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工程管理前沿【2019年第24期】

  • ID:271572
  • 浏览:5357
  • 学科:工程地质学
  • 更新时间:2020-02-27 01:06:32
  • 期刊: 工程管理前沿
内容简介
《工程管理前沿》杂志是由中国工程院主管,中国工程院、清华大学、高等教育出版社主办的建筑期刊。国际标准刊号:2095-7513,国内统一刊号:CN10-1205/N。《工程管理前沿》的办刊宗旨:依托建设领域高层权威信息背景,旨在做好政府领导决策的重要参谋;成为政策理论探讨的前沿阵地,积极探索和引导建设事业发展方向和改革实践;提供重大事件权威报道,深度阐释焦点话题,纵深调查热点事件,努力追求权威性、建设性、实用性和可读性风格;努力做大媒介传播平台,真诚为建设企事业单位服务,为中国建设事业和城市化发展服务,为广大读者开启一个探求知识的窗口。

深大基坑开挖对紧邻既有地铁结构变形趋势研究

2019/8/9 15:17:00 工程地质学 葛彩虹
资料简介

摘要:随着我国的经济在快速的发展,社会在不断的进步,我国的科学技术在不断的完善,文章以实际工程为例,采用 MIDAS-GTS有限元软件,计算基坑开挖对既有地铁区间结构的影响并与工程实际监测数据进行比对。结果表明:深大基坑开挖会使紧邻既有地铁结构产生一定的不均匀隆起和反向转动并且这种变形趋势会随基坑开挖过程不断增强,当基坑开挖到底后,变形趋于稳定。

深大基坑开挖对紧邻既有地铁结构变形趋势研究

葛彩虹

中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津市 300308

摘要:随着我国的经济在快速的发展,社会在不断的进步,我国的科学技术在不断的完善,文章以实际工程为例,采用MIDAS-GTS有限元软件,计算基坑开挖对既有地铁区间结构的影响并与工程实际监测数据进行比对。结果表明:深大基坑开挖会使紧邻既有地铁结构产生一定的不均匀隆起和反向转动并且这种变形趋势会随基坑开挖过程不断增强,当基坑开挖到底后,变形趋于稳定。

关键词:基坑;地铁;监测;变形

引言

随着城市建设速度加快,城市土地资源十分紧张,各种高层建筑伴随的深大基坑工程不断涌现,城市中的深大基坑工程常处于大量市政工程和高层建筑密集区域,工程问题主要体现在施工场地紧凑和对已有建(构)筑物的影响。同时,随着城市地铁建设速度的加快,在既有运营地铁隧道附近进行施工基坑工程也不断出现,地铁隧道附近施工基坑工程会改变基坑周围土体的位移场和应力场,引起地表沉降和地层移动,进而对地铁隧道结抅产生影响。因此,如何准确确定深基坑施工中基坑周围土体的应力场和位移场,釆取有效的措施保证施工顺利进行和周围环境的安全,是岩土工作者面临的一大任务。

1深大基坑工程现状

深大基坑工程是一门综合性极强的新型学科,该学科涉及土力学与基础工程、结构力学、施工组织以及监测技术等多门学科。其基本内容包括工程地质及水文勘测、围护结构的设计与施工、基坑土方开挖与运输、地下水位的控制、基坑开挖过程的监测等。深大基坑工程的研究始于国外。国外学者对土力学特别是土压力的研究为基坑工程的设计与施工奠定了理论基础。早在20世纪40年代,国外知名学者Terzaghi和Peck等人最早提出基坑计算方法,包括土方开挖的稳定程度预估、支撑荷载的大小以及总应力法。他们对芝加哥地铁施工中围护结构的侧向变形及周围地表沉陷进行了系统的监测,获得了宝贵的实测数据。随后的50年代,Bjierrum和Eide给出了深基坑开挖导致底板向上隆起的分析方法。到了60年代,开始出现深基坑利用仪器进行监控量测,其中有代表性的是墨西哥城和奥斯陆的软粘土深基坑工程。从70年代起,相应的法规随着深基坑工程的大量出现及工程实践的总结应运而生。深基坑工程设计开始进入规范化设计的时代。我国深基坑工程的开展较晚,80年代前只在北京修建的地铁项目中出现过开挖深度达到20米的基坑。80年代后随着中国经济的发展,北京、上海、广州等城市深基坑工程逐渐增加,设计与施工经验开始逐渐丰富。到了90年代,高层和超高层建筑逐渐增加,必然导致基坑开挖深度逐渐增大,深基坑工程数量开始积累。随后,中国经济飞速增长,国内超高层建筑如雨后春笋般出现,我国深基坑设计与施工经验不断积累,相关法规的出现使得基坑工程设计与施工水平达到了一个新的水平。与此同时,深基坑工程的支护形式逐渐多样化,伴随着数值模拟方法的普及和计算机计算能力的提高,深基坑设计从手算走向了计算机辅助设计,大大提高了效率与计算精度。

2工程地质情况

根据详勘报告,工程场地内自上而下土层依次为:1)①1填土层,层厚1.0~2.3m;主要由黏性土、碎石及砂类土组成,局部含少量建筑垃圾、生活垃圾(个别地段为垃圾填埋场);道路地段表层为沥青路面,沥青路面下为碎石垫层,稍湿,松散;2)③63中砂,层厚4.8~6.7m;黄褐色,石英~长石质,次棱角形,均粒结构,颗粒级配差,含约10%黏性土,局部为粗砂夹层,湿,稍密~中密;3)③83砾砂,层厚0~16.3m;黄褐色,石英~长石质,棱角形,混粒结构,颗粒级配较好,含约20%黏性土,局部为圆砾薄层,湿,水下饱和,稍密~中密,局部密实;4)⑤74粗砂,11.2~16.3m;黄褐色,石英~长石质,次棱角形,混粒结构,颗粒级配一般,含约15%黏性土,局部有砾砂夹层,湿,水下饱和,密实。

3计算分析

3.1工程概况

某地下商业街共划分为A、B、C、D四个区,其中,商业A区与地铁九号线铁西广场站—兴华公园站区间同期结合设计与施工,地铁区间位于地下商业结构下方。铁西广场站为新建地铁九号线和既有地铁一号线换乘站,为地下两层双柱三跨车站,明挖法施工,结构宽24.5 m、高14.5 m,顶板覆土厚3.23 m ,围护结构采用 ϕ 800 mm@1 200 mm钻孔灌注桩。地下商业A区基坑宽40.8 m、深25.8 m,采用围护桩+钢支撑支护体系,施工前降水,保证地下水位于基坑底以下0.5 m,从上至下共设5道支撑,基坑边与铁西广场站侧墙外皮净距5.2 m。见图1。

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图1 商业街基坑与既有铁西广场站相对位置

3.2模型尺寸及边界的确定

根据项目基坑支护设计的平、剖面图及其与紧邻地铁一号线隧道的空间关系,选取的模型边界为基坑边线外三至五倍基坑深度范围,考虑到地铁隧道全部深置于中风化泥质粉砂岩层中,下部的岩层较坚硬且稳定,对隧道变形影响很小,因此,隧道底以下取3D(隧道直径)范围作为边界来确定分析下限,最终确定分析模型的大小(长×宽×高)为280m×260m×75m。因土体为半无限体,故模型范围外不考虑其变形,对土体四周施加水平位移约束,对土体地面施加固定约束。模型顶面考虑20kN/m2地面荷载。

3.3地下水位下降幅度的确定

由于本场地的中风化岩层埋藏较浅,基坑底普遍位于中风化岩层中,既有地铁1号线基坑围护结构的地下连续墙墙底全部进入中风化岩层,根据勘察报告,岩层基岩裂隙较发育,有一定量的基岩裂隙水,砂层富水量较丰富。但采用地连续墙作为基坑的支护体系及止水帷幕,根据众多地连墙在砂层中止水成功的案例,认为基坑外侧的地下水水位可能产生变化但不会下降太大。但为了反映地下水位的变化对地铁的可能不利影响,本分析模型还专门进行了模拟分析,由于各工况下对应的地下水位降幅没法具体估计,为了偏于安全考虑,本模型分别模拟了地下水位下降lOm和29m(地连墙底)来计算水位下降对隧道的影响。同时与坑外水位在地表状态的工况也进行对比分析,以判断地下水位下降对既有结构造成的不利影响。

3.4计算模型

采用 MIDAS-GTS 有限元软件,建立尺寸为81m×92 m×37 m的模型,包含既有地铁一号线铁西广场站主体及围护结构、新建商业体基坑围护及临时结地铁一号构。各土层均采用弹塑性材料,三维实体单元,采用地铁一号Mohr-Coulomb屈服准则;基坑围护桩、主体结构顶底地铁一号板及侧墙、临时支撑等采用弹性模型、板单元;主体结地铁一号构梁柱等采用弹性模型、梁单元。模型侧面边界水平地铁一号位移和底面边界竖向位移受到约束;共计43 074 个单地铁一号元。见图2和图3。

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图2 计算模型

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图3 基坑邻近既有车站模型

3.4分析步序

1)施加重力荷载,平衡初始地应力。2)钝化既有一号线车站土体单元,激活既有一号线围护、主体结构。3)钝化商业体基坑各开挖层的土体单元并激活钢支撑单元,模拟基坑开挖过程。4)重复步骤3直到完成整个基坑的施工过程。5)临近基坑一侧,随基坑开挖有上隆现象,开挖第三层土体后开始发生沉降,最大上隆量为0.14mm;6)随着远离邻近基坑侧,时程曲线规律一致,均为随基坑开挖结构产生沉降,最大沉降值为0.50mm。整个分析步序见图4。

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a)待开挖土体

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b)主体围护桩施工

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c)首层土体开挖

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d)第一层横撑支护及第二层土体开挖

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e)第二层横撑支护及第三层土体开挖

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f)第三层横撑支护及第四层土体开挖

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g)第四层横撑支护及第五层土体开挖

图1 分析步序

3.5既有地铁1号线地下连续墙侧移分析

基坑开挖引起的隧道侧地下连续墙侧移最大值。从图中可以看出随着厚度增大,地下连续墙侧移最大值逐渐减小。曲线可以用二次多项式拟合,拟合效果较好。拟合曲线为下凹型,说明随着厚度增大,侧移值的变化逐渐变缓。如图2。

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图2地下连续墙侧移分析

3.6原理分析

造成地下结构的隆起的因素有很多,比如地下水位上升,钢支撑预加力设计值过大,施工单位技术水平参差不齐等。1)基坑全程降水,地下水位一直控制在开挖面以下1m,而且地下水对既有结构造成的隆起应该是均匀的,而本工程表现为不均匀隆起。所以排除地下水位的影响。2)通常基坑施作应该“先撑后挖”,但为减少基坑暴露时间及满足施工工期的要求,有的基坑会“先挖后撑”。对钢支撑施加预加力可以控制基坑侧壁水平位移及坑外地表沉降的进一步发展;但钢支撑预加力过大造成的隆起是当基坑开挖深度达到邻近既有地下结构底板以下时开始的;而本工程从基坑开挖开始就已经有隆起的趋势。所以排除钢支撑预加力设计值过大的影响。3)很多基坑变形均由施工单位的土方超挖或支撑架设不及时造成的;但土方超挖或支撑架设不及时会导致基坑水平位移和坑外地表沉降的加大。因此施工单位的技术水平并不是导致本工程结构隆起的因素。4)资料中提到:当基坑围护桩桩底清孔良好且桩底经过注浆加固的情况下,围护桩会随基坑开挖引起的坑底隆起,而产生相应的抬高。本工程基坑边桩桩底土层为承载力较高的粗砂或圆砾地层,由于坑底隆起势必造成围护桩的竖向上抬;围护桩上抬与邻近既有地下地铁一号线隧道的不均匀隆起有较大联系。桩体通过与铁西广场站结构间的土体向铁西广场站传递竖向摩擦力,靠近基坑侧的铁西广场站结构随基坑开挖深度的加大,隆起量一直增大;远离基坑侧的铁西广场站结构,在基坑开挖初始阶段,因为重力起控制作用而沉降,随着基坑开挖深度加大,向上的摩擦力起控制作用,亦导致其产生一定隆起;当基坑开挖至底后,基底隆起量趋于稳定,既有结构的隆起量随之趋于稳定;最终临近基坑的既有铁西广场站产生了朝基坑侧的反转。

结语

通过对紧邻既有地铁车站深大基坑开挖工程的数值计算结果及分析,可得出以下几点结论:(1)紧邻地铁车站基坑开挖对既有地铁车站结构产生一定的影响,主要表现为基坑开挖造成坑底隆起,带动既有结构上浮,但影响程度较小,均在规范控制要求范围之内。 (2)施工期间加强既有车站结构的监控量测频率,保证基坑施工安全、结构稳定性。(3)通过有限元软件,可有效预测既有地下结构的整体变形趋势;但受地层和结构参数选取、地下水位变化及施工水平等诸多因素影响,数值模拟与实际变形会存在一定差异。(4)希望该论文为类似工程建设提供参考并为相关数值模拟分析所借鉴,对输入参数做进一步优化,让数值模拟更加贴合实际,从而好地指导深大基坑工程的设计与施工。

参考文献

[1]张国亮,韩雪峰,李元海,等.新建地铁站基坑与既有车站结构间相互影响的数值分析[J].隧道建设,2011,31(3):284-288.

[2]李伟强,孙宏伟.邻近深基坑开挖对既有地铁的影响计算分析[J].岩土工程学报,2012,34(S1):419-422.

[3]刘建航,侯学渊,刘国彬,等.基坑工程手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2009.