砂卵石地层大断面地下空间开挖稳定性分析

砂卵石地层大断面地下空间开挖稳定性分析

0地下频繁的大断面开挖产生的安全隐患随着我国地下工程的快速发展，地下空间格局日益扩大，其建设和挖掘给高架建筑（结构）带来了潜在的安全风险。例如城市的高架桥、人行天桥极易因大断面地下空间开挖而出现基础开裂、下沉现象，不仅影响桥梁的正常使用，也会产生安全隐患，进而酿成安全事故。在北京、上海等一线城市，因地铁建设较早，规模较大，地下频繁的大断面开挖而产生的此类安全隐患问题较突出解决地下空间因大断面开挖施工而导致的地层位移危及临近建(构)筑物基础等问题极为重要。江杰等本文以中医大省医院站为背景，对基坑施工过程进行数值模拟，研究大断面基坑开挖的变形影响范围及稳定性，将实时监测结果和相关部位数值模拟计算结果进行对比，探讨深基坑开挖变形规律，并提出基坑变形防护措施。1工程实例1.1站构筑物设计方案中医大省医院站为成都地铁5号线与2号线、4号线的三线换乘站，位于一环路西二段与清江东路交叉路口下，呈南北走向，前站为抚琴站，后站为青羊宫站。车站里程为YCK22+363.963～+618.414，属于两层分离侧式车站(局部一层)，前后接明挖区间，明挖区间左线里程为ZCK22+126.000～+363.964,ZCK22+618.414～+659.974，右线里程为YCK21+953.723～YCK22+363.963、YCK22+618.414～+678.994。车站主体右线长254.45m，宽22.66m。中医大省医院站周边建(构)筑物示意，见图1。明挖站厅基坑剖面，见图2。基坑工程地质断面，见图3。车站施工时，明挖站厅采用围护结构+支撑的围护体系，架设2层钢支撑。第一道为混凝土支撑，支撑截面为600mm×800mm。第二，第三道为钢支撑。钢支撑直径为ф609mm，厚度为16mm，各节钢管通过法兰盘进行连接。基坑侧壁采用挂网喷射C20混凝土，厚度150mm，钢筋网直径ф8mm，间距150mm×150mm，固定在围护桩纵筋上，横向拉筋直径为ф16mm，竖向间距为1.0m。本工程使用钻孔桩进行土层加固，防止基础变形，钻孔桩直径1.2m，间距设置为2.2m。1.2项目的地理条件根据钻孔揭示，场地范围内上覆第四系人工填土层(Q1.3石层间的滞水车站地处岷江水系冲积平原，地下水主要有上层滞水、第四系砂卵石层间的孔隙潜水。上层滞水主要分布在地表，位于黏性土层上面的填土层当中，水量变化较大，且不稳定。场地间的卵石成层状分布，其间含有大量的第四系孔隙潜水，且水位高，对工程的影响较大2地下高挖对周围建筑结构的影响分析2.1模型的构建2.1.1土体沉降验算(1)基坑土质均匀水平分布;(2)不考虑基坑降水及渗流对土体沉降的影响;(3)建模中不考虑外部荷载，环境影响等;(4)不考虑基坑开挖对土体弹性模量的变化影响。2.1.2模型密度和数量基坑开挖有限元模型，见图4。模拟计算目标为车站整体基坑。三维模型沿车站取纵向长度290m，宽度350m，高度方向取值为地面下40m。模型全部采用八节点六面体单元。总体模型单元数量为到357856个，节点总数量为704896个。在模型四周以加强地面边界支撑的方式，控制现有运营车站地下连续墙产生内侧位移2.1.3材料参数结果数值模拟中计算参数的合理选取对计算结果影响很大，结合地铁车站岩土工程勘察报告，得到模型深基坑的土层材料参数和结构材料参数，见表1、表2。2.2单元模拟开挖和支护土体在模型计算中采用摩尔-库仑本构模型，岩土塑性应变适用此类模型。围护桩采用plate单元模拟，内支撑采用nodetonodeanchor单元模拟开挖、支护在本课题计算步骤中分为:第一步:自重应力求解;第二步:施加围护桩，基坑四周起支护作用;第三步:在开挖至2m处施作第一道混凝土支撑，之后开挖至6m;第四步:在开挖深度为6m处施作第二道钢支撑，之后开挖至10m;第五步:在开挖深度为10m处施作第三道钢支撑，开挖至16m;第六步:基坑分层开挖直至设计标高20m深处。2.3基坑变形分析在深基坑开挖过程中，会产生侧位移现象，临近基坑周围的土体向基坑侧位移，且侧位移范围、规模随开挖深度增加而增大，即侧位移范围、规模与开挖深度两者间为正比不同施工站厅基坑不同距离地表沉降，见图5。由图5可知:开挖土体不同距离地表沉降趋势为漏斗形，在4个站厅基坑中心区域沉降最大，4个基坑出现了不同程度的坑底隆起，是整个地层变形最明显的区域。4个站厅坑后土体最大地表沉降为24mm，位置在距地层边界175m处。不同施工步站厅基坑围护结构水平位移，见图6。由图6可知:围护结构向基坑内发生水平位移，最大位移在开挖深度的2/3附近;基坑周围土体水平位移与维护结构的水平位移紧密相关，最大变形同样在开挖深度的2/3附近。其中，围护结构最大水平位移为6.41mm，第三道钢支撑最大水平位移为4.27mm。3实际监测结果与数值模拟结果对比为确保基坑开挖过程的安全，对深基坑及其周围环境进行监测分析，以指导基坑开挖和支护结构施工，确保邻近建(构)筑物的安全站厅基坑监测点位布置，见图7。图7中，明挖站厅取点ZQS16,ZQS19,ZQS21,LZ2-3,LZ2-3为坑后土体位移监测点，其余为桩体位移监测点。实际监测结果中，ZQS16最大水平位为6.78mm,ZQS21最大水平位移为9.32mm,ZQS19最大水平位移为8.96mm,LZ2-3最大水平位移为7.89mm，数值模拟结果最大水平位移为6.41mm。这是由于实际工程当中，基坑周围存在大量材料堆积以及机动车行驶等荷载影响。测点ZQS16水平位移相对较小，与测点处于基坑转角附近且附近进行钻孔桩加固有关。测点ZQS16,ZQS19位移略大于LZ2-3的位移，且变形趋势一致。在各开挖工况下地面沉降模拟的最大值与实际监测值的对比，见图8。实际监测基坑周围地表沉降值比数值模拟结果沉降值较大，监测最大沉降值为16.3mm，数值模拟最大沉降值为13.2mm，随着开挖深度的增加，沉降值逐渐增大，监测结果和模拟结果累计差值增大。实际施工过程中，基坑开挖及后续工作都是一个复杂的施工过程，在既有2号线，4号线正常运行的前提条件下，基坑开挖分为4个站厅开挖，受既有结构和现场施工影响较大，实际基坑开挖土体是不均匀分布的，地质参数可能存在变化，而数值模拟计算选取参数为固定值，并且假设为理想状态，未考虑不利因素。基坑开挖采用分步开挖法，实际施工施加钢支撑存在未及时支撑等情况，可能造成基坑坑壁向基坑内挤压，这与实际监测混凝土支撑出现压力现象相符。对比结果表明:实际监测结果与数值模拟结果变化趋势一致。说明基坑模型的建立，本构模型和计算参数的选取是合理的，计算结果与实际偏差不大。不同施工步不同开挖深度桩身水平位移，见图9。基坑采用围护桩结构，为降低基坑开挖变形，采用加支撑5步开挖法，采用加支撑再开挖方式。在基坑初步开挖时，围护桩桩顶向坑内变形最大，水平位移为3.9mm，桩体下部变形较小，深度越大，桩体位移几乎为零。当进行第二层，第三层基坑开挖时，桩体位移变形较大，由于开挖深度较大，基坑临空面增加。基坑开挖第二层时，桩顶位移5.1mm，在桩体深度6m左右处出现最大水平位移值，为9.3mm，基坑开挖第三层时，桩顶位移5.9mm，在桩体深度8m左右处出现最大水平位移值，为13.1mm，随着第四层基坑的开挖，桩顶位移7.5mm，在桩体深度10m左右处出现最大水平位移值，为14.3mm。挖到基坑设计标高处，桩顶位移7.5mm，在桩体深度12m左右处出现最大水平位移值，为15.4mm。可以看出，在基坑初步开挖时，围护桩变形较小，在桩体深度10m左右范围出现桩体受土压力影响，出现负值;随着基坑开挖的深度增加，基坑开挖深度越大，桩顶水平位移增大，桩体最大水平位移值下移，桩体整体变形在桩体上部较大，桩底变形较小，开挖时，需要及时做好支撑工作，减小桩体上部位移。围护结构水平位移监测和计算结果对比曲线，见图10。从图10可以看出:监测和计算结果趋势一致，开挖深度和围护结构水平位移呈正相关。但是同一开挖深度，围护结构水平位移的数值模拟值小于实际监测值，在开挖深度20m的范围内，围护结构水平位移的数值模拟与实际监测值最大相差3mm左右。造成这种偏差的主要原因是，数值模拟时考虑的加载荷载偏小，忽略了施工环境的复杂性，比如雨水、温度、施工临时荷载、土层分布不均等客观因素，而数值模拟的相关参数都比较理想。总而言之，数值模拟的趋势是与实际监测数据相吻合，可以作为反映实际情况的依据。4基坑周边土体沉降变化本文对中医大省医院站项目实测数据与数值模拟数据进行对比，探究了深基坑开挖对围护结构稳定性的影响，得出以下结论:(1)FLAC3D模拟结果具有较好的精确度，其模拟结果与监测结果比较吻合，存在荷载及其他因素的原因，使得模拟值要稍小于监测值。总而言之，实际基坑开挖情况可以用三维模型数值模拟来反映。(2)当4个基坑土体分层开挖后，基坑周边的土体沉降情况表现为以基坑四周为中心呈放射性扩散，因为支撑设置时间为开挖的不同阶段，地表沉降通过累积变化不同，由于最后一次分步开挖没有设置支撑，变形量相对较大，直到开挖完工，地表沉降变形才趋于稳定。地表沉降值的峰值出现位置是以半径为175