基于MIDAS深基坑开挖对近距离高架桥的安全影响研究

第30卷第1期 湖南文理学院学报(自然科学版) Vol. 30 No. 1 2018年3月 Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology) Mar. 2018 doi: 10.3969/j.issn.1672–6146.2018.01.022

基于MIDAS深基坑开挖对近距离高架桥的安全影响研究

李明1, 潘岸柳1, 唐治1, 杨晓晖2

(1. 中建五局土木工程有限公司, 湖南 长沙, 410000; 2. 湘潭大学 土木工程与力学学院, 湖南 湘潭, 411105)

摘要: 以长沙市地铁5号线三一大道车站深基坑工程为对象, 利用MIDAS/GTS/NX软件模拟基坑开挖对近接构筑物影响, 重点研究高架桥桥墩沉降和桩基变形随深基坑地下水位改变, 不同施工过程及支护形式等多因素的变化规律。通过与现场监测数据对比分析表明: 在富水复杂地质和周边环境下, 长沙地铁深基坑施工所采用的围护结构安全合理; 旋喷桩, 地下连续墙和支撑组合能有效控制基坑施工过程中引起的近距离高架桥变形。同时验证了MIDAS/GTS/NX能很好地模拟基坑开挖, 指导实际工程。 关键词: 地铁车站; 深基坑; 数值模拟; 地下水; 高架桥; 围护结构 中图分类号: TU 473 文献标志码: A 文章编号: 1672–6146(2018)01–00–06

Safety impact of deep foundation pit excavation for close distance viaduct using

MIDAS

Li Ming1, Pang Anliu1, Tang Ye1, Yang Xiaohui2

(1. CCFEB Civil Engineering Co Ltd, Changsha 410000, China; 2. College of Civil Engineering and Mechanics,

Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

Abstract: As an example of deep foundation pit project of Sanyi Avenue station of Changsha Metro Line 5, excavation on adjacent structures of foundation pit is simulated using MIDAS/GTS/NX software, and it is studied that viaduct pier settlement and deformation of pile foundation is changed with the variation of groundwater level of deep foundation pit, also the change rule of different factors in construction process and support form. Through the analysis and comparison, the field monitoring data show that in the water rich in complex geological and surrounding environment, retaining structure of deep foundation pit construction safety Changsha subway is reasonable; jet grouting pile, underground continuous wall and supporting the combination can lead to effective control during the construction of foundation pit. It is confirmed that MIDAS/GTS/NX can well simulate the excavation of the foundation pit and guide the practical engineering.

Key words: subway station; deep foundation pit; numerical simulation; groundwater; viaduct; retaining structure

目前, 监控量测技术在地铁基坑中广泛应用, 通过监测指导施工, 通过监测反馈设计, 又通过监测为基坑工程的理论研究提供数据, 加速了基坑工程的网络化、信息化, 将基坑工程的设计原则逐步从强度破坏极限状态推向变形极限状态, 使设计更加安全合理[1]。计算机技术的迅猛发展又为利用有限元法研究基坑开挖的相关问题提供了强有力的技术支持。李磊、段宝福[2]利用ABAQUS数值模拟软件和现场监测数据, 重点研究了深基坑施工过程中围护结构的水平变形随开挖深度和时间的变化规律。杨庆年等[3]运用FLAC3D软件对邻近高架桥的车站深基坑的开挖和支护进行数值模拟, 得到不同开挖阶段及地 通信作者: 李明, yangxiaohui0710@163.com。收稿日期: 2017–12–11 基金项目: 湖南省教育厅青年基金(16B255)。

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下连续墙不同埋深情况下, 围护结构及高架桥桩的变形特性。郭树祥等[4]利用GTS有限元分析软件对基坑开挖过程进行模拟, 分析基坑在开挖过程中应力及位移的变化规律。王文廷[5]利用MIDAS/GTS有限元软件对软土地区深基坑开挖进行各工况的数值模拟, 对比实际监测和三维模拟分析的地下连续墙深层水平位移, 验证三维数值模拟分析地下连续墙的可行性与可靠性。于洋等[6]针对太原漫滩地质下基坑工程中所存在的地下水位高, 开挖面积大, 变形控制等级高等问题, 通过对车站基坑开挖全过程进行三维数值模拟仿真, 并对基坑边角部位和中间部位变形进行对比分析, 揭示太原漫滩地区深基坑变形的基本规律。

本文结合长沙地铁5号线三一大道地铁车站工程, 用MIDAS/GTS/NX模拟基坑在地下水位发生改变时, 研究不同施工过程和支护形式下近距离高架桥桥墩台的沉降和桩基的变形规律, 以明确基坑施工对近距离高架桥的安全影响, 指导工程安全进行。

1 工程概况

1.1 基坑

车站基坑位于万家丽北路与三一大道站交叉口的东南角, 沿万家丽路南北向敷设, 为地下2层明挖车站。基坑全长210.237 m, 标准段基坑宽20.7～22.19 m, 基坑深17.30～17.72 m。南、北盾构井基坑宽度分别为25.6 m和24.8 m, 盾构井段深度约17.79 m。车站有效站台中心里程为DK35 + 686.000, 顶板覆土约3.4 m。基坑基底中段位于卵石层中, 其他部位基底位于强风化泥质粉砂岩、全风化泥质粉砂岩、全风化砾岩中, 且围护结构均已深入不透水层。站位西侧为万家丽快速路高架桥。高架桥桥桩距车站主体结构外轮廓最近约7.49 m。

1.2 工程地质及水文地质

三一大道站场地原始地貌单元主要为湘江水系浏阳河的Ⅱ～Ⅲ级侵蚀堆积阶地[7]。地层从上至下依次为素填土、粉质黏土、圆砾(部分)、卵石、全风化砾岩, 车站底板位于全风化砾岩。具体土层在工程中的大致分布如表1所示。

场地地下水按赋存方式主要分为第四系上层滞水、松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。场地主要为第四系松散岩类孔隙水, 具承压性, 粉质黏土为隔水层, 局部因开挖堆填而缺失。第四系承压水初见水位埋深为2.4～3.5 m, 水位标高为34.36～33.49 m, 稳定水位埋深为2.3～12.0 m, 水位标高为25.58～35.84 m; 基岩裂隙水稳定水位埋深为6.0～9.0 m, 水位标高为28.16～31.76 m。

表1 工程中岩土层及其标高 岩土层描述

第四系全新统 第四系上更新统

素填土 杂填土 粉质黏土 淤泥质粉质黏土

粉土 粗砂 圆砾 卵石

残积土层基岩

含砾残积粉质黏土全风化泥质粉砂岩强风化泥质粉砂岩中风化泥质粉砂岩

全风化砾岩 强风化砾岩

层底标高/m 23.38～31.63 5.07～28.34 13.68～23.37 15.53～22.19 0.67～24.47 6.58～24.72 8.～22.63 −9.80～22.15 −7.16～23.41 −10.17～20.75 −27.07～22.23 −22.02～20.93

平均厚度/m6.28 4.25 4.28 2.95 5.45 4.21 2.40 9.90 6.86 4.63 14.35 7.39

30.84 4.50

18.05 3.10

1.3 围护结构及施工概况

三一大道站主体围护结构地下连续墙为

7.18 中风化砾岩 −28.68～16.95

800 mm厚工字钢接口形式, 共87幅, 导墙、

冠梁482 m, 冠梁断面尺寸为900 mm × 1 100 mm, 砼米字撑32道, 断面尺寸为700 mm × 900 mm, 格构柱21根。设置3道临时支撑, 局部4道: 第1道支撑为700 mm × 900 mm的砼支撑, 水平间距约9 m; 第2、3(4)道支撑为直径φ609 mm, 壁厚16 mm的双拼钢管支撑, 水平间距约为4.5 m, 施加预应力400 kN, 并根据主体侧墙、结构柱网布置等适当调整。

车站基坑开挖采用明挖法施工, 基坑总体开挖原则是由南向北依次开挖, 最后施作北端盾构井。总体安排“一个工作面流水作业”, 分层、分段、对称、平衡、限时开挖, 先撑后挖。基坑开挖出一段后, 立

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即进行接地及垫层、防水施工[8]。开挖总体分段如图1所示。

第一段 第二段 第三段 第四段第五段第六段第七段第八段 22 503 20 935 18 444 19 98215 71718 223175 21 265

图1 开挖总体分段(单位: mm)

第九段 第十段 第十一段20 945

18 457 16 157

2 数值模拟

2.1 模型参数

原地面33.58 m 素填土 本文选取基坑[9]标准段与

粉质黏土高架桥桩最近的一段进行

淤泥质粉质黏土MIDAS/GTS/NX数值模拟。圆砾 该施工段为施工计划中的第预埋袖阀管 单排旋喷桩 土岩分界线长29.83 m 长29.83 m 九段, 长约20 m, 基坑开挖深19.05 m 度17.77 m, 宽20.7 m, 涉及

6.53 m到的土层从上到下依次为素

桩长39.9 m 填土、粉质黏土、淤泥质粉质桩径1.5 m 基底标高15.996 m 黏土、圆砾和全风化粉质砂800 mm地连墙 岩。围护结构采用地下连续墙

和内撑的形式, 在基坑与高架全风化砾岩 C35素砼 桥之间用旋喷桩进行加固, 具进入不透水层1.5 m C35素砼 进入不透水层1.5 m体如图2所示。 5.074 地连墙底标高

3.67 m 3.807 m地连墙底标高

围护结构、桥桩基及承台桩底标高 以及各土层的模拟参数分别桩底标高−9.4 m 如表2、表3和表4所示。 图2 基坑与高架桥桥桩位置

表2 围护结构模拟参数 表3 桥桩基及承台参数

弹性模泊松γ 直径厚度弹性结构 −3泊松 3/mm/mm /(kN·m) 量/GPa比µ结构 γ/(kN/m) 模量

比µ

/GPa 60916 78 2000.30钢支撑

26 31.5 0.22 桩基础 钢筋混凝土支撑 900×1100 25.5 300.19

25 32.5 0.22 承台 0.8 - 22 0.0650.32旋喷桩

表4 土层模拟参数

土层 素填土 粉质黏土 淤泥质粉质黏土

圆砾 全分化粉质砂岩

厚度(m)

弹性模黏聚力内摩擦渗透系数静止侧压力

泊松比µ孔隙比

/(kN·m) 量(GPa)(kPa)角/(°)(m/d) 系数(K0)

γ

−3

3.48 19.5 2.18 19.7

4 0.4 7 11 0.728 0.3 40 15 0.72

0.1 0.02 0.085 18 0.3

0.5 0.4 0.55 0.3 0.33

1.02 18.8 4.5 0.35 13 10 0.956.58 19.8 57.86 20.8

75 0.2 2 38 0.7577 0.25 45 16 0.53

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2.2 模型的建立

土体选用摩尔-库伦本构模型, 围护结构采用弹塑性模型, 外侧水位高−4 m, 每开挖一步, 地下水位降低到基坑开挖面下1 m。取1个基坑开挖断面, 纵向20 m, 开挖宽度20.7 m。考虑到基坑开挖对周围影响, 取基坑开挖深度的3倍范围建立模型。模型尺寸为130 m × 72 m × 20 m。建立的模型如图3所示。由于数值模拟计算的步骤较多, 仅选取计算过程中4个典型的开挖步进行模拟: 第1步开挖至−2.2 m, 在−1.7 m处设置第1道钢筋混凝土支撑; 第2步开挖至−8 m, 在−7.5 m处设置第2道钢支撑, 并预加轴力400 kN; 第3步开挖至−13 m, 在−12.5 m处设置第3道钢支撑, 并预加轴力400 kN; 第4步开挖至−17.44 m。

2.3 数值模拟结果与分析

图3 基坑和高架桥的数值模型

40首先考虑因开挖引起的地下水位变化而导致地面沉降。

无渗流30图4为在有渗流和无渗流情况下, 距离基坑不同水平距离的

有渗流地面沉降值。从图4可知, 考虑渗流与不考虑渗流的地表沉20

[10]

降差别很大。无渗流时地面沉降小于40 mm, 而考虑渗流10时地面沉降接近50 mm。因此, 在实际工程和数值模拟中, 一0定要注意水的渗流影响。 −10

其次再分析在不同的开挖阶段, 桥桩不同埋深处所发生−20的侧移。近基坑侧桥桩及远基坑侧桥桩侧移量分别如图5及010203040图6所示。从图5、6可知, 近基坑侧桥桩侧移量略大于远基坑外距基坑距离/m

图4 有无渗流时地表沉降坑侧桥桩的侧移量。因此, 在基坑施工前, 对近基坑侧及远基

坑侧桥桩应采取有所区别的加固措施。

16 第1阶段开挖 第1阶段开挖 20

第2阶段开挖 第2阶段开挖 12第3阶段开挖 第3阶段开挖 15

第4阶段开挖 第4阶段开挖 810

45

00 −50−40−30−20−100−50−40−30−20−100埋深/m 埋深/m

图5 近基坑桥桩埋深与侧移量的关系图6 远基坑桥桩埋深与侧移量的关系

侧移量/mm 侧移量/mm 沉降值/mm 为了明确基坑在支护的前提下, 是否还需要对桥桩基进行加固, 对有无旋喷桩支护进行了数值模拟。有无支护时的地表沉降如图7所示。从图7可知, 当无旋喷桩支护时, 地表沉降可达28 mm, 而有旋喷桩支护时, 地表沉降[11]最大仅接近5 mm。由此可见, 旋喷桩的支护对于高架桥的安全有着重要作用。

最后, 为探究不同的开挖阶段对基坑周边地表沉降影响, 从模拟的云图中按等值线方法选出位于基坑与桥桩间的地表沉降值, 结果如图8、9所示。图9为位于桥桩外侧

0

地表沉降值/mm −5−10−15−20−25−30

0有旋喷桩支护 无旋喷桩支护 2468距基坑水平距离/m

图7 有无旋喷桩支护下的地表沉降

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的地表沉降, 由图9可知: 第4阶段开挖所引起的地表沉降量最大; 4种开挖阶段中, 地表沉降均呈现出近基坑段沉降大, 远基坑段沉降小的规律。

0 0

−5 第1阶段开挖 −1

−10 第2阶段开挖 −2−15 第1阶段开挖 −3−20 第2阶段开挖 第3阶段开挖第3阶段开挖 −4 −25 第4阶段开挖 第4阶段开挖 −30 −5

81216202401234567 距基坑边缘水平距离/m 距基坑边缘水平距离/m

8 桥桩与基坑间, 距基坑不同水平距离的地表沉降图9 桥桩外侧, 距基坑不同水平距离的地表沉降 图

地表沉降值/mm 3 现场监测数据分析

工程主要监测内容有万家丽高架桥变形、地表沉降、围护结构水平位移、土体侧向变形、围护结构变形、支撑轴力及支撑变形、孔隙水压力、围护结构侧土压力、临近建筑物基础沉降、临近地下管线沉降等。竖向监测布置情况如图10所示, 监测点平面布置局部如图11所示。

D12-5 D11-5 D10-5D9-5 D12-4 D11-4 D9-4 D10-4桩顶水平位移及沉降监测 地表沉降位移监测

D12-3 临时横撑内力监测预埋式应变计 5 10 2 5 5 5 2 5 5 10D9-3 D10-3D11-3 地面

冠梁 D12-2 D10-2D11-2 D9-2 800 mm × 1000 mm混凝土支撑

ZQT7SW7 D12-1 D11-1 D9-1 D10-1 临时横撑内力监测轴力计 直径609 mm钢支撑

ZQT8 ZL1-6 SM8水位观测孔 D13-1D13-2临时横撑内力监测轴力计 直径609 mm钢支撑

ZQT9D16-1D17-1D15-1 测斜管 D14-1 SW9 ZQT10D16-2D17-2D15-2 D14-2 连续墙 图例:S桩顶水平位移、沉降量测 D地表沉降量测 分层沉降孔 CX支护结构深层水平位移 SW地下水位量测支撑轴力LZ立柱顶沉降位移

图10 主体结构测点横断面布置图(单位: m) 图11 监测点平面布置局部

为与文中数值模拟结果对比, 选取实际监测中桥桩的侧移监测数据和距离基坑不同水平距离的地表累计沉降监测数据进行分析。其中侧移数据取自监测项目中ZQT10点的侧移桩测试数据; 地表沉降数据分别取自与文中开挖段垂直的D9-1、D9-2、D9-3、D9-4、D9-5、D9-6, 分别距基坑1、6、11、16、21、25 m的监测点。实测数据显示的埋深与侧移的关系如图12所示, 基坑实测累积沉降如图13所示。

30−1 25−2 20−3 15 −410 −55

−60

048121620−20−15−10−50 埋深/m 距基坑水平距离/m

图12 埋深与侧移的实测关系 图13 距基坑不同水平距离的基坑沉降实测累积值

从图12可以看出: 随着深度的增加, 桥桩的侧移值与深度的关系出现“中间凸起, 两端平缓”现象;

地表沉降值/mm 侧移值/mm 地表沉降值/mm

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最大侧移值出现在基坑开挖底面附近。该结果与数值模拟结果相似。

从图13中看出, 随着距基坑水平距离增加, 地表沉降累积值逐渐减小, 数值模拟中的变化趋势与实测值的变化趋势一致。

4 结论

本文以长沙地铁5号线三一大道车站深基坑工程为对象, 用MIDAS/GTS/NX软件模拟了基坑开挖对临近构筑物的影响, 并将结果与现场监测数据进行了对比, 得到以下结论。

(1) 基坑降水对于基坑稳定性具有很大影响, 其根本原因是降水改变了周围土体的应力状态和周围的地下水位, 减小了水对土颗粒的浮力, 从而易使地表发生沉降。在本工程的支护中已充分考虑到渗流的情况, 因此在地下连续墙和内支撑支护组合下能有效地保证基坑稳定性。

(2) 旋喷桩对高架桥的安全性具有决定性的作用, 它的存在与否直接威胁到高架桥的安全。

(3) 随着开挖深度的增加, 由于开挖过程中对土体扰动影响, 同时在不断卸荷过程中, 土中应力也发生了很大变化, 这直接体现在: 同一位置处地表沉降随开挖深度的增加而增加, 距离基坑越远, 所受影响越小, 地表沉降越小。

(4) 通过实测侧移值和不同距基坑水平距离的地表沉降值与数值模拟的对应结果进行对比发现, 两者在数值上大体接近, 在变化趋势上亦基本相同。故利用MIDAS/GTS/NX有限元模拟软件, 能有效地模拟基坑开挖过程中渗流应力问题。

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(责任编校: 江河)