濱海地區土巖復合地層城市軌道交通車站深大基坑施工穩定性分析

杜 巖 殷建國 李文斌 王寶泉 宋卓華

(1.中交(成都)城市開發有限公司, 641400, 成都; 2.中交公路規劃設計院有限公司, 100007, 北京;3.中交集團綠色建筑技術研發中心, 100022, 北京; 4.中交建筑集團有限公司, 100022, 北京)

青島位于濱海地區,其地層屬于土巖復合地層。此類型地層下基坑的開挖會引起周圍地層和基坑產生變形,變形過大,輕則影響施工進度,重則造成工程事故,這給基坑施工更帶來了較大的困難[1-2]。目前,土巖復合地層條件下基坑支護結構的安全穩定性是許多學者較為關注的課題之一,其重點在于研究工程環境對支護結構體的影響特性[3]。文獻[4-6]通過對基坑支護結構體系全過程運營狀態開展現場監測,研究支護結構安全穩定性變化,以此分析支護結構的最佳設計。文獻[7-9]結合具體工程對其工程環境與關鍵施工技術進行數值模擬分析。

本文以青島某地鐵車站為工程依托,簡述基坑旋噴樁加固對其開挖變形的影響,采用有限元軟件研究基坑開挖對土體受力及變形預測,結合現場實測數據分析土巖復合地層條件下的基坑穩定性,以期為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

青島某地鐵車站為中間站,車站長484.9 m,有效站臺為長118 m、寬13 m的島式站臺;車站標準段寬21.8 m,車站外包高度為13.21 m;標準段基坑深17.41 m,寬22.0 m。

車站主體結構頂板覆土主要為平均厚度為4.0 m的素填土,其底板下巖層主要為中風化安山巖;基坑圍護樁插入下部巖層4～5 m,插入比約為0.34。地質縱斷面圖見圖1。

圖1 地質縱斷面圖

2 基坑加固關鍵技術

2.1 雙軸高壓旋噴樁加固

本工程采用雙軸高壓旋噴樁施工,一桿到底,同時完成兩根咬合旋噴樁作業,減少了止水帷幕搭接接頭。利用鉆機將帶有噴嘴的注漿管鉆進土層預定位置后,以高壓設備使水泥漿液或水、空氣成為高壓射流從噴嘴中噴射出來,沖切、擾動土體;同時鉆桿以一定速度逐漸提升,將漿液與土粒強制攪拌混合,漿液凝固后,在土中形成旋噴樁,以達到加固地基或止水防滲的目的。雙軸高壓旋噴樁止水帷幕布置如圖2所示。

單位:mm

2.2 軟弱土層開挖關鍵技術

根據地勘資料,⑥含有機質粉質黏土層在工程施工范圍內連續分布,層厚1.60～5.80 m,為典型的軟弱土層。由于其承載力較低且不均勻,在工程施工過程中易發生基坑坍塌現象,施工中將采用長臂挖機將⑥含有機質粉質黏土層垂直開挖掉,避免長臂挖機在坑內作業時,由于地層的流變性導致機械設備傾覆。同時雙軸高壓旋噴樁施工也可以對該地層起到一定的加固作用。

3 基坑施工變形與內力數值模擬分析

3.1 模型假設與模擬參數

根據文獻[10-13],本次數值計算模型滿足以下基本假定:①模擬中所有地層與地連墻結構完全符合線彈性體特性;②各類荷載屬于均布荷載。

模型中各層土體物理力學參數如表1所示。

表1 模型中各層土體物理力學參數

3.2 模型建立

本計算基于工程實際,于靠水域一側進行雙軸高壓旋噴樁加固區模擬。車站基坑三維模型示意圖如圖3所示。

圖3 車站基坑三維模型示意圖

模型中,側墻及各層樓板采用板單元,各層圍檁、抗拔樁等結構采用梁單元,各層土體以及端頭井一側旋噴樁加固區采用三維實體單元。

3.3 各施工工況下的基坑變形

對未施工雙軸高壓旋噴樁和施工雙軸高壓旋噴樁兩種工況下基坑變形進行計算模擬分析。

1) 未施工雙軸高壓旋噴樁。對基坑施工過程中的各地層與結構變形進行計算模擬分析。結果表明,基坑施工過程中,端頭井東墻、西墻及南墻均發生側向位移,且側向位移方向均為向基坑內部移動方向,最大側向位移為2.19 mm,發生在南墻中部,整體滿足施工要求。

2) 施工雙軸高壓旋噴樁。對端頭井一側地層旋噴樁加固過程中的各地層與結構變形進行計算模擬分析。結果表明,基坑端頭井一側旋噴樁加固過程中,端頭井側墻變形量出現峰值,最大變形量為2.21 mm,整體滿足施工要求。

由此可見,雙軸高壓旋噴樁對各施工工況下的基坑變形影響不大。

3.4 各施工工況下的結構內力

對未施工雙軸高壓旋噴樁和施工雙軸高壓旋噴樁兩種工況下地連墻的內力進行計算模擬分析。

1) 未施工雙軸高壓旋噴樁。基坑施工過程中,地連墻內力變化峰值出現在其腰部,最大值為101 kN,整體滿足施工要求。

2) 施工雙軸高壓旋噴樁。基坑施工過程中,端頭井旋噴樁加固地層側的地連墻結構內力變化明顯,其內力變化峰值出現在地連墻腰部,最大值為96 kN,整體滿足施工要求。

由此可見,雙軸高壓旋噴樁對各施工工況下的地連墻的內力有一定的減小作用。

4 基坑開挖階段現場監測數據分析

4.1 監測方案設計

本文針對基坑的圍護結構做了相關監測設計,主要監測內容為基坑圍護結構及地層變形監測。基坑中主要測點及儀器的布置如圖4所示。

圖4 基坑主要測點及儀器布置圖

4.2 監測數據分析

4.2.1 地面沉降分析

圖5為某地鐵車站基坑各測點地面沉降-開挖時間關系曲線。由圖5可以看出:最大地面沉降量為11.81 mm。隨著開挖時間和開挖深度的不斷推進,基坑各處地面沉降量一直變化。在開挖開始的前幾周內,基坑開挖深度不大,基坑周邊各點沉降量變化不大,且其變化率相對較小;隨著基坑開挖的進行,開挖深度越來越深,基坑周邊各點地面沉降變化量也逐漸增大,且其總沉降量也顯著增加;地面最大沉降量位置并未出現在緊鄰基坑處,而出現在距基坑一定距離處,距基坑約5 m處的地面沉降量最大。

圖5 基坑各測點地面沉降-開挖時間關系曲線圖

隨著距離的再次增大,沉降量反而隨著逐漸減小,在距基坑20 m遠處,沉降量在1 mm左右,可視為沒有變化。該沉降變化趨勢符合“沉降勺”規律,基坑近鄰地面沉降量的表現與帶有內支撐體系的基坑地面沉降曲線形式吻合。基坑近鄰地面沉降量均在變形允許值范圍內,可看出基坑的支護體系是穩定和安全的。

由圖6—圖8為基坑繼續開挖時地面沉降-開挖時間變化曲線。由圖6—圖8可以看出:隨著基坑開挖深度的增大,地面沉降量也隨之增大,且最大沉降量出現在第3道支撐安裝的階段。以DC2-5測點為例,在第2道支撐安裝完成后,最大地面沉降量為2.4 mm;當第3道支撐安裝完成后,該測點地面沉降量達到了7.8 mm,較之前增長了5.4 mm;而當全部支撐安裝完畢后,最終的地面沉降量為9.0 mm,僅增長了1.2 mm。由此可見,混凝土支撐在限制地面沉降上起到了明顯的作用。

圖6 開挖至第2道支撐時地面沉降-開挖時間變化曲線

圖7 開挖至第3道支撐時地面沉降-開挖時間變化曲線

圖8 開挖至第4道支撐時地面沉降-開挖時間變化曲線

4.2.2 圍護樁位移分析

圍護樁1-1截面、2-2截面位置如圖9所示。圍護樁1-1截面水平位移-深度變化曲線見圖10所示。

圖9 基坑縱向監測斷面位置圖

圖10 圍護樁1-1截面水平位移-深度變化曲線

由圖10可見:基坑在開挖過程中,1-1截面的CX1-4處圍護樁最大水平位移為5.1 mm,且其發生在樁頂以下2.8 m。與前兩道支撐的安裝過程相比,后續的施工對整個圍護樁的水平位移影響較明顯,說明基坑開挖過程中的空間效應以及其他施工因素對后兩道支撐施工過程中的影響較顯著。

圍護樁2-2截面水平位移-深度變化曲線見圖11。由圖11可見:圍護樁頂部第一道混凝土支撐施工完成后,水平位移變化很小,圍護樁中間位置水平位移變化較大。由于基坑的空間效應,側斜管離基坑兩端支撐越遠,圍護樁頂部的水平位移變化越大。基坑開挖到每一層支撐底至支撐安裝完成之前,圍護樁深層水平位移均出現較大幅度的增長。隨著時間推移,圍護樁頂部水平位移出現較大變化,且深度越大,水平位移變化越小,最終水平位移趨于不變。

圖11 圍護樁2-2截面水平位移-深度變化曲線

4.2.3 支撐軸力分析

圖12和圖13分別為混凝土支撐和鋼支撐軸力-開挖時間關系曲線。由圖12—圖13可知:隨著開挖深度的不斷增加,支撐軸力出現先升高后降低的趨勢,其變化情況與圍護樁水平位移基本同步;部分支撐安裝完成后,支撐軸力出現了一個緩慢下降的過程,究其原因為土層蠕變和支撐應力調整的結果。剛開始施加軸力時,土體受到水平擠壓作用會產生擠密變形,但隨著時間的增加周圍土體變形會產生蠕變而向周圍擴散轉移,這樣會造成土體局部的應力消散,使得支撐軸力減小。而土方的繼續開挖和下一道支撐的架設,又會使軸力慢慢趨于穩定,并最終保持在一個合理的范圍內波動。

圖12 第1道混凝土支撐軸力-開挖時間關系曲線

圖13 鋼支撐軸力-開挖時間關系曲線

5 結語

1) 雙軸高壓旋噴樁止水帷幕的良好應用,不僅對濱海地區深大基坑防水起到重要作用,也對軟弱地層進行了一定的加固,從兩方面保障了工程的順利施工。

2) 數值模擬計算表明:未施工雙軸高壓旋噴樁時,端頭井東墻、西墻及南墻均發生側向位移,且側向位移方向均為向基坑內部移動方向,最大側向位移為2.19 mm,發生在南墻中部;施工雙軸高壓旋噴樁時,基坑端頭井一側旋噴樁加固過程中,端頭井側墻變形量出現峰值,最大變形量為2.21 mm。未施工雙軸高壓旋噴樁時,地連墻內力變化峰值出現在其腰部,最大值為101 kN;施工雙軸高壓旋噴樁時,端頭井旋噴樁加固地層側的地連墻結構內力變化明顯,其內力變化峰值出現在地連墻腰部,最大值為96 kN。由此可見,雙軸高壓旋噴樁對基坑各施工工況下的地連墻的內力有一定的減小作用,但對基坑變形影響不大。

3) 現場監測數據分析結果與數值模擬分析結果較為接近,但由于施工現場地面存在許多臨時荷載,地下水、溫度等因素會對基坑及地層變形造成影響,數值模擬方法無法考慮周全,這將成為進一步完善的方向。本次研究驗證了數值模擬方法能夠準確地預測施工中車站基坑地連墻結構的變形量,對類似工程具有良好的普適性。