堆载对明挖隧道基坑围护结构的影响_蔡连利.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202206063开放科学（资源服务）标识码（OSID）堆载对明挖隧道基坑围护结构的影响蔡连利（中铁十六局集团有限公司，北京100018）摘要：依托郑州市冀州路明挖隧道基坑施工，采用有限元分析软件建立三维数值模型，研究堆载对基坑周围土体沉降、坑底隆起及桩身水平位移的影响，结果表明：基坑周围土体沉降、坑底隆起变形及桩身水平位移均随基坑开挖而逐渐增大；基坑围护结构的变形量均在设计控制范围内，在该施工条件下，基坑结构整体安全。关键词：明挖基坑；一侧堆载；围护结构变形；数值模拟；桩身水平位移；周围土体沉降；坑底隆起中图分类号：TU93+2文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0228 06 0 引言深、大基坑开挖中，如何保证基坑结构稳定是一个非常关键的问题。桩锚支护体系是上世纪80 年发展起来的一种支护结构，具有施工方便、结构稳定、适应强等特点，得到了广泛应用。学者和工程人员围绕桩锚支护结构，结合实际工程，开展了大量研究工作。刘天宝等1研究桩锚支护结构中桩的参数与锚索参数对桩身水平位移和桩顶水平位移的影响；周汝森2通过 FLAC3D 有限差分软件建立三维精细模型进行分析，研究不同行车速度和不同行车荷载作用下基坑围护结构的响应特性；周海祚等3研究在基坑开挖过程，倾斜支护桩从变形到破坏的全过程，并推导基坑倾斜桩支护的抗倾覆与整体稳定安全系数计算方法；马加志等4基于二维有限元模型，对比分析堆载大小和位置发生变化时基坑的变形情况；郑刚等5采用有限差分法，研究局部锚杆失效引发的土压力和支护结构内力变化等荷载传递规律；李柏生等6分析桩锚支护结构设计参数对锚杆内力、长度、支护桩内力、支护桩嵌固深度和桩顶位移的影响；刘维正等7考虑桩锚支护深大基坑开挖变形的空间效应及影响因素，分析基坑不同断面处桩体水平位移、地表沉降和锚索轴力的空间效应；宋建学等8研究作用在基坑工程桩锚支护体系上的土压力，并与实测土压力对比，讨论了各种模型的适用性；鲍如意等9借助有限元软件模拟基坑开挖过程，分析坑外预制管廊节段堆载作用下基坑支护结构及周边地表的响应情况。针对地面堆载对明挖隧道基坑结构的影响，许多学者从数值分析，理论及模型试验等不同方面进行了研究9-11，但大多数研究的是既有堆载对基坑开挖之后围护结构的影响。而对于基坑边开挖、边支护且地面堆载随基坑开挖而增大的情况，研究相对较少。本文以郑州市冀州路明挖隧道基坑工程为依托，在基坑一侧地面形成弃土堆载的情况下，对基坑开挖全过程进行了数值模拟12-14，并与实测数据进行了对比，分析了不同基坑开挖阶段所形成的堆载对基坑周围土体沉降、坑底隆起及桩身变形影响规律，总结了相关经验，旨在为相关深基坑支护工程施工提供参考15。1 工程概况冀州路隧道长 2.58 km，为双向六车道，位于郑州航空港区郑东国际机场以东 6.00 km、郑州高铁南站西侧、金陵大道以南、物流五路以北。1.1 地层岩性拟建场地地貌类型及区划属黄河冲积平原，沿线无居民居住区，主要为耕地、堆土区、施工工地、现场道路。依据钻探、标准贯入试验、静力触探及室内土工试验成果，勘察深度范围内地层共分为 4 层，01 层为第四系全新统（Q4ml）杂填土，14 层为第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）粉土、粉 收稿日期：2022 11 14基金项目：中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司科技研发计划项目（KYJS-001）作者简介：蔡连利（1978），男，河北唐山人。高级工程师，主要从事地下工程施工技术研究方面的工作。E-mail：。路基工程 228 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）砂、粉质黏土。各土层物理力学参数指标，见表 1。表1土层物理力学参数土层平均厚度/m重度/（kNm3）黏聚力/kPa内摩擦角/（）泊松比杂填土 6.619.213.220.30.25粉土 9.019.313.619.20.26粉砂15.019.613.517.70.27粉质黏土30.019.813.719.90.26 1.2 地质水文条件根据区域资料，场地内地下水为第四系孔隙潜水，含水层主要为粉土层及粉砂层。勘察期间地下水水位埋深5.4013.10 m，高程102.44113.21 m。地下水位动态变化主要受季节性降水的影响，每年从 6 月中旬至 9 月上旬是丰水期，12 月至来年 5 月为枯水期。新郑地区正常情况上部潜水的年变化幅度 1.002.00 m。冀州路起点抗浮水位 113.45 m，终点抗浮水位 115.23 m。1.3 设计简介主体结构采用 U 型槽及闭合框架。明挖隧道基坑平面、立面示意，见图 1、图 2。桩身顶部水平位移监测点33.415.03+0003+0203+0403+0603+0803+090117.10116.90YZD1围护桩三轴止水帷幕YZD16ZZD1ZZD16基坑道路北基坑道路下基坑3.012.0基坑左侧堆土图1明挖隧道基坑平面（单位：m）开挖分上、下基坑进行，上基坑呈梯形，深6.6 m，宽 72.0 m，分 3 层，放坡坡率 10.5，土钉+喷射混凝土支护，土钉水平间距 1.2 m，倾角15；下基坑为矩形，深 9.0 m，宽 33.4 m，分3 层。距上基坑底部 15.0 m 施作基坑道路，止水帷幕为 D85 cm60 cm 三轴水泥搅拌桩，桩长14.5 m。基坑围护结构采用围护桩+预应力锚索，围护桩为 1.0 m 钻孔灌注桩，桩长 18.0 m，间距1.5 m，桩间喷射混凝土 C25，厚 10 cm，桩顶设截面尺寸 100 cm100 cm 冠梁。钻孔灌注桩间锚索现场施工，见图 3。预应力锚索采用 15.2 mm(17)、1860 级预应力高强低松弛钢绞线，锚固体180 mm，锚索倾角 15，自由段6.0 m，锚固段16.0 m，水平间距 1.5 m，第一、第二道锚索施加预应力分别为 300、350 kN，锚固端连接钢腰梁。在下基坑深度分别为 3.0、6.0 m 位置处各设置一道预应力锚索，分别施加 300、350 kN 预应力。14.518.015110.4110.5土钉支护预应力锚索L=6.0中心线151.016.7堆土平台硬化20 cm厚C25混凝土3.015.036.0三轴止水帷幕冠梁围护桩6.69.03.03.03.06.012.06.0杂填土6.6粉土9.0粉砂15.0图2明挖隧道基坑立面（单位：m）图3钻孔灌注桩间锚索现场施工 基坑施工过程中，将开挖土堆放在基坑左侧沿线，距基坑边缘 3.0 m 外，堆载上底宽 6.0 m，下底宽 12.0 m，高 6.0 m。基坑施工左侧堆土现场，见图 4。按一级基坑设计，建筑基坑支护技术规范（JGJ 1202012）和建筑基坑工程监测技术规范（GB 504972019）规定结构变形控制值，见表 2。堆土图4明挖隧道基坑施工左侧堆土现场 表2基坑结构变形控制值基坑结构变形地表沉降围护桩身及桩顶水平位移坑底隆起控制值0.2%H与30 mm的较小值（H为基坑开挖深度）0.2%h与30 mm的较小值（h为桩身长度）25 mm 蔡连利：堆载对明挖隧道基坑围护结构的影响 229 2 堆载对明挖隧道基坑围护结构的影响数值模拟 2.1 模型建立基坑施工将开挖的土堆放在基坑左侧，会增加基坑壁变形的风险，降低基坑开挖的安全性，采用 midas GTS NX 对基坑开挖过程进行数值模拟，假设条件：不考虑基坑降水影响；基坑左侧沿线堆载均匀；围护结构为弹性结构，且各向同性；各土层水平状均匀分布。仅对上基坑开挖后，下基坑开挖过程中基坑围护结构变形进行模拟。土体采用摩尔-库仑本构模型。土钉与锚索采用植入式梁单元；喷射混凝土墙、基坑道路硬化层及坑底封底层采用板单元；围护桩采用梁单元，加入界面单元；模拟桩与土体间的摩擦作用；冠梁与腰梁采用一维梁单元进行模拟。选取基坑里程 K3+000+090 为建模对象，计算模型 120 m90 m60 m（XYZ），模型四周及底部施加法向约束，顶部为自由面，见图 5。90 m120 m60 mzyx图5地层结构模型 2.2 计算参数钻孔灌注桩与冠梁的混凝土 C30，硬化层及喷射混凝土 C25，锚索采用 15.2 mm(17)、1860 级预应力高强低松弛钢绞线，土钉采用 HRB400、25 mm 钢筋。结构材料计算参数，见表 3。表3结构材料计算参数材料类型弹性模量E/MPa泊松比容重/（kNm3）混凝土C252.801040.225.0混凝土C303.001040.225.01860级预应力高强低松弛钢绞线 1.951050.378.5钢筋HRB4002.001050.378.5 2.3 加载及模拟计算监测点布置情况用施加荷载的方式模拟土的堆载。经计算，基坑开挖过程中，堆载变化值，见表 4。表4基坑开挖过程地面堆载变化kPa上基坑下基坑开挖-1开挖-2开挖-3开挖-1开挖-2开挖-320406080100120上基坑开挖-1 表示上部基坑第一层土开挖完成，考虑下基坑开挖时基坑道路运土车辆荷载为20 kPa。上、下基坑开挖模型，见图 6、图 7。基坑道路左侧堆载zyx图6上基坑开挖后的结构模型 42 m监测断面zyx图7下基坑开挖后的结构模型 模拟计算的监测点布置，见图 8。上基坑堆载一侧周围土体地表监测点沿 X 轴负方向顺序，依次为 DBCJ1、DBCJ2、DBCJ9，间距 3.0m。下基坑开挖-1-3 的坑底隆起监测点沿 X 轴正方向，依次为 JD1、JD2、JD13，间距 2.5m，JD7 为下基坑坑底中心点。围护桩桩顶水平位移监测点布置（图 1），在下基坑左、右侧各选取16 根桩，桩顶中心布置测点，桩间距6.0 m。左侧桩顶水平位移监测点 ZZD1、.、ZZD16，右侧桩顶水平位移监测点 YZD1、.、YZD16。围护桩长 18.0 m，从桩顶至桩底，每隔 1.0 m 设置一个桩身变形监测点。DBCJ4DBCJ9ZZD8YZD8杂填土粉砂粉土粉质黏土JD13JD7JD1DBCJ1zyx图8模拟计算监测断面监测点位置 3 模型计算结果与分析 3.1 上基坑左侧周边土体地表沉降下基坑开挖时，模拟计算的上基坑堆载一侧周围土体沉降，见图 9。沉降曲线呈凹形分布，路基工程 230 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）DBCJ1DBCJ4 地表沉降值逐渐增加，DBCJ4DBCJ9 地表沉值逐渐减小，各工况下的沉降最大值出现在距离基坑边缘 9 m 处（DBCJ4），最大沉降值分别为 10.0、16.5、22.3 mm。主要是因为靠近基坑边缘的区域会因为围护结构的作用，抵挡了周围土体产生的主动土压力，导致地表沉降较小。当与基坑距离的增加，围护结构对周边土体变形的抵抗作用逐渐减小，此时地表沉降值不断增大，当达到最大值时，随着与基坑距离的进一步增加，地表沉降受基坑开挖的影响变小，所以地表沉降量也减小。各工况下的堆载体远端 DBCJ9 的沉降值分别为 2.8、6.1、10.0 mm。随着下基坑的开挖，上基坑周围土体沉降值逐渐增加，这是由于下基坑开挖的卸载作用，减少了对边坡土体的约束作用，基坑边坡土体内部应力状态发生了变化，边坡土体在不断增加的堆载和开挖面以上土体土压力的共同作用下产生了变形。下基坑开挖过程中，周边土体地表沉降均未超过地表沉降控制值 30.0 mm，满足设计控制规定值。DBCJ1DBCJ2DBCJ3DBCJ4DBCJ5DBCJ6DBCJ7DBCJ8DBCJ92520151050上基坑周边地表沉降值/mm上基坑周边地表沉降监测点下基坑开挖-1下基坑开挖-2下基坑开挖-3图9上基坑堆载一侧周围土体沉降 3.2 下基坑坑底隆起变形下基坑开挖-1-3 的坑底隆起变形对比，见图 10。下基坑坑底变形曲线呈上凸形，出现中间高、两边低的变化趋势，随着下基坑土体的开挖，坑底隆起值逐渐增大（坑底是指各个开挖工况时开挖面的坑底）。JD1 靠近