軟土區管廊基坑柔性支護下基坑變形控制標準

李天降, 朱孟君, 王哲, 宋許根, 甄潔, 衣凡, 雷華陽, 鄭剛, 程雪松*

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司道路交通設計研究院, 武漢 430063; 2.天津大學土木工程系, 天津 300072)

隨著中國城市化進程加快,地下空間利用率逐漸提高,基坑開挖及支護發展迅速。但是基坑設計不當或工程經驗不足會引起較大的圍護結構側向變形和地表沉降,嚴重的會導致基坑失穩,造成巨大的經濟損失,甚至威脅人身安全[1-3]。基坑工程是建筑工程和基礎設施工程的建設之本,基坑變形規律分析和控制又是基坑工程中重要部分,特別是在軟土地區的基坑施工中,土體性質較差[4],控制基坑與支護結構的變形、確定合理的基坑安全的控制標準至關重要。

鑒于此,中國編制了許多國家規范和行業規程。比如,《建筑基坑工程監測技術標準》(GB 50497—2019)[5]給出了不同支護結構類型的基坑變形絕對值及其與基坑開挖深度的關系,取較小值作為控制值,如采用鋼板樁支護的基坑的深層水平位移值,要求一級基坑的控制值為50～60 mm或0.6%H～0.7%H,二級基坑的控制值為60～80 mm或 0.7%H～0.8%H,三級基坑的控制值為70～90 mm 或0.8%H～1.0%H,H為基坑深度。北京地方標準《建筑基坑支護技術規程》(DB 11/489—2016)[6]中規定,當無明確要求時,最大水平變形限值:一級基坑為0.002H,二級基坑為0.004H,三級基坑為0.006H。《廣東省建筑基坑工程技術規程》(DBJ/T 15-20—2016)[7]中根據環境等級明確了基坑支護結構的水平位移控制值,環境等級為一級基坑的支護結構水平位移控制值取30 mm且不大于0.002H,環境等級為二級基坑的支護結構水平位移控制值取45～50 mm且不大于0.004H,環境等級為三級基坑的支護結構水平位移控制值取60～100 mm 且不大于0.006H。上海市《基坑工程技術規范》(DG/TJ 08-61—2010)[8]根據基坑周圍環境的重要性程度及其與基坑的距離,提出了支護結構最大側移、地表沉降的設計控制指標。重要保護對象與基坑距離s≤H,基坑環境保護等級為一級,支護結構最大側移控制值為0.18%H,坑外地表最大沉降控制值為0.15%H;重要保護對象與基坑距離范圍為H

現行規范標準一部分提出了不同安全等級與圍護結構形式的基坑變形的控制值,一部分考慮了周圍環境提出各環境等級下的變形控制要求。但是這些規范并未全面考慮區分支護結構的類型與土質條件;同時,一些規范給出的控制值的取值范圍較大,對于實際工程應用來說針對性不強,控制標準不明確。

與此同時,基坑變形控制標準也受到許多專家學者的關注,提出了適合當地的基坑變形控制標準。如宋建學等[10]結合區域經驗,提出了河南省基坑變形監測的建議項目與預警指標。劉潤等[11]基于天津地鐵1號線的監測與研究,以支護剛度減小使其水平位移增加作為控制基坑發生失穩破壞的標準,建議將支護結構最大側移和地表最大沉降為0.4%H和0.28%H作為天津地區深基坑開挖支護結構變形的控制標準。李俊等[12]探討了某深基坑支護位移、沉降與內力大小及變化規律,建議樁體水平位移最大值的預警值為 1.87%H。張陳蓉等[13]、黃茂松等[14]考慮基坑開挖對周圍建筑物和管線的影響,提出了變形控制標準。奚家米等[15]基于“時空效應”理論,對上海市陶家宅深基坑工程的監測數據進行了統計分析,得到圍護結構最大側移平均值為0.15%H,最大側移深度平均值為0.8H。潘林有等[16]對溫州深厚軟土地層的明挖深基坑進行了實測分析,得到地連墻水平位移為“鼓脹形”,最大水平位移平均值為0.3%H。董凱等[17]基于北京上清橋站基坑進行了實測分析、數值模擬和概率統計分析,給出了圍護結構水平位移監測指示值為0.13%H。張建全等[18]結合實測分析給出了不同地層、不同工法施工的車站地表沉降控制值。趙塵衍等[19]基于常州的軌道交通基坑工程實測,提出了具體的變形控制指標值。

上述研究成果可以對當地的基坑工程施工與監測提供參考,所研究的支護結構多為剛度較大的地連墻,形式單一,且提出控制指標時未區分基坑等級。

無論是現行規范標準還是上述研究所提出的參考標準,這些控制指標均是由工程實測而來[20-21],而這些統計分析的基坑工程案例是在基坑安全、成功完成施工的案例,反映的僅是安全的基坑工程施工過程中基坑變形的最大值,存在一定的冗余,不一定是保證基坑安全、經濟成本較低的最優值。其次,以上規范與研究內容多用于建筑基坑、地鐵基坑等深基坑的變形控制。廣州南沙等軟土地區的管廊基坑,一般基坑寬度與深度較小,基坑長度遠遠大于基坑寬度,是典型的狹長形基坑,常采用鋼板樁與內支撐的組合支護形式,支護結構柔性較大。此類基坑的變形規律及其按照基坑安全等級劃分的變形控制標準均缺乏研究,使得軟土地區管廊基坑在實踐中常遇到變形控制設計難度大、造價高,施工中變形極易超標但基坑仍較為安全等諸多問題。

現依托廣州南沙某管廊基坑開展有限元數值模擬,分析基坑開挖過程中基坑圍護結構水平位移、地表沉降、坑底隆起的變形特征,基于6個不同基坑斷面,研究在臨界失穩狀態與穩定性滿足《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)兩種條件下,圍護結構水平變形、地表沉降、坑底隆起的變形最大值與基坑開挖深度的比值,提出在保證基坑安全施工的情況下,柔性支護結構應控制的水平變形。

1 有限元模型建立

1.1 管廊基坑工程概況

此綜合管廊工程項目位于廣州市南沙區,基坑采用明挖施工,基坑標準段寬度為14.1 m,基坑深度介于5.29 ～ 7.70 m。基坑采用密扣Ⅳ型拉森鋼板樁和鋼管支撐的組合支護形式。整個工程項目分為20個斷面進行設計,其中9個斷面區域基坑安全等級為二級,11個斷面區域基坑安全等級為三級。根據周圍環境評估,此項目環境等級為二級,允許鋼板樁最大水平位移為60 mm。

共選取6個基坑斷面進行分析,安全等級二級、三級的基坑各3個,表1為各基坑斷面的信息。

表1 基坑斷面幾何參數

1.2 有限元模型建立

以2-2斷面為例建立有限元模型,模型基坑寬度B=14 m,基坑開挖深度H=5.9 m。Ⅳ型拉森鋼板樁支護深度為21 m,基坑內設兩道Φ580,t=16 mm 鋼管支撐,水平間距4 m。

圖1 基坑三維有限元計算模型

表2 土體小應變硬化(HSS)本構模型參數

鋼板樁按照抗彎剛度等效為厚度0.17 m的板單元,重度為78.5 kN/m3,彈性模量為206 GPa,泊松比0.3,塑性彎矩為488 kN·m。鋼支撐采用梁單元模擬。土體與支護結構之間采用界面單元進行模擬,界面強度參數取相鄰土體的0.67倍。

基坑工程采取明挖順作法施工,設置10個計算階段。

計算階段1:初始地應力計算,位移清零,施作地連墻(地連墻)。

計算階段2:開挖第一層土(開挖1)。

計算階段3:架設第一道支撐(支撐1)。

計算階段4:開挖第二層土(開挖2)。

計算階段5:架設第二道支撐(支撐2)。

計算階段6:開挖第三層土(開挖3)。

計算階段7:施作底板(底板)。

計算階段8:拆除第二道支撐(拆撐2)。

計算階段9:施作頂板(頂板)。

計算階段10:拆除第一道支撐(拆撐1)。

2 典型斷面變形結果分析

對2-2基坑斷面的圍護結構水平位移、地表沉降、坑底隆起變形進行詳細分析。

基坑開挖過程中圍護結構水平位移如圖2所示,在完成開挖1階段后,由于進行第一步開挖,基坑內側土體缺失,并且沒有進行第一道支撐的架設,沒有支撐作用,故鋼板樁頂部向坑內產生位移,最大值位于鋼板樁頂部,為0.28 mm,呈“懸臂式”變形特征,如圖3所示。

圖2 基坑開挖過程圍護結構水平位移值

圖3 完成開挖1階段后圍護結構水平位移分布圖

完成開挖2階段后,在第一道內支撐的作用下,鋼板樁頂部向坑外產生位移,頂部最大值為 0.8 mm;樁身水平位移曲線呈現“內凸形”,最大位移值位于基坑底部,為13.19 mm。直到開挖3階段結束,鋼板樁頂部向坑外產生位移1.39 mm,樁身變形呈“內凸形”,如圖4所示,其最大位移為 31.92 mm,所在深度也移至基坑底部以下。后續拆撐過程,由于樁身應力重分布,水平位移值略有減小,可忽略不計。

圖4 完成開挖3階段后圍護結構水平位移分布圖

由于基坑內側土體開挖卸荷,坑外土體向基坑內側發生位移,坑外側墻后土體發生塑性沉降。如圖5所示,完成開挖1階段,墻后土體位移沉降可忽略不計。繼續施工,在內支撐的作用下,地連墻呈內凸變形,墻后土體隨之向基坑內側移動,地表沉降呈現“凹槽形”。當完成開挖2階段后,地表沉降值達到8.64 mm。完成最后一次開挖(開挖3)后,地表沉降達到22.06 mm。在拆除兩道支撐后,地表沉降略有增加,達到整個施工過程中最大沉降值22.26 mm。在整個過程中,坑外沉降最大值位于基坑外一倍開挖深度左右,影響范圍4～5倍開挖深度。可見柔性支護下軟土地區管廊基坑的變形影響范圍較地連墻、灌注樁等剛度相對較大的支護結構影響范圍大。

圖5 基坑開挖過程墻后地表沉降曲線

基坑開挖過程中,由于坑內卸載,坑底土體會發生回彈。繼續開挖,基坑深度增大,在坑外土體向坑內滑移和兩側圍護結構的側向擠壓作用下,坑底產生塑性隆起,如圖6所示。

圖6 開挖到基坑底部時基坑位移矢量圖

由圖7可以看出,隨著基坑開挖的進行,坑底隆起變形呈“中間大兩邊小”的形態。當開挖1階段完成時,坑底隆起量為0.67 mm,可忽略不計。當開挖2階段完成時,坑底隆起量達到13.99 mm。開挖3階段完成,由于開挖深度增大,坑底隆起量急劇增大,達到最大值54.81 mm。

圖7 基坑開挖過程坑底隆起變形曲線

綜上所述,開挖過程中此基坑斷面圍護結構水平位移最大值為31.92 mm,地表沉降最大值為22.26 mm,坑底隆起最大值為54.81 mm。根據規范要求與相關部門評定,基坑環境等級為二級,允許最大水平位移為60 mm,安全系數計算結果為2.1,滿足規范要求。

3 基坑變形控制標準研究

研究了深厚軟土區鋼板樁支護(柔性支護結構)時,基坑在臨界狀態下鋼板樁水平位移、地表沉降與坑底隆起等變形值的大小,并在周邊環境許可情況下,提出保證基坑安全施工的情況下,鋼板樁這一柔性支護結構在整個開挖過程中應控制的水平變形值。

(1)失穩臨界狀態下基坑變形。將土體強度折減到安全系數接近于1.0時,分析基坑圍護結構的變形、土體沉降、坑底隆起與基坑開挖深度的關系。

(2)滿足規范穩定性要求狀態下基坑變形。將土體強度折減到安全系數滿足相應規范要求時,分析基坑圍護結構的變形、土體沉降、坑底隆起與基坑開挖深度的關系。

3.1 臨界失穩時基坑變形與控制標準研究

通過尋找基坑失穩的臨界點,得到基坑變形與開挖深度的關系,以確定基坑開挖變形控制值。

采用強度折減有限元法計算基坑穩定性,對各層土體強度進行折減,直至基坑失穩不能完成計算,以便得到臨界失穩狀態下的土體參數和基坑變形。強度折減原理是將實際土體強度參數,黏聚力c和摩擦角tanφ的值同時除以一個折減系數SR,得到一組新的ctrail、φtrail值,如式(1)和式(2)所示,然后將此組強度值作為新的強度參數輸入,重新計算,如果基坑仍然穩定,就不斷地增加折減系數進行計算,直至基坑發生失穩破壞,此時對應的SR即為基坑安全系數。

(1)

φtrial=arctan(tanφ/SR)

(2)

以典型基坑斷面2-2為例,如圖8所示,在土體強度進行折減的過程中,圍護結構水平位移值在折減系數SR=2.1后急劇增大,即繼續增大折減系數SR,基坑失穩,原基坑安全系數FS=2.1。

圖8 基坑變形隨土體強度折減系數SR變化曲線

理論上應將安全系數FS=1.0時作為基坑的臨界狀態進行分析。然而,若土體強度折減系數SR=2.1,土體強度折減后基坑的安全系數FS=1.0,基坑極其不穩定,會出現失穩破壞,無法完成全部計算過程。故而將土體強度折減后安全系數FS=1.1的基坑視為臨界狀態進行分析,得到此時基坑圍護結構的變形、土體位移與坑底隆起值等,進一步確定基坑臨界狀態下的變形控制值。

基坑臨界失穩狀態下,在基坑施工過程中,2-2斷面圍護結構水平位移云圖如圖9所示,最大值為140 mm,位于12.15 m深度處;圖10為基坑豎向位移云圖,深層土體沉降最大值為106.14 mm,位于基坑外側9.09 m處,深度2.67 m;而地表沉降最大值為98.01 mm,位于距離坑外11.34 m處;坑底隆起最大位移位于基坑中央位置,為303 mm。

圖9 圍護結構水平位移云圖

圖10 基坑豎向位移云圖

基坑開挖深度H=5.9 m,地連墻水平位移最大值為2.37%H,深層土體沉降位移最大值為1.8%H,地表沉降位移最大值為1.66%H,坑底隆起位移最大值為5.14%H。

采用同樣的方法,對其他基坑斷面進行分析,將圍護結構水平變形δhmax、地表沉降δsmax、坑底隆起δbmax與基坑深度H的比值匯總于表3。

表3 臨界狀態各典型基坑斷面變形最大值與基坑深度的比值

一般以支護結構水平位移作為控制基坑失穩破壞的標準,建議將圍護結構水平變形與基坑深度比值的平均值作為控制值的參考值,則安全等級為二級、三級基坑控制值的參考值分別為2.62%H、3.24%H。

對于地表沉降和坑底隆起變形也可將計算結果平均值作為控制值的參考值。設計安全等級為二級的基坑,地表沉降與坑底隆起控制參考值分別為1.86%H、5.44%H,安全等級為三級的基坑,地表沉降與坑底隆起控制參考值分別為2.29%H、6.85%H。

作為環境等級為二級的基坑,將以上計算結果平均,建議將2.93%H作為圍護結構水平位移控制標準的參考值。地表沉降與坑底隆起的變形控制參考值為2.07%H、6.14%H。

3.2 穩定性滿足規范要求時基坑變形與控制標準研究

分析基坑穩定性滿足規范要求時,圍護結構水平位移、地表沉降、坑底隆起與基坑深度的關系,以此確定基坑設計和施工的變形控制參考值。按照相關規范,安全等級為二級和三級的基坑需分別滿足安全系數大于等于1.9和1.7。

按照設計等級,2-2斷面為三級基坑,按規范需滿足安全系數1.7。在開挖到基坑底部時,其圍護結構水平位移55.41 mm,位于9.65 m深度處;地表沉降為38.41 mm,位于距離坑外8.16 m處;坑底隆起位移為104.1 mm;深層土體沉降為 40.85 mm,位于基坑外側6.45 m處,深度2.76 m。

基坑開挖深度H=5.9 m,地連墻水平位移最大值為0.94%H,地表沉降位移最大值為0.65%H,坑底隆起位移最大值占為1.76%H,深層土體沉降位移最大值為0.69%H。

采用同樣的方法,對其他基坑斷面進行分析,將圍護結構水平變形、地表沉降、坑底隆起與基坑深度的比值匯總于表4。

表4 穩定性滿足規范要求時各典型基坑斷面變形最大值與基坑深度的比值

一般以支護結構水平位移作為控制基坑失穩破壞的標準,建議將圍護結構水平變形與基坑深度比值的平均值作為控制值的參考值,則二級、三級基坑控制值的參考值分別為0.8%H、0.93%H。

對于地表沉降和坑底隆起變形也可將計算結果平均值作為控制值的參考值。安全等級為二級的基坑,地表沉降與坑底隆起控制參考值分別為0.52%H、1.41%H,安全等級為三級的基坑,地表沉降與坑底隆起控制參考值分別為 0.62%H、1.67%H。

作為環境等級為二級的基坑,將以上計算結果平均,建議可將0.86%H作為支護結構水平位移控制標準的參考值。地表沉降與坑底隆起的變形控制參考值為0.57%H、1.54%H。

4 結論

依托實際工程,對廣州南沙軟土區管廊基坑的典型斷面進行有限元數值模擬,總結分析了基坑開挖過程中圍護結構水平位移、地表沉降、坑底隆起等變形。在此基礎上,基于6個不同基坑斷面,研究了臨界失穩狀態與穩定性滿足規范兩種條件下,圍護結構變形最大值與基坑開挖深度的比值,以期為軟土區柔性支護管廊基坑設計與施工變形控制提供參考。主要結論如下。

(1)軟土區柔性支護管廊基坑開挖過程中,圍護結構樁身變形由“懸臂式”變為“內凸形”;坑外地表沉降成凹槽形,沉降最大值位于基坑外一倍開挖深度左右,影響范圍4～5倍開挖深度,大于傳統的剛度較大的支護結構;由于基坑較窄,坑底隆起變形呈“中間大兩邊小”的形態。

(2)基坑臨界失穩狀態下,建議將圍護結構水平變形與基坑深度比值的平均值作為控制值的參考值。設計安全等級為二級和三級的基坑圍護結構水平變形的控制參考值分別為 2.62%H和3.24%H。

(3)基坑穩定性滿足規范要求時,建議將圍護結構水平變形與基坑深度比值的平均值作為控制值的參考值。設計安全等級為二級和三級的基坑圍護結構水平變形的控制參考值分別為0.8%H和0.93%H。