越江隧道盾構(gòu)接收井基坑支護(hù)地連墻厚度優(yōu)化探討

李鵬飛

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司 山東濟(jì)寧 272100)

1 引言

大型基坑工程伴隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展而增多，關(guān)于基坑大變形引起的工程事故時有發(fā)生。鑒于基坑工程的重要性，國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛的研究。王鈺軻等[1]基于ABAQUS數(shù)值模擬，研究了某地鐵基坑在施工過程中，行車荷載和開挖對新建和既有基坑的變形影響。結(jié)果表明，行車荷載在土體中引起內(nèi)力重分布，且在新建基坑附件發(fā)生較大的應(yīng)力集中。李芬等[2]研究了基坑周邊擾動外荷載對基坑支檔結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，基坑中部的長邊方向應(yīng)避免停放大型車輛荷載。佀偉[3]依托一實際基坑工程，重點分析了開挖擾動對基坑周圍地下管線的變形特性影響。應(yīng)宏偉等[4]對比分析了不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、基坑形體特征及巖土體力學(xué)物理性質(zhì)對土體沉降的影響，并提出了合理的支護(hù)方式。朱合華等[5]基于某基坑的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對該基坑的變形進(jìn)行了預(yù)測。謝曉健等[6]提出了實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)合的基坑動態(tài)施工模擬方法。柴元四[7]研究了廈門地鐵2號線呂厝站車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表變形超限問題，并給出了處理措施，結(jié)果表明，采用基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和優(yōu)化基坑施工的方法可有效確保基坑施工安全。

以典型的連續(xù)墻支撐體系為例，地下連續(xù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論涉及到復(fù)雜的彈塑性力學(xué)，而目前的研究仍然有所不足。如深基坑由于存在巖體應(yīng)力較大的特點，圍巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)會相互影響，并產(chǎn)生相互作用[8－10]，此時，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載必然要在計算的土壓力基礎(chǔ)上進(jìn)行合適的折減，而傳統(tǒng)方法并未涉及到相關(guān)研究，可能會造成一定的浪費。本文考慮目前的研究不足，開展深基坑地連墻厚度的優(yōu)化設(shè)計分析，并對結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價。

2 工程概況

本文依托長沙市湘雅越江隧道盾構(gòu)接收井基坑工程開展研究。起點位于桐梓坡路與岳華路路口以西約280 m，終點至湘雅路與芙蓉中路交叉口，整體呈西往東方向，項目全長約4.18 km。

盾構(gòu)工作井基坑采用地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)＋內(nèi)支撐形式。基坑尺寸為16.0 m×26.2 m，基坑深度為37.2 m。

區(qū)域范圍內(nèi)出露第四系及古近系地層，主要包括填土、黏性土層以及粉砂巖等。根據(jù)鉆探資料，巖土層的物理力學(xué)特征如表1所示。

研究區(qū)可能影響基坑開挖和施工的地下水主要是上層滯水和孔隙裂隙水。考慮研究區(qū)地下水的補給及排泄條件，建議抗浮設(shè)防水位為80 m，根據(jù)規(guī)范要求支護(hù)結(jié)構(gòu)計算中可采用常水位設(shè)計，本工程實際計算中，其中填土層和圓礫采用水土分算方法，黏性土和泥炭土采用水土合算方法進(jìn)行設(shè)計。

3 傳統(tǒng)設(shè)計方法

根據(jù)研究區(qū)的工程地質(zhì)條件，基坑采用明挖順作法施工；支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻＋內(nèi)支撐。

支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算采用理正基坑支護(hù)模塊。計算規(guī)定施工階段地面超載20 kPa，安全等級為一級，基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)按照規(guī)范規(guī)定:地面最大沉降不大于0.15%基坑深度，最大水平位移不大于0.2%基坑深度，且小于30 mm。

采用理正計算主要內(nèi)容有:地連墻設(shè)計計算，支撐、冠梁及圍檁設(shè)計計算。原則為:

(1)采用增量法計算地連墻在各階段的內(nèi)力和位移，即每階段的特征值為前一階段和本階段特征值之和[11]。

(2)基于彈性支點法[12]，利用理正基坑模塊計算，支撐用鉸支桿模擬計算。基于溫克爾模型，基坑內(nèi)側(cè)土采用彈簧模擬，基床系數(shù)按m法取值。

(3)根據(jù)規(guī)范要求，支撐設(shè)計時應(yīng)考慮臨近建筑物所施加的預(yù)應(yīng)力。

經(jīng)過上述計算，本文所研究的基坑支護(hù)采用1.2 m厚的地連墻與六道支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。其中第一道支撐采用鋼筋混凝土材料，間距3 500 mm，第二、三道支撐采用鋼結(jié)構(gòu)支撐，間距2 000 mm，第四、五、六道支撐采用鋼筋混凝土，間距3 500 mm。各支撐截面尺寸如表2所示。地連墻采用的配筋形式為:沿墻的深度方向配筋為HRB400 φ22 mm@200 mm；沿墻的縱向方向配筋為HRB400 φ32 mm@150 mm。理正計算結(jié)果表明，最大水平位移為23.1 mm，最終沉降為26.0 mm。

圖1匯總了原設(shè)計1.2 m厚地連墻支護(hù)的現(xiàn)場監(jiān)測得到的基坑最大沉降和最大水平位移。結(jié)果表明:最大水平位移發(fā)生在基坑長邊的中點處，最大值為13.2 mm；最終最大沉降為5.1 mm。可以看出，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果要小于理正計算結(jié)果。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因主要是由于傳統(tǒng)設(shè)計方法無法考慮地連墻和支撐體系的整體性能，計算結(jié)果偏保守，導(dǎo)致材料浪費。

圖1 最大水平位移與沉降量

理正計算中忽略了支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖體的共同變形，這與實際情況不符。為此在水平土壓力計算中需進(jìn)行折減。綜合以上分析，由于基坑長度和寬度尺寸接近，且深度遠(yuǎn)大于水平尺寸，巖土體空間整體效應(yīng)明顯，需要考慮水平土壓力折減，從而實現(xiàn)地連墻設(shè)計優(yōu)化。

4 數(shù)值模擬與優(yōu)化分析

4.1 模型建立

為得到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計方案，本文采用有限元軟件進(jìn)行深入分析，構(gòu)建深基坑開挖支護(hù)三維模型。模型尺寸與實際情況一致。為減小計算量，在保證計算精度前提下，計算范圍擴(kuò)大3倍以保證邊界效應(yīng)不會對計算結(jié)果造成誤差。

此外，工程中的土層是不均勻的且各層厚度不同，如果嚴(yán)格按照實際情況計算，勢必導(dǎo)致工作量過大。本文為計算方便，做了一定的簡化處理，假定土層的厚度相同且為平均厚度。數(shù)值模擬對土體及巖體均采用理想的線彈性本構(gòu)模型(M-C本構(gòu))，開挖采用空模型，支撐結(jié)構(gòu)用Beam單元模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 材料參數(shù)取值

根據(jù)前文中規(guī)范給出的基坑變形標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)值模型中設(shè)置豎向和水平位移監(jiān)測點進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，一旦最大沉降量大于55.5 mm或水平位移大于30 mm，可認(rèn)為結(jié)果不滿足安全要求。

4.2 結(jié)果與分析

為優(yōu)化地連墻厚度，本節(jié)計算了地連墻分別為1.2、1.1、1.0、0.9、0.8、0.7、0.6 m 工況下的基坑的內(nèi)力與變形。

圖2匯總得到了地連墻厚度為1.2 m時，基坑的水平位移云圖，結(jié)果表明，基坑的最大水平位移為18.6 mm。在支護(hù)結(jié)構(gòu)中點，深度為0.6至38 m范圍內(nèi)設(shè)置水平位移監(jiān)測點，各監(jiān)測點坐標(biāo)如下:A1(－7.3，1，37.16)；A2(－7.3，1，31.16)；A3(－7.3，1，25.16)；A4(－7.3，1，19.16)；A5(－7.3，1，13.16)；A6(－7.3，1，7.16)；A7(－7.3，1，1.16)。計算匯總各監(jiān)測點的水位位移見圖3。結(jié)果表明，隨著開挖的進(jìn)行，水平位移的數(shù)值呈階梯型增大，基坑內(nèi)位移最大值隨著深度的減小先增大后降低。水平位移的最大值位于地面以下24 m處，且各監(jiān)測點均滿足安全性要求。

圖2 1.2 m地連墻工況時水平方向位移云圖

圖3 1.2 m地連墻工況時水平方向位移

進(jìn)一步對支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化計算，得到了不同厚度地連墻的水平位移和豎向位移(見表4)，結(jié)果表明:隨著墻體的厚度減小，最大水平位移和最大豎向位移均增加。

表4 不同厚度地連墻變形結(jié)果

但豎向沉降均小于規(guī)范規(guī)定的50 mm。此外，地連墻厚度由1.2 m下降至0.8 m時，基坑的水平位移均小于30 mm，進(jìn)一步減小墻體厚度時，最大水平位移超過30 mm，不滿足安全性規(guī)定。因此，根據(jù)本文的計算，在墻體厚度大于0.8 m時，地連墻及內(nèi)部各部件均滿足強(qiáng)度和變形規(guī)定。因此0.8 m地連墻厚度為設(shè)計最優(yōu)方案。

4.3 最優(yōu)設(shè)計方案模擬結(jié)果

綜合上文的計算，進(jìn)一步分析當(dāng)?shù)剡B墻厚度可由1.2 m減小至0.8 m時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形。得到最優(yōu)方案的墻體剪應(yīng)力云圖(見圖4)。結(jié)果表明，墻體最大剪應(yīng)力出現(xiàn)的位置為結(jié)構(gòu)長度方向的底部。進(jìn)一步計算地連墻截面配筋設(shè)計，當(dāng)?shù)剡B墻厚度為0.8 m時，得到單位面積混凝土縱向鋼筋較原設(shè)計可減小22.5%。根據(jù)縱筋配筋方法，最優(yōu)設(shè)計中縱向鋼筋優(yōu)化為HRB400 φ32 mm@200 mm，沿墻深度方向不進(jìn)行優(yōu)化。此外，由于內(nèi)部支撐對基坑水平位移影響較小，模擬中不考慮支撐方案優(yōu)化與計算。

圖4 0.8 m地連墻結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力云圖

5 結(jié)果評價

5.1 安全性評價

為驗證最優(yōu)方案的安全性，對最優(yōu)設(shè)計方案進(jìn)行數(shù)值模擬計算。最優(yōu)方案中地連墻厚度為0.8 m。設(shè)置水平位移監(jiān)測點坐標(biāo)同上，再設(shè)置8個豎向位移監(jiān)測點，各監(jiān)測點的坐標(biāo)為:B1(－8.1，0，37.16)；B2(－9.1，0，37.16)；B3(－10.1，0，37.16)；B4(－11.1，0，37.16)；B5(－12.1，0，37.16)；B6(－13.1，0，37.16)；B7(－14.1，0，37.16)；B8(－15.1，0，37.16)。最終得到各監(jiān)測點的位移結(jié)果如圖5和圖6所示。結(jié)果表明，位于結(jié)構(gòu)中下部的位置產(chǎn)生最大水平變形，而沉降值最大的位置發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部中點。此外，整個開挖施工過程中，水平位移和豎向位移的最大值均滿足規(guī)范安全性要求。

圖6 0.8 m地連墻監(jiān)測點沉降

5.2 經(jīng)濟(jì)性評價

對不同地連墻設(shè)計方案進(jìn)行工程量匯總，得到混凝土、鋼筋、土石方開挖等項目的最終工程量(見表5)。進(jìn)一步進(jìn)行造價計算得到1.2 m和0.8 m厚度地連墻方案的總造價費用對比柱狀圖如圖7所示。結(jié)果表明，與1.2 m地連墻相比，最優(yōu)方案混凝土量減小33.3%，鋼筋總量減小22.5%，表明本文提出的最優(yōu)方案可顯著減小工程總造價。圖7匯總了工程量總費用，結(jié)果表明，費用減幅最小的是鋼筋制作及安裝，合計減小22.1%。費用減幅最大的是挖土方造價，合計減小34.5%。經(jīng)過造價計算，1.2 m地連墻方案總費用共2 200萬元，而0.8 m地連墻最優(yōu)方案總造價僅為1 928萬元，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

表5 不同厚度地連墻方案工程量對比

圖7 不同厚度地連墻方案費用對比

6 結(jié)論

以長沙市湘雅越江隧道盾構(gòu)接收井基坑及地連墻為研究對象，通過數(shù)值模擬開展了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征分析，主要獲得以下幾點結(jié)論:

(1)以理正為代表的傳統(tǒng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的整體效應(yīng)，計算結(jié)果相對保守，會造成材料浪費。

(2)通過數(shù)值模擬對地連墻的厚度計算分析，當(dāng)?shù)剡B墻墻體厚度由1.2 m減小到0.8 m時，縱向受力鋼筋面積減小22.5%，且結(jié)構(gòu)完全滿足規(guī)范安全性要求。

(3)對不同墻厚的工程造價對比分析表明，本文提出的優(yōu)化方案工程總造價可減小12.4%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。