周　晉

(上海地礦工程勘察有限公司， 上海 200072)

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上海某人行地道基坑工程監(jiān)測及數(shù)值模擬研究

周晉

(上海地礦工程勘察有限公司， 上海 200072)

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究了人行地道基坑施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移規(guī)律，并用巖土工程專業(yè)有限元軟件對基坑開挖過程進(jìn)行了模擬，將得出的側(cè)向變形與實測側(cè)向變形進(jìn)行對比分析，重點研究了基坑開挖不同深度側(cè)向位移的變化規(guī)律以及底板和頂板對圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的影響。結(jié)果表明：圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移呈“中間大、兩端小”的特征，隨著開挖的不斷加深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的最大值位置也不斷向下移動；底板和頂板的澆筑有效的控制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形；有限元軟件計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)取得了較好的一致性，可有效的預(yù)測基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，為類似工程的設(shè)計與施工提供參考。

基坑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；側(cè)向位移；數(shù)值模擬

隨著城市的日益發(fā)展，城市中心的土地資源變得日益匱乏。對于上海這樣土地資源緊缺的城市，特別是中心城區(qū)，為了有效的利用土地，建筑物不斷向高空和地下發(fā)展[1-2]。城市人行地道可以有效解決城市人口密集區(qū)域的交通擁擠和行人安全問題，對保證行人安全，提高城市運行效率有重要作用[3]。同時，近幾年來隨著城市軌道交通的發(fā)展，許多地鐵車站乘客出入口與人行地下通道規(guī)劃在一起[4-6]。對于人口密集的商業(yè)中心，地下人行通道對于解決行人過街問題具有重要意義[7-9]。由此可見，城市人行地道通常是在城市建筑密集區(qū)域內(nèi)施工，周圍往往分布較多的既有建筑，因此施工過程中對基坑的變形控制要求比較嚴(yán)格，所以施工過程中對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測不可或缺，對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理的研究已成為工程技術(shù)人員重點關(guān)注的課題[10-14]。同時針對實際工程的有限元模擬也被大量用于工程實踐之中[15-16]。

本文結(jié)合大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對比不同測點在基坑不同開挖階段的變形曲線，總結(jié)了人行地道基坑施工過程中地下連續(xù)墻的側(cè)向位移規(guī)律。同時，利用數(shù)值軟件PLAXIS對基坑施工過程進(jìn)行了模擬，獲取了維護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移數(shù)據(jù)，將其與監(jiān)測數(shù)據(jù)做了對比分析，總結(jié)了基坑施工過程中維護(hù)結(jié)構(gòu)的位移機(jī)理并系統(tǒng)分析人行地道基坑工程設(shè)計施工的合理性，提出減小變形的措施，這對確保周邊建筑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用的正常發(fā)揮具有重要意義，可以為類似工程的設(shè)計和施工提供參考。

1　工程概況及地質(zhì)條件

1.1工程概況和周邊環(huán)境

上海市茅臺路人行地道工程位于茅臺路和婁山關(guān)路路口，穿越茅臺路，是連接茅臺路兩側(cè)金虹橋國際中心和長房國際廣場地下室之間的人行地道。主通道采用4.2 m×6.9 m矩形頂管法施工，工作井設(shè)置在茅臺路南側(cè)靠近金虹橋國際中心，接收井設(shè)置在茅臺路北側(cè)靠近長房國際廣場預(yù)留通道接口處。

1.2水文地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告，主要根據(jù)土的結(jié)構(gòu)特征以及土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)等綜合分析，共劃分5個工程地質(zhì)層及1個亞層，自上而下依次為：① 雜填土；② 粉質(zhì)黏土；③ 淤泥質(zhì)黏土；④ 黏質(zhì)粉土；⑤ 粉質(zhì)黏土。表1給出了基坑影響范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

表1　基坑影響范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)報告，擬建場地淺部土層中的地下水屬潛水類型，其補(bǔ)給來源主要為大氣降水和地表徑流，雨季期間地下水位普遍升高。地下水位埋深在2.30 m～2.70 m之間，相應(yīng)標(biāo)高在0.58 m～0.53 m之間。擬建場地未發(fā)現(xiàn)承壓含水層，不考慮承壓水的影響。

2　支護(hù)及監(jiān)測方案

2.1工作井支護(hù)方案

頂管工作井后靠背一側(cè)采用現(xiàn)有金虹橋地下室墻，其余三側(cè)外圍采用Φ800鉆孔灌注樁加單排Φ700雙軸深層攪拌樁作為抗?jié)B帷幕。地面標(biāo)高3.13 m，底板面標(biāo)高-9.2 m，井深13.13 m。鉆孔灌注樁樁底標(biāo)高-22.1 m，樁長25.23 m。深層攪拌樁底標(biāo)高-14.00 m，樁長17.13 m。底板厚800 mm，井底攪拌樁加固5 m。深層攪拌樁外側(cè)與金虹橋地下室外墻角部采用6根800@600高壓旋噴樁加固，加固后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.6 MPa以上?；庸こ贪踩燃墳橐患?，環(huán)境保護(hù)等級為一級。詳見圖1。

2.2接收井支護(hù)方案

頂管接收井采用鉆孔灌注樁加攪拌樁的基坑形式，內(nèi)邊尺寸7.2 m×21.2 m。一側(cè)采用現(xiàn)有長房國際地下室外墻，其余三側(cè)外圍Φ800鉆孔灌注樁加單排Φ700雙軸深層攪拌樁作為抗?jié)B帷幕。地面標(biāo)高3.13 m，底板地面標(biāo)高-9.2 m，井深13.13 m。灌注樁底標(biāo)高-22.1 m，樁長25.23 m。深層攪拌樁樁底標(biāo)高-14.00 m，樁長17.13。底板厚800 mm，井底攪拌樁加固厚5 m。深層攪拌樁外側(cè)與長房國際地下室外墻角部采用6根800@600高壓旋噴樁加固，如圖1所示。

基坑工程安全等級為一級，環(huán)境保護(hù)等級為一級。

圖1基坑平面及測斜點布置圖

2.3監(jiān)測方案

本文主要研究基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的變化規(guī)律。監(jiān)測圍護(hù)體測斜是對基坑開挖階段圍護(hù)體縱深方向的水平位移進(jìn)行監(jiān)控，及時掌握基坑變形的動態(tài)信息。一般按基坑每15 m～20 m設(shè)置1孔，共布設(shè)7孔(CX1～CX7)，如圖1所示。

基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移采用北京航天測斜儀進(jìn)行測試，在圍護(hù)樁施工時，將帶有導(dǎo)槽的PVC測斜管輔以鋼筋焊接在型鋼上隨其一起下放，測斜管管徑為Φ70 mm，內(nèi)壁有二組互成90°的縱向?qū)Р?，?dǎo)槽控制了測試方位。埋設(shè)時，讓一組導(dǎo)槽垂直于圍護(hù)體，另一組平行于基坑墻體。測試時，測斜儀探頭沿導(dǎo)槽緩緩沉至孔底，在恒溫一段時間后，自下而上逐段測出X方向上的位移。同時用光學(xué)儀器測量管頂位移作為控制值。在基坑開挖前，分二次對每一測斜孔測量各深度點的傾斜值，取其平均值作為原始偏移值?！?”值表示向基坑內(nèi)位移，“-”值表示向基坑外位移。

在接收井和工作井基坑土體開挖過程工的監(jiān)測歷程為：接收井自2011年09月01日第一層土開挖開始起，到2011年10月18日土方開挖基本完成。2011年11月03日，接收井基坑大底板全部澆筑完成，監(jiān)測頻率為1次/1 d。工作井自2011年12月05日工作井第一層土方開挖開始起，至2012年01月02日，工作井土方開挖完成。2012年01月5日工作井底板全部澆筑完成，監(jiān)測頻率為1次/1 d。

3　實測結(jié)果分析

取具有代表性的測斜孔CX1 、CX2 、CX5 、CX6(測斜值報警值為40 mm，測點布置如圖1所示)進(jìn)行分析，其側(cè)向變形隨施工過程的變化曲線如圖2～圖5所示。

圖2～圖5為接收井和工作井各測點在基坑施工不同階段下的圍護(hù)墻體側(cè)移曲線。由實測曲線可以看出：(1) 圍護(hù)墻體側(cè)移整體呈 “兩端小中間大”的變化趨勢，與一般情況下基坑圍護(hù)墻體的變形特征相一致；(2) 在基坑施工不斷加深的過程中，圍護(hù)墻體水平位移也不斷增大；(3) 在基坑施工不斷加深的同時，圍護(hù)墻體側(cè)向位移的最大值位置也不斷向下移動。且一直在開挖面上下浮動。(4) 在開挖完成到頂?shù)装鍧仓瓿蛇^程中，墻體仍有水平位移發(fā)生，但墻體的水平位移與開挖過程中的變形相比較小。分析圖4、圖5還可以發(fā)現(xiàn)某些測點的水平位移在底板澆筑后出現(xiàn)減小的趨勢，這表明底板和頂板的澆筑對維護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移有顯著的抑制作用，有效的控制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的發(fā)展。

圖2　CX1點測斜曲線

圖3CX2點測斜曲線

4　數(shù)值模擬分析

在有限元數(shù)值模擬中，考慮到矩形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形往往出現(xiàn)在坑邊的中部，且二維問題模型簡單，計算時間遠(yuǎn)小于三維問題，因此本文將基坑簡化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行建模。本文采用PLAXIS軟件，建立了圖1中C-C截面的計算模型。

模型深度方向取值為40 m，寬度為80 m，位移邊界條件設(shè)置為模型左右邊界的水平方向位移為零，豎直方向不限制位移，下邊界完全固定。模型采用了PLAXIS自動生成網(wǎng)格技術(shù)，將全局疏密度選為“細(xì)”，并采用了“加密線”操作對模型中連續(xù)墻和底板附近的網(wǎng)格適當(dāng)加密以提高計算的準(zhǔn)確性。

圖6所示是基坑計算示意圖以及計算完成后位移云圖。圖7所示為測點CX2的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑施工過程中的變形曲線。

圖4　CX5點測斜曲線

圖5CX6點測斜曲線

由圖6可以看出在基坑開挖完成時，土體位移最大值發(fā)生在坑底角點位置，這與一般基坑開挖過程中土體的位移規(guī)律相一致。分析圖7中數(shù)值計算的圍護(hù)墻體變形曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖的進(jìn)行，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增大，最終呈現(xiàn)兩端小、中間大的形態(tài)。同時，側(cè)移的最大值出現(xiàn)在開挖面附近，且隨著基坑施工深度的加深，最大值位置也不斷下降。

圖6　開挖完成時土體位移云圖

圖7CX2點圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移模擬結(jié)果

對比圖3和圖7中CX2實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果可以看出：(1) 實測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的變形形態(tài)基本一致，都表現(xiàn)為兩端小，中間大的規(guī)律；(2) 實測數(shù)據(jù)的最大值和模擬結(jié)果的最大值基本一致，實測數(shù)據(jù)的最大值為25 mm，模擬結(jié)果的最大值為29.8 mm，模擬結(jié)果略大于實測數(shù)值。分析原因，主要是由于在實際開挖之前，對基坑附近土體進(jìn)行了加固處理，而數(shù)值計算沒有考慮土體加固的影響；(3) 實測數(shù)據(jù)側(cè)向位移最大值位置與數(shù)值模擬側(cè)向位移最大值位置基本一致，模擬結(jié)果最大值位置比實測數(shù)據(jù)略靠下，分析原因主要是由于模擬計算過程中的理想化假設(shè)不能充分反映現(xiàn)場復(fù)雜場地和地址條件的影響。

5　結(jié)　論

本文結(jié)合大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)并利用有限元分析方法，對基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得出以下結(jié)論：

(1) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形呈現(xiàn)“兩端小中間大”的規(guī)律，且隨著開挖深度不斷加深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的最大值也不斷向下移動，底板和頂板的澆筑有效的控制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

(2) 數(shù)值模擬可以很好的反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖過程中的變形規(guī)律，在墻體的整體變形形態(tài)、最大值以及最大值位置都與實測數(shù)據(jù)具有較好的一致性，可以據(jù)此估計基坑開挖過程中的變形，為類似工程的設(shè)計與施工提供參考。

(3) 由于實測數(shù)據(jù)的限制，本文未能分析基坑施工過程中墻后土體豎向位移的變化特性，而墻后土體豎向位移也是基坑開挖過程中的重要指標(biāo)，這也是本文作者進(jìn)一步的工作。

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Foundation Pit Monitoring and Numerical Simulation of one Pedestrian Underpass in Shanghai

ZHOU Jin

(ShanghaiGeological&MineralEngineeringInvestigationCo.,Ltd,Shanghai200072,China)

Based on a large amount of experimental data, the rules was analyzed about the retaining structure deformation during excavation process. And a finite element model was developed to study the deformation of retaining structure. The rules of retaining structure deformation during excavation process and the influence on retaining structure deformation of bottom plate and top plate was studied by comparative analysis of monitoring lateral deformation and numerical simulation data. The result shows that the deformation of retaining structure is the trend of big middle and small ends. Along with the excavation depth increasing, the maximum lateral displacement of diaphragm wall were constantly moving downward, the retaining structure deformation was effectively controlled by bottom plate and top plate. The results have better agreement with the measured data, which means the numerical method can be effective in the prediction of retaining structure deformation, and thus provide a reference for the design and construction of similar projects.

foundation pit; retaining structure; lateral deformation; numerical simulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.040

2016-04-29

2016-05-21

周晉(1982—)，男，江蘇武進(jìn)人，工程師，主要從事基坑工程及物探工程方面的研究工作。 E-mail：264078412@qq.com

TU411

A

1672—1144(2016)04—0206—05