曹鵬程

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610072)

1 工程概況

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，公路與鐵路立交情況時(shí)有發(fā)生。城市施工場(chǎng)地緊張，尤其遇到深水基坑時(shí)，如何安全開(kāi)挖施工是眾多設(shè)計(jì)和施工人員必須面對(duì)的問(wèn)題。

哈佳鐵路學(xué)府路框構(gòu)橋及佳木斯特大橋基坑施工項(xiàng)目位于黑龍江省佳木斯市，工程擬建2座框構(gòu)中橋和哈佳鐵路佳木斯特大橋兩個(gè)橋墩，基坑面積為3 645.4 m2，周長(zhǎng)為294.139 m，基坑在框構(gòu)橋及封閉路塹處開(kāi)挖深度為11.89 m，基坑內(nèi)佳木斯特大橋橋墩基礎(chǔ)低于框構(gòu)橋及封閉路塹底面5.74 m，總開(kāi)挖深度為17.63 m，屬于特大深水基坑。該工程項(xiàng)目北側(cè)緊鄰鐵路施工便線，基坑與列車(chē)臨時(shí)過(guò)渡便線最小距離為11.3 m，易受列車(chē)振動(dòng)影響。

本文依托該工程項(xiàng)目研究公鐵立交深水基坑開(kāi)挖過(guò)程的土層及排樁側(cè)移、排樁沉降以及支撐應(yīng)力的變化情況，分析基坑開(kāi)挖過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性，為類(lèi)似工程提供借鑒。

2 深基坑施工設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算

本項(xiàng)目鐵路基礎(chǔ)與公路基礎(chǔ)埋深大、開(kāi)挖深度不一致，屬于特大型深水基坑，且鄰近鐵路干線，有列車(chē)振動(dòng)源。項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)采用首層設(shè)置混凝土排樁+混凝土冠梁+混凝土支撐組成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，第二層采用預(yù)應(yīng)力鋼管支撐結(jié)構(gòu)。為了確保施工安全，首先對(duì)本工程的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)初步設(shè)計(jì)的安全性進(jìn)行評(píng)估。

2.1 地層地質(zhì)參數(shù)確定

本項(xiàng)目地層采用Drucker-Prager彈塑性模型模擬[1]。地層的物理學(xué)參數(shù)通過(guò)地質(zhì)勘查書(shū)數(shù)據(jù)選定。其中，彈性模量通過(guò)地質(zhì)資料的壓縮模量換算得出，換算公式[2]為:

式中，Es為壓縮模量；E為彈性模量。

由于地質(zhì)勘查書(shū)中數(shù)據(jù)沒(méi)有提供土層的泊松比，通過(guò)土性分類(lèi)并參考《土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145-2007)的規(guī)定進(jìn)行選取[3]。土層的物理學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層物理學(xué)參數(shù)

2.2 列車(chē)引起的振動(dòng)激勵(lì)

考慮深基坑僅距下游車(chē)站400 m，基坑邊緣距進(jìn)站鐵路繁忙干線僅11.3 m，基坑施工受列車(chē)振動(dòng)影響較大，數(shù)值計(jì)算中需考慮列車(chē)振動(dòng)激勵(lì)。本項(xiàng)目鄰近車(chē)站，列車(chē)進(jìn)站時(shí)速大多降至45 km，列車(chē)數(shù)量多且有疊加效應(yīng)，而現(xiàn)有的列車(chē)激勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)程曲線都是按標(biāo)準(zhǔn)速度給出且不考慮多車(chē)疊加效應(yīng)。為準(zhǔn)確模擬本項(xiàng)目施工過(guò)程，首先對(duì)工程地點(diǎn)的列車(chē)振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行實(shí)測(cè)。在施工位置預(yù)設(shè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐試驗(yàn)件上安裝6個(gè)拾振器，分別測(cè)試各測(cè)點(diǎn)的豎向及垂直于列車(chē)運(yùn)行方向的振動(dòng)響應(yīng)。為了全面掌握列車(chē)振動(dòng)的影響，進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，共測(cè)試22趟列車(chē)，包含7趟客運(yùn)列車(chē)和15趟貨運(yùn)列車(chē)。測(cè)試得到的典型列車(chē)振動(dòng)時(shí)程曲線如圖1a所示。現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐的響應(yīng)表現(xiàn)為垂直速度小于水平速度，貨車(chē)比客車(chē)響應(yīng)大；經(jīng)過(guò)對(duì)列車(chē)振動(dòng)時(shí)程曲線進(jìn)行頻譜分析，振動(dòng)卓越頻率在10 Hz左右，振動(dòng)頻率主要范圍在8～40 Hz之間，如圖1b所示。

圖1 列車(chē)振動(dòng)時(shí)程曲線及頻譜分析

2.3 有限元數(shù)值建模

為了模擬基坑在開(kāi)挖時(shí)土層內(nèi)力變化，以及混凝土排樁、冠梁、混凝土支撐、鋼支撐和土層之間的共同作用，建立項(xiàng)目的三維整體有限元模型[4-6]。

有限元數(shù)值模型中，混凝土排樁、冠梁、混凝土支撐和鋼管支撐按標(biāo)準(zhǔn)彈性材料，采用beam188梁?jiǎn)卧M；地層采用三維實(shí)體單元solid45模擬分析。模型單元?jiǎng)澐?9 760個(gè)，地層土體單元44 080個(gè)，混凝土排樁單元4 112個(gè)，鋼筋混凝土支撐單元1 328個(gè)，鋼管支撐單元240個(gè)。深基坑邊界設(shè)置條件為:側(cè)向邊界受X軸和Z軸水平位移約束；基坑底部邊界受到Y(jié)軸方向豎向位移約束；地面為無(wú)約束邊界，不受方向限制。

基坑土層有限元模型以及支撐有限元模型如圖2所示。

圖2 深基坑有限元模型

模型的初擬建形態(tài)，首先對(duì)各層土在自身重力情況下進(jìn)行分析，再將位移歸零，并且設(shè)置混凝土排樁進(jìn)行穩(wěn)定分析[7]?？紤]每層開(kāi)挖設(shè)置支撐時(shí)，每個(gè)重要關(guān)節(jié)單元功能按照逐層設(shè)置支撐的步驟，逐個(gè)激活各層支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)各層支撐的模擬。每一層支撐在混凝土排樁變形以后施加，利用改變節(jié)點(diǎn)位置的數(shù)值增減來(lái)實(shí)現(xiàn)。降水造成的地下水位變化采用水壓力施加給混凝土排樁來(lái)分析，基坑各層開(kāi)挖采用土單元的重要關(guān)節(jié)功能來(lái)模擬。

2.4 模擬計(jì)算工況設(shè)計(jì)

合理的施工工序能夠保證基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、縮短工期和降低成本[8]。本項(xiàng)目擬定的施工工序如下:

(1)建立施工圍擋，破除既有道路及路面，按一定工序施作混凝土排樁、格構(gòu)柱；待灌注樁混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，施作旋噴止水帷幕；止水帷幕封閉后，布置疏干井；破除排樁樁頭，施工混凝土冠梁及擋土墻。

(2)基坑挖深至第1道混凝土支撐底面以下0.5 m標(biāo)高時(shí)，為第1工況；設(shè)置第1道混凝土支撐，為第2工況；施作樁間網(wǎng)噴混凝土，至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高。

(3)基坑挖深至第2道鋼管撐底面以下0.5 m標(biāo)高時(shí)，為第3工況；設(shè)置第2道鋼管撐，為第4工況；施作樁間網(wǎng)噴混凝土，至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高。

(4)基坑挖深至第3道鋼管撐底面以下0.5 m標(biāo)高時(shí)，為第5工況；設(shè)置第3道鋼管撐后挖至坑底，為第6工況；施作樁間網(wǎng)噴混凝土，至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2.4.1 土層變形計(jì)算結(jié)果

通過(guò)模擬計(jì)算基坑開(kāi)挖全過(guò)程，提取各工況下的土層側(cè)向變形。通過(guò)分析可知，第1工況下土層水平方向最大變形為3.361 mm；第2工況下土層水平方向最大變形為2.40 mm；第3工況下土層水平方向最大變形為4.736 mm；第4工況下土層水平方向最大變形為4.742 mm；第5工況下土層水平方向最大變形為6.973 mm；第6工況下土層的水平方向最大變形為6.986 mm。變化較為明顯，基坑土方逐層開(kāi)挖對(duì)地面沉降變形影響比較大。圖3為第3工況和第5工況情況下土層側(cè)向變形云圖。

圖3 施工過(guò)程土層側(cè)向變形云圖

2.4.2 排樁和支撐應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

不同工況下，混凝土排樁和內(nèi)支撐軸向應(yīng)力變化通過(guò)分析計(jì)算，第1工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應(yīng)力最大值為0.102 MPa；第2工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應(yīng)力最大值為0.597 MPa；第3工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應(yīng)力最大值為0.637 MPa；第4工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應(yīng)力最大值為5.07 MPa；第5工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應(yīng)力最大值為5.6 MPa；第6工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應(yīng)力最大值為5.6 MPa。均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

3 開(kāi)挖過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

本基坑屬于特大型深水基坑，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。在施工中對(duì)其開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形和受力情況進(jìn)行調(diào)整，確保施工安全；并且通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)有限元計(jì)算和設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)，為以后同類(lèi)型工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)工程特點(diǎn)，主要進(jìn)行混凝土排樁及立柱樁沉降監(jiān)測(cè)[9]、混凝土排樁頂部水平位移監(jiān)測(cè)、混凝土支撐及鋼支撐應(yīng)力以及地下水位監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，其中G0～G14表示混凝土排樁沉降監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)；D1～D9表示立柱樁沉降監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)；B0～B13表示混凝土排樁頂部水平位移監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)；F1～F5表示混凝土支撐軸向應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)；Y1～Y5表示鋼支撐表面應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)；C1～C5表示地下水位監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

(1)混凝土排樁和立柱樁沉降量

通過(guò)在混凝土排樁頂部冠梁對(duì)應(yīng)位置和立柱樁頂部對(duì)應(yīng)位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中排樁和立柱樁的沉降量，經(jīng)過(guò)分析剔除異常數(shù)據(jù)后得到所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 樁的沉降量變化曲線

從圖5可以看出，整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程沉降穩(wěn)定，未出現(xiàn)日變化量或累計(jì)變化量超限的情況。整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程沉降變化較為穩(wěn)定，混凝土排樁和立柱樁沉降量都處在可控范圍內(nèi)。

(2)混凝土排樁水平側(cè)移

通過(guò)在混凝土排樁頂部冠梁設(shè)置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中排樁水平側(cè)移，經(jīng)過(guò)分析剔除異常數(shù)據(jù)后得到所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[10]，如圖6所示。整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程側(cè)移穩(wěn)定，未出現(xiàn)日變化量或累計(jì)變化量超限的情況，混凝土排樁水平位移變化量都處在可控范圍內(nèi)[11]，且與有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近。

圖6 排樁水平側(cè)移變化曲線

(3)支撐應(yīng)力

施工過(guò)程中對(duì)混凝土支撐和鋼支撐進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 支撐應(yīng)力變化曲線

施工初期混凝土支撐軸力變化起伏不大，支撐結(jié)構(gòu)整體較為穩(wěn)定。4月20日以后為配合深基坑坑底作業(yè)，基坑整體快速降水，基坑原有穩(wěn)定性暫時(shí)性改變，軸力出現(xiàn)較大波動(dòng)，通過(guò)與其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比綜合分析，認(rèn)為基坑整體穩(wěn)定性處于可控范圍，且與有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)一致。

在鋼板樁內(nèi)側(cè)斜撐設(shè)置表面應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)開(kāi)挖過(guò)程中整個(gè)鋼板樁結(jié)構(gòu)受力情況[12]。由圖7可知，只有鋼斜撐受力變化較為明顯，4月26日以后基本穩(wěn)定，處于可控范圍內(nèi)，且與有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)一致。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)基坑支護(hù)系統(tǒng)建立三維有限元模型經(jīng)計(jì)算分析，混凝土排樁及立柱樁變形、混凝土支撐和鋼管撐應(yīng)力都小于容許值，基坑設(shè)計(jì)合理。

(2)基坑各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，作用在每一層混凝土支撐和鋼管撐上的軸向力并不是隨著開(kāi)挖深度的增加而逐漸增大，而隨著不同工況的推進(jìn)呈波動(dòng)變化特征，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析一致。數(shù)值分析和監(jiān)測(cè)過(guò)程精準(zhǔn)地掌握了基坑在各種工況下的應(yīng)力和位移，確保了在基坑安全穩(wěn)定的情況下施工。

(3)理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本相同，表明數(shù)值分析時(shí)建立的模型合理，參數(shù)選取可靠。