砂卵石地層基坑開挖模擬分析

溫兆東

(蘇州設(shè)計研究院股份有限公司，江蘇蘇州　215000)

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砂卵石地層基坑開挖模擬分析

溫兆東

(蘇州設(shè)計研究院股份有限公司，江蘇蘇州215000)

摘要:采用FLAC3D軟件，模擬了成都犀浦近接高鐵及地鐵高架橋墩的基坑開挖過程，通過數(shù)值計算，分析了不同開挖深度下基坑周邊土體及橋墩的變形規(guī)律，證明了基坑支護結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞:基坑，水平變形，豎向位移，橋墩

0　引言

成都犀浦城市下穿公路隧道由于近接城灌高架鐵路及成都地鐵二號線，在基坑開挖過程中對高架橋不可避免會產(chǎn)生影響。對于此類近接重要建(構(gòu))筑物施工的基坑，圍護結(jié)構(gòu)的水平變形及附近的重要建筑物的安全性是其重點控制對象，許多學(xué)者對此進行了較為深入的研究［1-5］。然而，該基坑由于靠近沉降控制嚴格的城際鐵路(施工中最大允許沉降僅5 mm)，因此控制城際鐵路高架橋墩的變形成為了本基坑支護設(shè)計的關(guān)鍵所在。為此本文通過數(shù)值計算方法，研究了不同開挖深度下的基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及鐵路高架橋墩的沉降，為工程的設(shè)計施工提供參考。

1　工程背景

老成灌路改造工程全線設(shè)置不同走向的犀安路下穿及犀浦站下穿2座隧道，其中U型槽段長度450 m，隧道暗埋段長度1 250 m。本工程為其中兩個隧道施工，即犀安路口下穿隧道與犀浦雙鐵站前下穿隧道，下穿隧道布置為雙向六車道，隧道結(jié)構(gòu)邊界與高鐵墩柱間距至少保證9．0 m以上，隧道總長1．7 km，其中暗埋段長1 250 m、船槽長450 m，結(jié)構(gòu)凈寬27．2 m。

圍護結(jié)構(gòu)左側(cè)采用鉆孔灌注樁，右側(cè)采用咬合樁，支撐采用鋼管內(nèi)支撐。支護方案見圖1，其中，基坑最深處為14．32 m，由上至下共設(shè)4道橫撐，間距分別為3．0 m，3．0 m，4．0 m和4．3 m，并在基坑中設(shè)立了3排格構(gòu)柱，用于增加橫撐的穩(wěn)定性。

圖1　基坑支護結(jié)構(gòu)立面圖

2　基坑開挖模擬

2．1計算參數(shù)選取及數(shù)值模型

根據(jù)地質(zhì)勘查文件及基坑開挖后的地質(zhì)揭露情況，本次模擬計算所選取的參數(shù)見表1～表3。

根據(jù)勘察設(shè)計資料，建立了如圖2所示的三維數(shù)值計算模型，其中模型寬度為140 m，縱向長度30 m，高度70 m，基坑開挖深度14 m，相應(yīng)的灌注樁深度為26 m。并在灌注樁與開挖土體、開挖土體和基坑底部以及灌注樁和周圍土體之間設(shè)置接觸，接觸參數(shù)按照表3選取。

表1　結(jié)構(gòu)參數(shù)及地質(zhì)參數(shù)

表2　接觸單元模型參數(shù)

表3　橫向支撐及圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2　計算模型

2．2開挖步設(shè)置

開挖過程按照施工設(shè)計進行，開挖深度為14．32 m的基坑過程中，首先施加兩側(cè)灌注樁及咬合樁，隨后按照3 m，3 m，4 m及4．3 m的深度分步開挖，每次開挖完成后即設(shè)置橫向支撐。

2．3基坑變形分析2．3．1基坑水平變形分析

隨著基坑開挖深度的不斷增加，將引起支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形與撓曲，造成支護結(jié)構(gòu)后緣土體緊跟隨支護結(jié)構(gòu)一起產(chǎn)生運動，尤其是處于基坑水平表面的土體這種運動表現(xiàn)得最為明顯。通過模擬開挖分析，得到了各開挖步的基坑水平位移，基坑及周圍土體的水平位移云圖見圖3。

從圖3可以看出，在各開挖步中，當(dāng)采用咬合樁結(jié)合橫向鋼支撐的組合圍護結(jié)構(gòu)時，基坑側(cè)壁的水平位移都非常小。在第1～第3開挖步過程中，基坑側(cè)壁都沒有出現(xiàn)指向基坑內(nèi)的變形，開挖第4步時，基坑左側(cè)側(cè)壁出現(xiàn)了一定的正向位移(指向基坑內(nèi)側(cè))，其值為0．4 mm，但是基坑右側(cè)側(cè)壁相應(yīng)位置處并沒有出現(xiàn)相應(yīng)位移，表明橋墩在一定程度上影響了基坑兩側(cè)側(cè)壁的變形特征，基坑左側(cè)側(cè)壁更容易出現(xiàn)較大變形，需要在施工中及時施加水平支撐，密切監(jiān)測水平支撐的橫向位移以及軸力變化。

從圖中還可以看出，在前三步開挖過程中，基坑地表的水平位移都是指向遠離基坑側(cè)，這也是由于采用了水平支撐約束住了指向基坑內(nèi)側(cè)的變形。表明基坑圍護結(jié)構(gòu)合理可靠，能保證基坑安全。

圖3　各分步開挖時基坑水平位移

2．3．2基坑豎向變形分析

基坑開挖過程中，隨著開挖深度的增加，基坑底部隆起逐漸增大，并且?guī)涌拷又車耐馏w逐漸向上運動，而遠離基坑的土體則發(fā)生下沉，各開挖步中基坑整體豎向變形如圖4所示。

圖4　分步開挖時基坑豎向位移

從圖4可以看出，在基坑開挖各個階段，地表沉降表現(xiàn)不很明顯，最大沉降變形量不是位于基坑壁處，而發(fā)生在基坑外側(cè)的地方，說明地表的初始沉降變形是從離基坑較遠的地方開始的，而并非在基坑壁處。在各開挖步中，基坑的豎向變形最大值都位于基坑底部，各開挖步的坑底隆起值分別為2．3 mm，4．8 mm，5．9 mm和7．2 mm，基坑隆起值整體上相對較小，表明基坑的降排水措施起到了良好的效果，基坑沒有因地下水的作用而出現(xiàn)底部失穩(wěn)的情況。從圖中還可以看出，高鐵及地鐵橋墩的存在，一定程度上影響了基坑周圍的整體豎向位移分布，基坑周圍土體由于擠壓作用出現(xiàn)了整體向上位移。

2．3．3基坑水平支撐軸力分析

開挖過程中基坑軸力見表4。

表4　各開挖步基坑水平支撐軸力　kN

從表4可以看出，隨著基坑開挖深度增加，第一排水平支撐的軸力表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，在基坑開挖達到第3步時，第一排水平支撐達到了最小值4．2 kN;第二排水平支撐從開始施加到基坑開挖完成期間，其軸力都一直在增大，從60．2 kN增加至138．0 kN，最后達到了259．6 kN，每次增加1倍左右;第三排水平支撐在開始施加時軸力就達到了142．1 kN，而后增加至343．9 kN。從總體上看，基坑水平支撐的軸力最大值出現(xiàn)在第三排橫撐上，表明在開挖14．3 m基坑時，需要對第三排水平支撐的軸力進行密切監(jiān)測，確保不會發(fā)生松弛，以確?；娱_挖的安全以及高鐵安全。

2．3．4橋墩變形監(jiān)測分析

由于基坑開挖卸荷影響，基坑周圍土體會出現(xiàn)一定變形，這對基坑周圍土體中的橋墩勢必會產(chǎn)生一定的影響，橋墩可能會出現(xiàn)沉降變形。當(dāng)橋墩周圍土體存在較大不均勻沉降時，橋墩還可能會發(fā)生傾斜，造成高鐵和地鐵停運，將造成不可挽回的損失，因而控制橋墩的沉降以及差異沉降對犀浦下穿隧道的成敗至關(guān)重要。為此在基坑模擬開挖計算中，對橋墩的沉降以及水平變形都進行了監(jiān)測，以研究各開挖步中橋墩的沉降以及水平位移，確保高鐵及地鐵的安全運營。監(jiān)測點布置如圖5所示，橋墩豎向沉降和水平位移曲線如圖6和圖7所示。

圖5　橋墩監(jiān)測點布置圖

圖6　橋墩沉降曲線

圖7　橋墩水平位移曲線

從圖6可以看出，橋墩的整體沉降與基坑開挖深度呈正相關(guān)關(guān)系，在基坑開挖第1步時，橋墩隨之發(fā)生沉降，且左側(cè)橋墩的沉降量大于右側(cè)橋墩，這與上節(jié)中的土體整體變形趨勢一致，即相對遠離基坑側(cè)壁的土體和橋墩較近側(cè)的土體和橋墩產(chǎn)生了更大的變形。究其原因，是由于咬合樁的設(shè)置使得發(fā)生偏向基坑位移的土體外移，基坑圍護樁附近的土體與圍護樁結(jié)構(gòu)都保持一個非常低的豎向變形特征。因此在基坑開挖施工過程中，需要密切監(jiān)測左側(cè)橋墩及較遠土體的豎向變形，避免基坑發(fā)生較大的隆起。

由圖7分析橋墩的水平位移也發(fā)現(xiàn)類似的趨勢，橋墩的水平變形是指向遠離基坑側(cè)，且隨著開挖深度增加水平位移也逐漸增加，此現(xiàn)象也可以由土體發(fā)生的微小塑性流動加以解釋。結(jié)合橋墩的豎向位移和水平位移特點可以看出，犀浦下穿隧道的基坑開挖對橋墩的影響都非常小，所產(chǎn)生的豎向和水平位移都在可控范圍內(nèi)，但是需要注意，由于橋墩并不是單純的支撐上部荷載，結(jié)構(gòu)上還與上部結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，對于高次超靜定結(jié)構(gòu)，微小的位移也可能在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)次生應(yīng)力，輕則出現(xiàn)屈服，出現(xiàn)連接部位損傷，重則影響結(jié)構(gòu)耐久性，危及結(jié)構(gòu)安全。

3　結(jié)語

利用有限差分軟件FLAC3D模擬了近接高鐵和地鐵橋墩的下穿隧道開挖過程，通過分析各開挖步中的土體變形及橋墩變形，主要得到以下結(jié)論:

1)采用左側(cè)咬合樁，右側(cè)灌注樁并聯(lián)合橫撐及格構(gòu)立柱的支護方式整體上科學(xué)合理，能有效控制土體及橋墩變形，保證結(jié)構(gòu)安全。

2)從土體變形上看，左側(cè)土體由于橋墩影響更容易出現(xiàn)變形，應(yīng)重點監(jiān)測其變形發(fā)展。

3)遠離基坑的橋墩的水平位移相對于靠近基坑的橋墩較大，且豎向位移也存在類似趨勢，且都小于限值，表明支護結(jié)構(gòu)合理可靠。

參考文獻:

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Simulation analysis of pit excavation in sand and gravel stratum

Wen Zhaodong
(Suzhou Design and Research Institute Co．，Ltd，Suzhou 215000，China)

Abstract:The paper adopts FLAC3D software，simulates the pit excavation process of the express railway and subway elevated pier of Xipu in Chengdu，analyzes the change law for the surrounding soil of the pit and pier under different excavation depth according to the numeric calculation，and proves the pit support structure is reliable and safe．

Key words:foundation pit，horizontal deformation，vertical displacement，pier

作者簡介:溫兆東(1982-)，男，碩士，工程師

收稿日期:2015-10-20

文章編號:1009-6825(2016)01-0081-03

中圖分類號:TU463

文獻標(biāo)識碼:A