考慮施工荷載作用的軟弱地層深基坑穩(wěn)定性研究

夏國松

(中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平不斷提高，為滿足人民日趨增長的出行需求，城市地鐵建設(shè)總量急增。然而，地鐵基坑施工極大限制了地面交通及施工作業(yè)[1]。在此背景下，半蓋挖法兼具明挖法與蓋挖法的優(yōu)點(diǎn)又克服了兩者缺點(diǎn)，在工程中得到了廣泛應(yīng)用[2－4]。

基坑上臨時(shí)蓋板的敷設(shè)有效解決了明挖法不利于交通導(dǎo)流的缺點(diǎn)，滿足了施工期的行車及機(jī)械運(yùn)輸要求。然而，無論是施工車輛通行或是大型施工機(jī)械的運(yùn)輸均會(huì)使得臨近基坑路面以及臨時(shí)蓋板承受一定的行車荷載，在這些施工荷載作用下，深基坑的穩(wěn)定性將面臨重大挑戰(zhàn)。尤其是對(duì)于淤泥地層中的深基坑工程，其所處地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，坑底淤泥層深厚，地層自穩(wěn)能力差，強(qiáng)度低，極易受施工因素干擾而產(chǎn)生過量的擾動(dòng)引發(fā)嚴(yán)重的坍塌事故[5－7]。顯然，在此地層條件下，臨時(shí)蓋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)基坑的安全起著重要作用。

針對(duì)臨時(shí)蓋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，眾多學(xué)者做了許多研究工作。胡漢德[8]依托上海軌道交通真南路站基坑工程，對(duì)考慮臨時(shí)蓋板下端無支撐立柱樁工況進(jìn)行了細(xì)致分析與驗(yàn)算。張茜珍等[9]詳細(xì)介紹了蓋板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算過程，并對(duì)工程施工效果進(jìn)行了系統(tǒng)分析。劉守花等[10]依托長沙地鐵砂子塘站基坑工程，分析了蓋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的受力及變形情況。方燾等[11]綜合考慮蓋板剛度、地連墻變形、支撐軸力及立柱承載力等多種因素，系統(tǒng)研究了臨時(shí)蓋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在限值荷載作用下的變形及受力特征。現(xiàn)有研究多集中于施工過程中臨時(shí)蓋板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性，而較少涉及臨時(shí)蓋板承受行車荷載這一行為對(duì)基坑穩(wěn)定性影響的探究。

鑒于此，依托福州長樂機(jī)場(chǎng)城際鐵路祥謙站－首占站明挖區(qū)間深基坑工程，分別考慮限值施工荷載作用于兩種厚度臨時(shí)蓋板，利用數(shù)值分析方法，模擬施工期間基坑臨時(shí)混凝土蓋板承受施工行車荷載的工況，系統(tǒng)分析了限值施工荷載作用下臨時(shí)混凝土蓋板、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及坑周地層變形規(guī)律。研究成果可為工程實(shí)踐中相應(yīng)的措施設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 工程概況

祥謙站－首占站為福州至長樂機(jī)場(chǎng)城際鐵路工程重要區(qū)間段，沿線范圍內(nèi)地層屬第四系全新統(tǒng)長樂組(Q4)、上更新統(tǒng)龍海組(Q3)及晚侏羅系南園組(J3n)。基坑選用SMW工法樁(蓋板段為鉆孔灌注樁)＋內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，見圖1)。以工程明挖區(qū)間深基坑工程左線臨時(shí)蓋板段(ZDK26＋855.200～ZDK26＋893.200)為研究對(duì)象，對(duì)限值施工荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)基坑穩(wěn)定性展開系統(tǒng)研究。

圖1 祥謙站－首占站明挖區(qū)間深基坑(單位:mm)

3 數(shù)值模型及參數(shù)選取

利用數(shù)值分析方法建立目標(biāo)段深基坑等比例三維數(shù)值模型，基坑截面尺寸按照?qǐng)D1所示尺寸建立(寬度為6.95 m，開挖深度為3.90 m)。為避免尺寸效應(yīng)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果造成影響，參考文獻(xiàn)[12－13]的建議，基坑長度設(shè)置為40 m，即5倍于蓋板長度；模型側(cè)向邊界設(shè)置于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外4倍以上開挖深度外，考慮建模的簡易性但又不失模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，參考文獻(xiàn)[14－15]的簡化思路，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行適當(dāng)簡化:所有材料均考慮為均質(zhì)材料；不考慮地下水的影響；數(shù)值模型中將實(shí)際的鉆孔灌注樁及雙軸攪拌樁等效為地連墻。具體處理方法如下[16]:

式中:E1、E2、E3分別為鉆孔灌注樁、雙軸旋噴樁以及地連墻的彈性模量；I1、I2為相應(yīng)結(jié)構(gòu)慣性矩；d為樁基直徑；a為咬合寬度；b為地連墻寬度。

結(jié)構(gòu)單元物性參數(shù)及土層參數(shù)依據(jù)設(shè)計(jì)總說明中的地層信息及區(qū)間結(jié)構(gòu)材料信息設(shè)置，具體如表1、表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)單元物性參數(shù)

表2 各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)

分別考慮兩種臨時(shí)混凝土蓋板受荷工況進(jìn)行數(shù)值模擬，具體如下:

(1)工況一:G3臨時(shí)蓋板(500 mm厚混凝土蓋板，作為普通車輛與渣土車輛通道)，施加30 kPa板面荷載。

(2)工況二:G4臨時(shí)蓋板(800 mm厚混凝土蓋板，作為吊車及TBM運(yùn)輸通道)，施加50 kPa板面荷載。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 臨時(shí)蓋板變形分析

圖2為施工荷載作用下臨時(shí)蓋板豎向位移曲線。由圖2可知，在板面均布限值荷載作用下，臨時(shí)蓋板的豎向變形從地連墻邊緣向中軸線方向逐漸遞增。結(jié)合變形曲線可知，在30 kPa工況下，G3臨時(shí)蓋板最大豎向變形為15.81 mm；在50 kPa工況下，G4臨時(shí)蓋板的最大豎向變形為11.32 mm。由此可見，具有更大厚度的G4臨時(shí)蓋板在限值施工荷載作用下具有更強(qiáng)的抗變形能力。

圖2 施工荷載作用下臨時(shí)蓋板豎向變形曲線

4.2 坑周土體變形分析

當(dāng)限值荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)，基坑坑底均會(huì)出現(xiàn)一定的隆起，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土體變形存在一定約束作用，坑底隆起量呈現(xiàn)出由基坑長邊中心線向兩側(cè)逐漸減小的趨勢(shì)。30 kPa工況下坑底最大隆起值約為2.90 mm，50 kPa工況下坑底最大隆起值約為2.32 mm。在30 kPa工況下，坑周土體位移及地連墻(鉆孔灌注樁及雙軸攪拌樁)沉降均處于較小水平；在50 kPa工況下，坑周地表土體沉降以臨時(shí)蓋板為中心呈橢球狀向四周逐漸遞減。圖3為施工荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)坑周地表沉降曲線。由圖3可知，當(dāng)限值荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)，基坑側(cè)邊地表沉降隨著垂直于基坑距離的增大，在10 m范圍內(nèi)以較大的衰減速率逐漸減小，而后逐漸趨于平緩。最大值出現(xiàn)在基坑邊緣，在30 kPa工況下基坑側(cè)邊地表沉降總體較小，基坑側(cè)邊地表沉降最大值僅約為0.14 mm，在50 kPa工況下，基坑側(cè)邊地表沉降最大值約為1.70 mm。

圖3 限值施工荷載作用于臨時(shí)蓋板坑周地表沉降曲線

4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

圖4為施工荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線。由圖4可知，當(dāng)限值荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)出現(xiàn)位移，50 kPa工況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移略大于30 kPa工況，分別為0.24 mm與0.17 mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移沿深度方向呈現(xiàn)出“C”型分布，加固土層以上圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移明顯小于加固土層以下。由此可見，臨時(shí)蓋板受荷會(huì)增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移，但支撐、冠梁及加固土層對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向變形具有較好的限制作用。

圖4 限值施工荷載作用于臨時(shí)蓋板圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線

4.4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在G3臨時(shí)蓋板使用期間，其附近圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部累計(jì)最大沉降量約為1.6 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部累計(jì)最大水平位移約為0.4 mm，坑側(cè)土體累計(jì)最大沉降量約為0.12 mm。上述結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，證明了數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的合理性與可靠性。

綜上可見，G3、G4臨時(shí)蓋板可安全地作為普通車輛與渣土車輛通道或是作為吊車及TBM運(yùn)輸通道。當(dāng)限值施工荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)坑周土體位移保持在較小水平，支護(hù)系統(tǒng)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，基坑較為安全。但考慮到數(shù)值模擬做了一定的簡化處理，實(shí)際工程情況往往更加復(fù)雜，影響因素較多。因此，仍建議在實(shí)際工程中實(shí)施以下兩項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施:

(1)在使用臨時(shí)蓋板時(shí)對(duì)整個(gè)運(yùn)輸通道，尤其是臨近基坑路段進(jìn)行路面硬化處理，必要情況下在基坑內(nèi)增設(shè)有效的豎向支撐。

(2)施工期間，對(duì)基坑及周邊地層變形作定期監(jiān)控。

5 結(jié)論

本研究依托福州長樂機(jī)場(chǎng)城際鐵路祥謙站－首占站明挖區(qū)間深基坑工程，利用數(shù)值分析方法，系統(tǒng)分析了限值施工荷載作用下臨時(shí)混凝土蓋板、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及坑周地層變形規(guī)律。主要取得如下結(jié)論:

(1)在板面均布限值荷載作用下，臨時(shí)蓋板的豎向變形從地連墻邊緣向中軸線方向逐漸遞增。具有更大厚度的臨時(shí)蓋板在限值施工荷載作用下具有更強(qiáng)的抗變形能力，500 mm與800 mm厚臨時(shí)蓋板在限值施工荷載作用下最大豎向變形分別為15.81 mm與11.32 mm。

(2)當(dāng)限值荷載作用于臨時(shí)蓋板時(shí)，基坑坑底均會(huì)出現(xiàn)一定程度的隆起，亦會(huì)引起坑周土體的沉降。

(3)臨時(shí)蓋板受荷會(huì)增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移，但支撐、冠梁及加固土層對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫向變形具有較好的限制作用。

(4)在限值荷載作用下臨時(shí)蓋板對(duì)基坑結(jié)構(gòu)造成的變形均小于3 mm，臨時(shí)蓋板可安全地作為普通車輛與渣土車輛通道或是作為吊車及TBM運(yùn)輸通道。