兰州红砂岩地层地铁站深基坑变形规律分析

朱彦鹏, 李 庚, 马孝瑞, 魏鹏云, 刘 鑫, 尹利洁

(1. 兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2. 兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心, 甘肃 兰州 730050; 3. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司, 北京 100101; 4. 城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室, 北京 100101)

随着国民经济的快速发展,城市交通容量与机动车数量之间的矛盾越来越突出,中国许多大中型城市不得不修建地铁以缓解这一问题[1].

深基坑工程因其地质条件复杂、施工困难、设计计算理论尚不完善等诸多问题,在施工过程中往往会出现工程质量难以保证、工程进度难以把握、工程风险难以控制等情况,因此,各地基坑事故经常发生,严重时会使基坑失稳或坍塌,造成巨大经济损失，甚至出现人员伤亡.

针对基坑降水开挖对周边环境影响这一问题,国内外学者已经做了很多研究,主要采用现场监测[2-4]与数值模拟[5-8]的方法对基坑自身以及周边环境进行探究.兰州东方红广场地铁车站位于高水位红砂岩地层,周边环境复杂,目前相关监测成果较少[9].结合该工程,对基坑降水开挖过程中桩体水平位移以及周边地表沉降监测结果进行分析,同时利用有限差分软件FLAC3D对基坑施工各工况进行模拟,并与监测结果进行对比,探讨高水位红砂岩地层中基坑降水开挖引起的变形规律,以期为类似深基坑工程的围护结构优化设计与施工提供一定参考.

1 工程概况

表1 地层参数

该地区含水丰富,所揭露的地下水为第四系松散层孔隙潜水.地下水位埋深为3.10～5.20 m,主要赋存于卵石层中,属潜水类型.卵石层透性好,是区间的主要含水层,红砂岩富水性较弱,且顶部存在局部裂隙水.潜水补给主要来自大气降水入渗、山前补给及侧向径流补给,地下水位年内变幅在1.0～2.0 m.

2 支护与降水设计

2.1 支护结构设计

车站围护结构采用单排钻孔咬合灌注桩,即直径1 000 mm、间距1 600 mm的C35钢筋混凝土灌注桩与直径1 000 mm、间距1 600 mm的C15素混凝土桩相互咬合而成,咬合深度为0.2 m,如图1所示.

图1 钻孔咬合桩平面布置(mm)

钢筋混凝土灌注桩长为22 m,嵌固深度为5 m；素混凝土桩长度自地面以下6 m至基坑底以下2 m作为止水帷幕,桩长为13 m；排桩顶设置冠梁,共设三道支撑,第一道内支撑采用1 000 mm×800 mm的钢筋混凝土支撑,支撑间距为10 m,支撑位置在距地面-1 m处,第二、三道支撑采用直径Ф609、厚度t=16 mm的钢支撑,支撑间距为3 m,支撑位置分别在距地面-7、-13 m处,支护结构参数见表2,支护结构剖面图见图2.

图2 基坑支护剖面(mm)

表2 支护体系物理力学参数

2.2 降水方案的选取

本工程止水的重点是红砂岩.目前关于红砂岩渗透特性的研究较少,张振华等[10]曾对周期性渗透压作用下红砂岩渗透特性进行了试验研究.认为红砂岩不具有渗透性,且不同地区红砂岩矿物成分和胶质结构的差异较大,这对红砂岩地层基坑的降水带来困扰.

结合本工程实例,针对工程所在地红砂岩的特殊性,进行了现场原位试验与室内试验研究,分析其渗透特性,试验结果表明,现场红砂岩的透水等级为中等透水,但渗透系数相对较低,并且具有强风化、弱胶结特性.

结合试验结果,降水方案采取坑外降水与坑内降水相结合的方法.

坑外距离咬合桩外3.0 m设置降水井,将坑外水位降至砂岩层以下1 m,以减小咬合桩侧向水头压力,可有效避免坑外的砂岩流入坑内,引起地面沉降,同时保证止水效果.

基坑内采用集水明排系统,疏干卵石层中水流；在砂岩层,为防止裂隙水降深不彻底而造成开挖面软化、泥泞等,采用真空泵在坑内小厚度小范围降水.

降水井深度按穿透卵石层进入砂岩层3 m考虑,钻孔直径600 mm,降水井管径300 mm,布设65眼降水井,均间距约为22～24 m.

3 监测方案

该工程监测项目包括地表沉降、围护结构变形、支撑轴力、周边建筑物沉降、地下水位等,本文主要对围护结构变形与地表沉降进行分析.

围护结构变形选用江苏海岩生产的CX3型智能测斜仪进行监测,沿基坑长边每40 m布设一个测斜孔,在基坑短边中点各布设一个测斜孔,地表沉降采用电子水准仪进行监测,沿基坑周边每20 m布设一个监测点,基坑开挖初期每2 d观测一次,待主体结构完成后每周观测一次,经数据分析确认达到基本稳定后每月一次.基坑监测点布置图如图3所示.

图3 监测点布置

车站位于兰州市繁华区域,周边建筑物密集,道路车流量较大,并有大型的城市广场,另外地下管线较多,一旦支护结构破坏或出现过大变形,对周边环境的影响非常严重.因此,该基坑侧壁安全等级定为一级.其监测预警值见表3.

表3 监测预警值

4 监测结果分析

4.1 桩体水平位移

桩体水平位移如图4所示.

图4 水平位移曲线

从图中可看出两监测点有着共同的变化趋势,在基坑开挖初期(基坑开挖至3 m),桩体位移呈线性变化,由于还没有架设支撑,最大位移出现在桩顶,但由于此时开挖深度较浅,桩顶水平位移相对较小,大约为3～5 mm;基坑架设第一道混凝土支撑并开挖至8 m处时,可以看出支撑的架设对桩体变形起到了约束作用,桩顶变形速率逐渐减小,且最大水平位移所在位置逐渐向下移动,位移曲线变为“弓”字形,此时测斜点CX03最大水平位移所在位置下降到桩深约4 m处,位移为6.7 mm,测斜点CX04最大水平位移所在位置下降到桩深约5 m处,位移为7.5 mm,最大位移发生位置大约在开挖深度(开挖至8 m)的1/3～2/3处;当基坑开挖至14 m后,随着开挖深度的增加,桩体最大位移发生位置逐渐下降到开挖面以上1～2 m处,该现象一直延续到基坑开挖完成,最终测斜点CX03最大位移发生位置下降到桩深约15.5 m处,位移为22.7 mm,测斜点CX04最大位移发生位置下降到桩深约16 m处,位移为27.8 mm.

发生上述现象的原因是：当基坑开挖到14 m后,已经开挖到红砂岩地层,由于红砂岩受到了扰动,其强度大大降低,同时由于红砂岩中含有大量的膨胀性矿物和可溶性矿物,亲水性较强、比表面积大,并且具有叠层状矿物结构,层间联结不够牢固,因此水的极性分子极易在层间渗入和渗出,导致该粘土矿物的膨胀和收缩.此外地下水可将红砂岩内可溶性的矿物逐渐溶解转移,使岩体内部的微裂隙不断扩展,或者产生新的微裂隙,从而使红砂岩崩解成细砂状,随着时间的推移以及开挖深度的增加,大大削弱了嵌固端的约束效果,导致桩体最大位移位置逐渐靠近坑底,大约在坑底以上1～2 m,点CX03与点CX04最大水平位移分别为22.7 mm、27.8 mm,均未超过控制标准(30 mm),表明设计方案合理,对类似深基坑工程围护结构优化设计与施工具有一定的参考价值.

4.2 地表沉降

图5a和图5b分别为点CX04和CX05所在剖面地表沉降在不同时间随距离的变化曲线.

图5 地表沉降随距离变化曲线

从图5a可看出,当基坑开挖深度较浅时,地表沉降量较小且沉降曲线比较平缓,随着开挖深度的增加,地表沉降量逐渐增大,地表沉降曲线随着距坑边距离的增加,沉降量先逐渐增大,后逐渐减小,呈凹槽形,最大沉降量为26.7 mm.比较CX03、CX04、CX07与CX08剖面的地表沉降曲线,如图6所示的各曲线变化规律基本一致,地表沉降最大值出现在距坑边5～7 m处,大约0.29～0.41倍的基坑开挖深度,距离坑边较近,原因是红砂岩本身强度较高,但经开挖扰动后,其强度大大降低,但距离基坑边稍远的土体基本不受影响,强度仍然较高,同时由于降水过程中会形成漏斗曲线,距离基坑较近的区域,渗流力较大,红砂岩更容易被地下水侵蚀,导致坑周红砂岩强度大大降低.

图6 各点地表沉降曲线对比

从图5b可知,基坑开挖完成后,CX05剖面地表沉降曲线呈现“三角形”分布,最大沉降出现在坑边,随着距坑边距离的增加沉降量逐渐减小.最大沉降值达到了33 mm,超过控制值.当基坑开挖深度不超过8 m时,各监测点沉降值并不大,且变化趋势与CX04剖面基本一致,当开挖至14 m时,地表沉降值开始出现异常,最大沉降值由6.1 mm增大到18.3 mm,增加了12.2 mm,原因是钻孔咬合桩咬合效果不佳,没有很好的起到止水作用,桩后红砂岩在地下水作用下,迅速软化、崩解,随同地下水从桩间流出,从而造成坑边沉降过大,如图7所示.

图7 桩间流水、流砂现象

从图8可知,基坑开挖初期各点地表沉降量较小且变化曲线平缓,随着基坑开挖深度的增加,各点的沉降速率逐渐加快,累积沉降量逐渐增大,随着支撑的架设,各沉降曲线逐渐趋于平缓,最终沉降量趋于稳定.其中点DB9沉降值最大,为22.3 mm,原因是点DB9附近为钢筋加工区,堆放了大量钢筋,附加荷载导致该监测点沉降量大于其它点,但最终各沉降量均小于预警值,进一步表明设计方案合理.

图8 地表沉降随时间变化曲线

5 有限元模拟分析

5.1 模型简介

为对比监测结果,采用有限差分软件FLAC3D对基坑降水开挖过程进行模拟,模型尺寸取200 m×100 m×50 m,土体采用Mohr-Coulomb本构模型, 咬合桩简化成厚度为800 mm的地下连续墙,采用弹性模型并设置为不透水边界,模型力学边界条件：上表面为自由面,侧面与底面采用滑动铰支座限制其法向位移；流体边界条件：模型侧面与底面设置为不透水边界,通过控制坑内外孔压来达到降水效果,模型如图9所示.

图9 有限元模型

5.2 数值模拟分析

由于本文降水方案较为复杂,便于计算,将模拟工况简化为表4所示的4个工况.

表4 基坑开挖工况

限于篇幅原因,仅取基坑降水开挖完成后的模型进行对比分析,地表沉降云图、桩体水平位移云图以及孔隙水压力分布图如图10～12所示.

图10 地面沉降云图(m)

从图10可知,地表沉降最大值出现在距离基坑边一定距离处,最大值约为25 mm,坑底隆起较大,最大值约为5 cm,这是由于Mohr-Coulomb本构模型自身原因以及开挖卸载共同作用引起的；从图11可得,桩体水平位移变化规律为中间大,两头小,最大值约为28 mm,均符合基坑变形的实际规律；从图12可知,基坑开挖完成后坑内外水位与实际情况比较符合,以基坑开挖部位为中心,形成降水漏斗曲线.以上分析表明模型建立及参数选取合理.

图11 桩体水平位移云图(m)

图12 孔压分布云图(Pa)

5.3 模拟结果与监测结果对比分析

将第四工况坑边地表沉降与桩体水平位移提取出来,与CX04剖面实测值进行对比,如图13～14所示.

图13 地表沉降对比

从图13可知,地表沉降模拟值与监测值变化趋势基本一致,基坑开挖完成后,周边地表沉降曲线均呈现“凹槽形”分布,最大沉降值离坑边有一定的距离.地表最大沉降模拟值与监测值分别为22.7、27 mm,分别发生在距离坑边约5、7 m处.数值模拟结果与监测结果有一定的偏差,模拟结果始终小于实测值,最大差值接近10 mm,主要因为模拟过程中没有考虑实际工程的地面超载以及时空效应等因素的影响.

从图14可得出：1) 桩体水平位移模拟值与监测值变化趋势基本一致,均呈“弓”字形分布.最大水平位移模拟值为26.8 mm,发生在桩深约12 m处,而最大水平位移监测值为27.8 mm,发生在桩深约16 m处,最大位移相差较小.计算结果能够体现深基坑变形的一般规律,对于类似深基坑工程桩撑支护结构优化设计与施工均具有一定的指导意义.2) 桩体在距地面小于12 m部分,其水平位移模拟值与实测值非常接近,在距地面大于12 m部分,实测值明显大于模拟值,且随着深度的增加,两者的差值逐渐增大,距地面16 m时,两者差值达到最大,约20 mm,随后差值逐渐减小.这是因为当基坑开挖到红砂岩地层时,红砂岩受到了扰动,使其强度大大降低,同时受到地下水侵蚀的影响,大大削弱了嵌固端的约束效果,而模拟过程中无法考虑到这些因素,因此造成图中所示情况.

图14 桩体水平位移对比

6 红砂岩层桩间水土流失防治措施

6.1 钻孔咬合桩施工关键问题处理

为避免出现桩间水土流失现象,钻孔咬合桩施工质量必然要得到保证：1) 在有倾斜度软硬土层交界面钻进时,应该吊住钻杆,并低速钻进；2) 施工场地要平整,钻架就位后,要使得钻盘与底座水平,并要在施工过程中注意经常检查和校正；3) 在钻孔倾斜处回填砂土,等待沉积密实后再钻.

6.2 红砂岩层涌水涌砂治理措施

结合特殊红砂岩地层、地下水位、支护结构的类型等具体情况,首先采用了高压速凝浆液止水化学方法,在咬合桩涌水涌砂处注入浆液,但是将浆液注入红砂岩地层后发现浆液与红砂岩颗粒没有胶结成防水性能良好的一个整体,于是采用“堵”“疏”结合法,在桩底位置竖立槽型钢板,然后往槽型钢板内部注入速凝浆液,并在咬合桩内部埋设导管,将地下水从侧面排出,这种化学与物理相结合的方法使得涌水涌砂现象得到了有效控制.

7 结论

以兰州东方红广场地铁车站为背景,对桩体水平位移以及坑外地表沉降监测数据进行分析,同时采用有限差分软件FLAC3D对基坑降水开挖各工况进行模拟,并与监测结果进行对比,得出以下结论：

1) 桩体位移与地表沉降不仅与基坑开挖深度、时间以及支撑的架设有关,还与土体自身性质密切相关,该地区桩体水平位移峰值靠近基坑底部,大约在坑底以上1～2 m,地表最大沉降值出现在距离基坑边5～7 m处,大约为0.29～0.41倍的基坑开挖深度.

2) 由于红砂岩遇水崩解的特性以及渗流力的作用,当基坑开挖到红砂岩地层时,容易出现水土从桩间流出的现象,文中给出了红砂岩层桩间水土流失防治措施,对类似深基坑工程施工具有一定指导作用.

3) 根据监测结果可知,钻孔咬合桩加内支撑结构支护效果较好,表明设计方案合理,可为类似深基坑工程的桩撑支护结构优化设计提供参考.

4) 将模拟结果与实测结果进行对比,得出两者变化趋势基本一致,表明模型的建立是合理的,由于模拟过程中没有考虑到红砂岩的特性以及时空效应等因素的影响,导致数值上仍存在一定的差异.