基底加固对地铁基坑变形风险控制分析

罗桂军,罗光财,郭 庶

(中建五局土木工程有限公司, 湖南 长沙 410004)

0 引 言

近些年随着城市轨道交通的迅速发展,地铁建设规模日益增大,地铁建设成本高,施工难度大,因此在施工过程中有效规避风险尤其重要。明挖地铁车站深基坑工程开挖深度深,土方开挖量大,施工中对基坑的稳定性以及周围环境的安全提出了更高的要求。特别是在一些地下水较丰富、土质较软的基坑工程中,土体的粘聚力和内摩擦角等力学指标较低,土体多呈软塑或半流塑状态,因此如果基坑设计不当或施工出现偏差均容易造成围护结构侧向位移过大、周围地面沉降及坑底隆起等现象,进而影响基坑的稳定及其邻近设施的安全和正常使用[1]。

在地下水较丰富的软体地区一些较复杂的基坑工程中,采用必要的围护结构和支撑措施已经不足以保证基坑开挖时的稳定性,因此对基坑被动区土体采取加固措施非常重要[2-3]。根据大量工程实践及理论分析,对基坑底部以及其他坑内被动区的土体进行加固能够有效改善土体的物理力学性质,从而减小围护结构的水平侧向位移、周边地表沉降及坑底隆起,进而提高基坑稳定性[4-5]。

在相关的已有研究中,陈兴年等[4]从基坑变形的产生和传播过程出发,考虑了加固和基坑变形的相互影响,将软体基坑分为被动和主动2种加固类型,并分析了这两类软土基坑加固的变形控制原理和设计思路;贾坚[6]归纳了基坑工程中土体加固技术的应用条件、工艺特点及加固形式;蒋建平[7]基于平面数值模拟方法对坑底加固体的刚度效应进行了探讨;秦爱芳等[8-9]以卸荷试验为基础,研究了软土地区基坑工程中坑底土体加固深度的问题。

在以上理论研究的基础上,本文将结合长沙地铁4号线月亮岛路站基坑工程施工实际情况,分析基底加固对基坑变形的影响以及变形控制措施的合理性。本文使用ABAQUS有限元软件根据月亮岛路站基坑建立三维模型,分析在基底加固对变形风险的影响,找到合理的控制措施,进一步得出基坑内坑底加固对基坑变形的影响规律,为相关工程设计施工提供依据。

1 计算模型

1.1 工程概况

本文研究选取长沙地铁4号线月亮岛路站地铁车站深基坑工程。月亮岛路站位于规划道路月亮岛路与规划道路银杉路十字路口南侧,与10号线采用通道换乘,4号线站位沿规划道路银杉路南北向敷设。车站有效站台中心里程为YDK15＋502.000,车站设计起点里程YDK15＋424.825,车站设计终点里程YDK15＋625.825,为地下两层明挖车站。车站外包全长201.00 m,标准段外包总宽22.7 m,车站施工时基坑深约16.3 m,两端盾构井段基坑深约17.85 m。车站深基坑围护结构采用钢筋混凝土地下连续墙,厚度为0.8 m,插入深度为27 m;基坑竖向设有共有三道水平支撑,支撑的中心位置分别是－2,－6,－11 m,基坑底部采用袖阀管旋喷注浆进行加固。车站两端均接盾构区间,设盾构始发井、吊出井。

月亮岛路站车站站位东侧距离湘江约800 m,地表水位主要受降水和地表径流补给,地下水分为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水(包括潜水和承压水),场地大部分钻孔均遇见地下水,潜水稳定水位埋深3.0～8.0 m。月亮岛路站地下水较丰富,基坑存在较大变形风险。

1.2 几何模型

本工程基坑采用明挖法围护施工,侧向隔水帷幕采用地下连续墙,坑底采用封底隔水帷幕。该工程具有基坑开挖规模大、地层结构复杂、施工难度大等特点。本工程利用有限元分析软件建立月亮岛西站三维模型,模拟不同加固措施下基坑变形情况。根据场地地层分布及水文地质条件,建立计算区域水文地质概念模型,按照基坑降水要求,对计算区域进行三维数值建模。

考虑到基坑开挖影响宽度约为开挖深度的3～4倍,影响深度约为开挖深度的2～4倍,故本文所研究的基坑影响宽度和深度均取3倍的开挖深度,根据对称性,取基坑1/4结构进行分析,故模型计算范围取为100 m×10 m×60 m。

1.3 施工过程模拟步骤

为了简化计算,施工过程模拟步骤为：

(1)对计算范围内的土体进行初始应力分析;(2)围护结构施工,坑底土体加固;

(3)第1步开挖,开挖深度为2 m,然后安置第1道支撑;

(4)第2步开挖,深度为4 m,然后安置第2道支撑;

(5)第3步开挖,挖深度为5 m,然后安置第3道支撑;

(6)第4步开挖,深度为5 m,开挖到坑底。

2 计算结果分析

2.1 基底加固对坑底隆起的影响

利用有限元软件构建三维模型如图1和图2所示,其中图1为基坑的坑底未加固时坑底隆起变形情况;图2为基坑的坑底加固后坑底隆起变形情况,其中加固体深度取h＝(25 m＋7 m)(表示从深度15 m开始,加固到深度25 m＋7 m处),加固体弹性模量取E＝150 MPa。

由图1和图2对比可以看出,在相同开挖条件下,基坑坑底加固可以明显抑制坑底土体的隆起,减小基坑的变形。

2.1.1 加固体刚度变化对坑底隆起的影响

为了进一步分析加固体刚度变化对坑底隆起的影响,在模拟中分别取加固体弹性模量E＝75 MPa、E＝150 MPa、E＝300 MPa以及未采取加固的形式进行对比分析,结果如图3所示。

图1 基底未加固坑底隆起变形云图

图2 基底加固后坑底隆起变形云图

图3 不同加固体刚度的坑底隆起曲线

从图3中可以看出,加固体刚度对坑底土体的隆起有较大的影响,当未加固时,最大坑底隆起值为12.24 cm,当加固体的弹性模量为150 MPa时,坑底土体隆起值为8.96 cm,减小了26.80%。结果表明：加固体的刚度对抑制坑底隆起的作用比较显著,能够明显减小坑底土体的隆起值。

当加固体弹性模量E＝75 MPa、E＝150 MPa、E＝300 MPa时,最大坑底隆起值分别为9.41,8.96,8.41 cm。而未加固时,最大坑底隆起值为12.24 cm,分别减小了23.12%、26.80%、31.29%。结果表明：最大坑底隆起值随加固体刚度的增大而减小,但加固体刚度达到一定值后,随着加固体刚度的增大对减小最大坑底隆起值变化幅度的效果不明显,即存在一个临界加固刚度;当加固体刚度过小时,容易造成坑底隆起值过大,影响基坑的稳定性;当加固体刚度过大时,又会造成一定的浪费,因此,对于抑制坑底的隆起,施工中需要选择合适的施工刚度。

2.1.2 加固体厚度变化对坑底隆起的影响

为了分析坑底土体加固厚度对坑底隆起的影响,模拟中取加固体的刚度为E＝150 MPa,而基坑坑底加固体取的厚度,分别取4,7 m和10 m,得到不同加固厚度下坑底隆起变化曲线如图4所示。

图4 不同加固体厚度的坑底隆起曲线

从图4中可以看出,加固体位置变化对坑底隆起有较大的影响,当加固体厚度为4 m时,坑底隆起值为9.82 cm;当加固体厚度为10 m时,坑底隆起值为7.58 cm;未加固时,最大坑底隆起值为12.24 cm,两者与未加固时相比,分别减小了19.77%、38.07%。结果表明：加固体的厚度对抑制坑底隆起的作用比较显著,坑底隆起值随加固体厚度增加而增加。综合考虑施工实际,在保证施工安全的前提下,考虑减小施工成本和工期,选择加固厚度7 m为合适方案。

2.2 注浆加固前后风险分析

根据以上模拟分析结果,选择弹性模量为E＝150 MPa,加固厚度为7 m的加固体,在坑底10 m位置进行水平止水加固,旨在分析采用以上加固措施后对风险的控制作用。

加固前后基坑外侧地表沉降如图5所示,从图5中可以看出,基坑周边的地表沉降随着基坑开挖逐渐增大,加固前的地表沉降量最大值超过35 mm,远大于加固后的地表沉降最大值,说明加固效果良好。

图5 加固前后地表沉降最大值曲线

加固前后地连墙水平侧向位移如图6所示,从图6中可以明显看出,加固后地连墙最大侧向位移明显减小,说明采取加固后有效地控制了基坑变形。

图6 加固前后地连墙水平侧向位移最大值曲线

加固前后坑外地下水位降深如图7所示,从图7中可以明显看出,加固前坑外地下水位降深最大值远远大于加固后,说明采取基底加固措施后很好地控制了地下水渗流风险。

图7 加固前后地下水位降深最大值曲线

3 基底变形风险控制

针对月亮岛路站基坑变形风险,在基坑开挖前对基坑采取了袖阀管注浆加固的措施,加固厚度7 m,平面范围除基坑周圈采用两排全孔双液浆进行封闭外,中间区域均采用双液浆(加固深度3 m)＋单液浆(加固深度4 m),注浆加固示意图如图8所示。

图8 月亮岛西站基底注浆加固

通过监测数据反映,主要风险位置为月亮岛西站南端头盾构井基坑及周边地表,因此本节主要分析相应位置的地下水位情况和地表沉降情况,并采取相应保护措施。为了更好地分析施工过程中地下水位变化情况,结合实际情况选取部分风险值较大点进行分析。月亮岛西站南段盾构井基坑周边地下水位监测点包括 W10～W16(实际监测过程 W14和W16被压无法布设监测点,以下分析降深较大的W10、W12以及 W15),地表沉降监测点选取D12－1、D13－1和D14－1(月亮岛路站监测点分布示意图见图9)。同样将施工分成5个阶段,将各个阶段风险点位水位以及地表沉降监测结果绘制成曲线,见图10和图11。

图9 月亮岛路站监测点位局部布置

图10 实测地下水位累计下降量变化曲线

图11 实测地表累计沉降量变化曲线

从图10可以得出,月亮岛西站的地下水位下降值超过了预警值,但始终没有达到控制值,模拟结果一致。从图11可以看出,月亮岛西站地表沉降最大值小于20 mm,最大沉降量均没有达到预警值。综合两个曲线可以得出,在实际施工过程中,由于采取了针对性的保护措施,车站有效地控制了地下水过高导致的风险,也说明模拟结果将风险从高度降至低度的预测符合施工实际,在施工过程中起到很好的指导作用。

4 结 论

(1)基底加固能明显减小坑底隆起,抑制效果随加固体刚度和加固体厚度的增加而增加,而在实际地铁深基坑中选择弹性模量为E＝150 MPa,加固厚度为7 m的加固体为最合理方案。

(2)采取基底加固后,基坑围护结构水平侧向位移、周边地表沉降以及坑外地下水位降深都得到有效控制,低于施工预警值,符合施工预期。

(3)通过对月亮岛路站实测数据分析,采取了基底加固后的基坑坑外水位降深和周边地表沉降量均控制在预警值以内,没有安全风险,说明了控制效果的合理性。