(jié)果來分析各方案下地表沉降的規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，槽壁開挖至底端時(shí)，沿槽壁開挖深度方向周邊土體發(fā)生一定的沉降，槽壁開挖所引起的地表橫向沉降曲線近似為“槽”形，大致滿足正態(tài)分布，類似于Peck提出基于單線隧道開挖時(shí)地表沉降的表現(xiàn)形式。不同的是，相對隧道直徑，由于槽壁槽幅小且沿深度方向開挖，導(dǎo)致槽壁中心處周圍地表的沉降較大，沉降曲線更為“尖銳”。

4.2 攪拌樁樁徑的影響

為了有效的減小土層變形，攪拌樁必須具備一定的剛度，因此很有必要研究攪拌樁樁徑對房屋保護(hù)作用的大小。圖5給出了樁長為24 m時(shí)，不同樁徑下樁體的水平位移，同時(shí)表3給出了房屋兩個監(jiān)測點(diǎn)的沉降量。由圖5及表3可知，隨著樁徑的增大，樁體水平位移最大值分別為0.55 m,0.43 m,0.37 m，監(jiān)測點(diǎn)A處的沉降分別為30.3 mm,28.4 mm,26.1 mm。隨著樁徑的增大，雖然對房屋沉降有所抑制，但抑制程度并不明顯。這是因?yàn)楸M管隨著樁徑的增加，攪拌樁的抗彎剛度增大，槽壁開挖后土層變形減小，但由于攪拌樁本身剛度有限，樁徑的增大不足以有效地降低土層的變形。此外，房屋距離槽壁距離過近，樁徑的增大甚至采用雙排攪拌樁在施工過程中可能對土層及房屋產(chǎn)生較大的擾動，不利于房屋的穩(wěn)定，從施工的角度來說，采用攪拌樁的樁徑確定為0.8 m。

表3 攪拌樁樁徑不同時(shí)房屋沉降情況匯總

4.3 攪拌樁樁長的影響

圖6和表4為當(dāng)保持?jǐn)嚢铇稑稄紻=0.8 m不變時(shí)，改變樁體深度時(shí)，槽壁開挖引起的攪拌樁水平位移以及房屋沉降情況。由圖6，表4可見有如下規(guī)律：1)攪拌樁樁頂水平位移不隨隔離樁樁長而改變，樁頂水平位移基本保持在1.8 cm～4.2 cm之間；2)攪拌樁樁體水平位移隨樁體深度的增加而有減小的趨勢，隨著樁長的增加，樁體水平變形曲線同拋物線形態(tài)；3)當(dāng)攪拌樁樁長小于24 m時(shí)，樁體水平位移最大處位于樁底端，當(dāng)樁長大于30 m時(shí)，樁體水平位移最大處逐漸上移，當(dāng)樁長為36 m時(shí)，樁體水平位移最大處均位于樁深25 m處；4)當(dāng)樁長大于30 m時(shí)，即使再增加樁長，其樁體變形曲線也已基本趨于一致，房屋的沉降量也趨于一致，即使再增大樁體深度時(shí)，樁體水平位移和房屋沉降量已無多大變化，因此樁長至少應(yīng)取25 m以上。由此可見，攪拌樁剛度對抑制房屋沉降有一定的作用，但不如樁長作用那么明顯。

表4 攪拌樁樁長不同時(shí)房屋沉降情況匯總

5 結(jié)語

本文通過數(shù)值仿真，對臨近槽壁開挖面的磚混結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了開挖引起的沉降分析，重點(diǎn)研究了槽壁開挖引起的地表沉降規(guī)律以及攪拌樁樁長及樁徑對控制房屋沉降的有效性，得到如下結(jié)論：

1)槽壁開挖深度方向周邊土體發(fā)生一定的沉降，槽壁開挖所引起的地表橫向沉降曲線近似為“槽”形，大致滿足正態(tài)分布。2)隨著樁徑的增加，攪拌樁的抗彎剛度增大，槽壁開挖后土層變形減小，但由于攪拌樁本身剛度有限，樁徑的增大不足以有效地抵抗土層的變形。3)相對于增大攪拌樁樁徑，攪拌樁樁長對抑制房屋的沉降效果更加明顯。

Effectsofmetrofoundationgroovewallexcavationonnearbyconstructionsandthecontrollingmeasures