SMW攪拌樁圍護(hù)基坑的時(shí)空效應(yīng)分析摘 要 在軟土基坑開(kāi)挖施工中,運(yùn)用時(shí)空效應(yīng)規(guī)律,充分調(diào)動(dòng)未開(kāi)挖部分土體的承載能力,能夠有效控制土體位移,保護(hù)周邊環(huán)境,達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)施工的目的。文章以天津地鐵1號(hào)線營(yíng)口道車(chē)站基坑施工為例,分析在采用SMW水泥土攪拌樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑開(kāi)挖施工中,如何選擇合理的架設(shè)支撐時(shí)機(jī)以及開(kāi)挖分塊,以充分利用時(shí)空效應(yīng)規(guī)律,控制基坑內(nèi)外的變形,取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞 SMW工法 基坑開(kāi)挖 結(jié)構(gòu)變形 時(shí)空效應(yīng)1概述 軟土地層的基坑工程,在開(kāi)挖及支撐過(guò)程中,每個(gè)分部開(kāi)挖的空間幾何尺寸和支護(hù)墻體開(kāi)挖部分的無(wú)支撐暴露時(shí)間,與周?chē)馏w和土體位移有一定的相關(guān)性。這就是所謂基坑開(kāi)挖中時(shí)空效應(yīng)規(guī)律。 實(shí)踐證明,在基坑開(kāi)挖過(guò)程中考慮并運(yùn)用時(shí)空效應(yīng)規(guī)律,能有效合理地利用土體自身的穩(wěn)定性,控制土體位移而達(dá)到保護(hù)周邊環(huán)境的目的。 考慮時(shí)空效應(yīng)的基坑施工方法的主要特點(diǎn)是:根據(jù)基坑工程設(shè)計(jì)所選定的主要施工參數(shù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè),提出開(kāi)挖和支撐的施工順序和施工參數(shù),并利用現(xiàn)場(chǎng)基坑變形的量測(cè)測(cè)試結(jié)果,來(lái)反分析土性綜合參數(shù)反饋設(shè)計(jì)和施工人員,以對(duì)施工順序和施工參數(shù)進(jìn)行修正。 天津地鐵1號(hào)線改建項(xiàng)目營(yíng)口道站位于天津市繁華鬧市區(qū)南京路與赤峰道、營(yíng)口道交口處,為1、3號(hào)線的換乘車(chē)站(見(jiàn)圖1)。施工分為A區(qū)(3號(hào)線基坑)與B、C、D區(qū)(1號(hào)線)以及附屬結(jié)構(gòu)幾個(gè)部分。其中1號(hào)線基坑采用SMW工法水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)。B、C區(qū)是在A、D區(qū)施工完畢后開(kāi)始施工的。現(xiàn)在以C區(qū)的開(kāi)挖施工為例介紹SMW圍護(hù)基坑的時(shí)空效應(yīng)分析。
2工程概況及地質(zhì)條件 營(yíng)口道車(chē)站1號(hào)線基坑長(zhǎng)194.52m(中心里程K14+159.882),一般地段寬19.9m,窄處11.9m,寬處約44.55m,埋深7.698m(結(jié)構(gòu)高6.01m,覆土1.688m)。C區(qū)寬度兩端為19.9m,中間為28m,基坑開(kāi)挖需破除既有營(yíng)口道站箱體,基坑北側(cè)為南京路4車(chē)道路面,南側(cè)為40層津匯廣場(chǎng)大樓。采用SMW工法水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)(圖2),直徑為850mm,攪拌樁搭接250mm。樁長(zhǎng)分別為13.9m(普通8m深基坑)和17.9m(跨線風(fēng)道及泵房),樁頂標(biāo)高為2.5m。型鋼間隔插,型鋼規(guī)格為700mm×300mm×13mm×24mm,慣性矩為201000cm4,型鋼間中心距為1200mm。樁頂設(shè)1.1×0 8m的混凝土壓頂梁連為整體,樁間立面為C20網(wǎng)噴混凝土。在開(kāi)挖0 8m處架設(shè)1道φ600×12mm的鋼管橫支撐,支撐中間設(shè)一道2[28a縱向支撐梁(寬的地段設(shè)二道)及一列豎向φ402×12mm的鋼管工具柱(工具柱在基坑以下為φ800mm,樁長(zhǎng)8m的鉆孔灌注樁),支撐特性見(jiàn)表1。場(chǎng)地地質(zhì)條件和計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。3計(jì)算工況劃分 由于在基坑施工過(guò)程中不可避免的出現(xiàn)臨時(shí)荷載,取最不利荷載為均布?jí)毫=20KPa。所以在參考文獻(xiàn)得知,“m法”能較好的模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,圍護(hù)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算時(shí)采用“m法”,并根據(jù)地質(zhì)條件和參考文獻(xiàn)計(jì)算出m值(見(jiàn)表2)。對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的側(cè)壓力,采用水土分算的方法計(jì)算確定。 為了提供有效的“SMW”樁預(yù)測(cè)變形控制值,根據(jù)基坑開(kāi)挖及架撐順序,將施工劃分為3個(gè)工況,開(kāi)挖深度達(dá)到4.5m時(shí)為工況1,在0.8m處施加支撐為工況2,繼續(xù)開(kāi)挖深度達(dá)到7.5m時(shí)為工況3(7.5m以下采用人工檢底),工況簡(jiǎn)圖如圖3所示,工況劃分如表3。4時(shí)空效應(yīng)分析與應(yīng)用 在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中,首先通過(guò)有限元模擬計(jì)算預(yù)測(cè)各個(gè)工況的樁體的最終變形,通過(guò)信息化施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,根據(jù)預(yù)測(cè)變形量與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,探求SMW工法圍護(hù)基坑的“時(shí)空效應(yīng)”規(guī)律,以控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形為主,一方面允許基坑變形進(jìn)而充分利用周?chē)馏w的自穩(wěn)能力;一方面在確保基坑開(kāi)挖施工安全的前提下,加快施工進(jìn)度。 根據(jù)開(kāi)挖和架設(shè)支撐的順序,分別對(duì)三個(gè)工況進(jìn)行有限元計(jì)算,通過(guò)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比進(jìn)行分析,控制基坑圍護(hù)樁變形。4.1工況1 由圖4可以看出,基坑向下開(kāi)挖,樁體位移變化逐步增大,有限元計(jì)算變形的樁體呈向內(nèi)的三角形。樁體水平位移最大值在樁頂部為26.6mm。 C區(qū)東段的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示,變形規(guī)律與計(jì)算結(jié)果相同,但最大變形僅為12.14mm。主要原因是東段開(kāi)挖寬度為19.9m,既有營(yíng)口道車(chē)站箱體位于該段,在開(kāi)挖過(guò)程中,主要是破除既有箱體結(jié)構(gòu),挖土方量不多,很快就開(kāi)挖到-4.5m處,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐暴露時(shí)間短,因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形實(shí)測(cè)值不大。4.2工況2 由圖6可以看出,架設(shè)鋼支撐之后,有限元計(jì)算樁頂最大控制位移為24.1mm。 實(shí)測(cè)位移曲線如圖7所示,架設(shè)鋼支撐之后的最大位移由12.14mm減小為9.89mm,表明基坑SMW工法圍護(hù)樁在受到支撐預(yù)加軸力后向土體側(cè)產(chǎn)生了變形。架設(shè)支撐后基坑繼續(xù)向下開(kāi)挖,隨著土體荷載的卸除,頂部受到支撐約束的樁體下段開(kāi)始發(fā)生變形,變形曲線由三角形逐漸變化成弓形。初期樁體位移最大值仍位于樁頂處如圖7所示,將其與預(yù)測(cè)控制計(jì)算結(jié)果(24 .1mm)相對(duì)比,約為其1/2。4.3工況3 此后繼續(xù)向下開(kāi)挖,樁頂處受到預(yù)加支撐軸力的作用,變形向基坑外發(fā)展,中部樁體繼續(xù)向內(nèi)產(chǎn)生位移。此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線和最大控制位移如圖8所示。 隨著基坑開(kāi)挖到底,圍護(hù)結(jié)構(gòu)繼續(xù)變形,但是由于頂部受到支撐約束,實(shí)測(cè)最終樁體變形曲線如圖9所示,最大達(dá)到10.22mm。最大位移發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部,即頂面以下5～6m處。監(jiān)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比,變形基本類(lèi)似,但是實(shí)測(cè)最大值約為計(jì)算值的1/3。 C區(qū)西段的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10,由于西段開(kāi)挖寬度達(dá)到了28m,開(kāi)挖范圍內(nèi)的既有結(jié)構(gòu)為區(qū)間箱體,加之基坑北側(cè)D區(qū)已經(jīng)施工完畢,與C區(qū)間留有后澆帶,支撐北端需要架設(shè)在位于D區(qū)主體結(jié)構(gòu)上的傳力盒上。由于架設(shè)困難,為搶進(jìn)度,施工方基本上是在開(kāi)挖幾乎到底后才架設(shè)鋼支撐。圖10的實(shí)測(cè)變形曲線充分顯示了“時(shí)空效應(yīng)”的影響,圍護(hù)結(jié)構(gòu)在未架設(shè)鋼支撐的情況下,樁頂最大位移為19.08mm。由于基坑南側(cè)為原南京路路面,路基結(jié)構(gòu)密實(shí),地表沉降較小,但是圍護(hù)結(jié)構(gòu)壓頂梁與坑外地表之間產(chǎn)生了近20mm的裂縫。由于在開(kāi)挖過(guò)程中,進(jìn)行了及時(shí)和認(rèn)真量測(cè),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形始終處于監(jiān)控之中,所以盡管變形偏大,但仍處于控制基準(zhǔn)以內(nèi),開(kāi)挖施工是安全的,在現(xiàn)場(chǎng)施工中,通過(guò)延緩架設(shè)支撐進(jìn)行大規(guī)模土方開(kāi)挖,縮短圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)支撐暴露時(shí)間的措施是合理的。5結(jié)論 SMW攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律與計(jì)算結(jié)果相吻合,但是由于型鋼剛度較大,實(shí)際上實(shí)測(cè)位移僅為計(jì)算值的1/2～4/5左右。 基坑開(kāi)挖過(guò)程中由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變,實(shí)際上幾乎不能做到理論上的“先撐后挖、隨挖隨撐”等要求,在這個(gè)時(shí)候就需要充分利用時(shí)空效應(yīng),通過(guò)“理論導(dǎo)向,量測(cè)定向,經(jīng)驗(yàn)判斷”,采用有限元計(jì)算對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行預(yù)測(cè),針對(duì)基坑周邊環(huán)境對(duì)變形的控制標(biāo)準(zhǔn)選擇合理的架設(shè)支撐的時(shí)機(jī),充分利用和調(diào)動(dòng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊土體的自穩(wěn)能力抗變形能力,避免支撐架設(shè)影響開(kāi)挖進(jìn)度。但是也必須避免長(zhǎng)時(shí)間不架設(shè)支撐導(dǎo)致基坑外地表沉陷以及基坑失穩(wěn)的情況發(fā)生。參考文獻(xiàn)1夏明耀,曾進(jìn)倫主編.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè),北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.2972劉俊巖主編.深基坑工程.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.923 崔江余,梁仁旺編著.建筑基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算與施工.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1999.138
2工程概況及地質(zhì)條件 營(yíng)口道車(chē)站1號(hào)線基坑長(zhǎng)194.52m(中心里程K14+159.882),一般地段寬19.9m,窄處11.9m,寬處約44.55m,埋深7.698m(結(jié)構(gòu)高6.01m,覆土1.688m)。C區(qū)寬度兩端為19.9m,中間為28m,基坑開(kāi)挖需破除既有營(yíng)口道站箱體,基坑北側(cè)為南京路4車(chē)道路面,南側(cè)為40層津匯廣場(chǎng)大樓。采用SMW工法水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)(圖2),直徑為850mm,攪拌樁搭接250mm。樁長(zhǎng)分別為13.9m(普通8m深基坑)和17.9m(跨線風(fēng)道及泵房),樁頂標(biāo)高為2.5m。型鋼間隔插,型鋼規(guī)格為700mm×300mm×13mm×24mm,慣性矩為201000cm4,型鋼間中心距為1200mm。樁頂設(shè)1.1×0 8m的混凝土壓頂梁連為整體,樁間立面為C20網(wǎng)噴混凝土。在開(kāi)挖0 8m處架設(shè)1道φ600×12mm的鋼管橫支撐,支撐中間設(shè)一道2[28a縱向支撐梁(寬的地段設(shè)二道)及一列豎向φ402×12mm的鋼管工具柱(工具柱在基坑以下為φ800mm,樁長(zhǎng)8m的鉆孔灌注樁),支撐特性見(jiàn)表1。場(chǎng)地地質(zhì)條件和計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。3計(jì)算工況劃分 由于在基坑施工過(guò)程中不可避免的出現(xiàn)臨時(shí)荷載,取最不利荷載為均布?jí)毫=20KPa。所以在參考文獻(xiàn)得知,“m法”能較好的模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,圍護(hù)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算時(shí)采用“m法”,并根據(jù)地質(zhì)條件和參考文獻(xiàn)計(jì)算出m值(見(jiàn)表2)。對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的側(cè)壓力,采用水土分算的方法計(jì)算確定。 為了提供有效的“SMW”樁預(yù)測(cè)變形控制值,根據(jù)基坑開(kāi)挖及架撐順序,將施工劃分為3個(gè)工況,開(kāi)挖深度達(dá)到4.5m時(shí)為工況1,在0.8m處施加支撐為工況2,繼續(xù)開(kāi)挖深度達(dá)到7.5m時(shí)為工況3(7.5m以下采用人工檢底),工況簡(jiǎn)圖如圖3所示,工況劃分如表3。4時(shí)空效應(yīng)分析與應(yīng)用 在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中,首先通過(guò)有限元模擬計(jì)算預(yù)測(cè)各個(gè)工況的樁體的最終變形,通過(guò)信息化施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,根據(jù)預(yù)測(cè)變形量與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,探求SMW工法圍護(hù)基坑的“時(shí)空效應(yīng)”規(guī)律,以控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形為主,一方面允許基坑變形進(jìn)而充分利用周?chē)馏w的自穩(wěn)能力;一方面在確保基坑開(kāi)挖施工安全的前提下,加快施工進(jìn)度。 根據(jù)開(kāi)挖和架設(shè)支撐的順序,分別對(duì)三個(gè)工況進(jìn)行有限元計(jì)算,通過(guò)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比進(jìn)行分析,控制基坑圍護(hù)樁變形。4.1工況1 由圖4可以看出,基坑向下開(kāi)挖,樁體位移變化逐步增大,有限元計(jì)算變形的樁體呈向內(nèi)的三角形。樁體水平位移最大值在樁頂部為26.6mm。 C區(qū)東段的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示,變形規(guī)律與計(jì)算結(jié)果相同,但最大變形僅為12.14mm。主要原因是東段開(kāi)挖寬度為19.9m,既有營(yíng)口道車(chē)站箱體位于該段,在開(kāi)挖過(guò)程中,主要是破除既有箱體結(jié)構(gòu),挖土方量不多,很快就開(kāi)挖到-4.5m處,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐暴露時(shí)間短,因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形實(shí)測(cè)值不大。4.2工況2 由圖6可以看出,架設(shè)鋼支撐之后,有限元計(jì)算樁頂最大控制位移為24.1mm。 實(shí)測(cè)位移曲線如圖7所示,架設(shè)鋼支撐之后的最大位移由12.14mm減小為9.89mm,表明基坑SMW工法圍護(hù)樁在受到支撐預(yù)加軸力后向土體側(cè)產(chǎn)生了變形。架設(shè)支撐后基坑繼續(xù)向下開(kāi)挖,隨著土體荷載的卸除,頂部受到支撐約束的樁體下段開(kāi)始發(fā)生變形,變形曲線由三角形逐漸變化成弓形。初期樁體位移最大值仍位于樁頂處如圖7所示,將其與預(yù)測(cè)控制計(jì)算結(jié)果(24 .1mm)相對(duì)比,約為其1/2。4.3工況3 此后繼續(xù)向下開(kāi)挖,樁頂處受到預(yù)加支撐軸力的作用,變形向基坑外發(fā)展,中部樁體繼續(xù)向內(nèi)產(chǎn)生位移。此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線和最大控制位移如圖8所示。 隨著基坑開(kāi)挖到底,圍護(hù)結(jié)構(gòu)繼續(xù)變形,但是由于頂部受到支撐約束,實(shí)測(cè)最終樁體變形曲線如圖9所示,最大達(dá)到10.22mm。最大位移發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部,即頂面以下5～6m處。監(jiān)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比,變形基本類(lèi)似,但是實(shí)測(cè)最大值約為計(jì)算值的1/3。 C區(qū)西段的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10,由于西段開(kāi)挖寬度達(dá)到了28m,開(kāi)挖范圍內(nèi)的既有結(jié)構(gòu)為區(qū)間箱體,加之基坑北側(cè)D區(qū)已經(jīng)施工完畢,與C區(qū)間留有后澆帶,支撐北端需要架設(shè)在位于D區(qū)主體結(jié)構(gòu)上的傳力盒上。由于架設(shè)困難,為搶進(jìn)度,施工方基本上是在開(kāi)挖幾乎到底后才架設(shè)鋼支撐。圖10的實(shí)測(cè)變形曲線充分顯示了“時(shí)空效應(yīng)”的影響,圍護(hù)結(jié)構(gòu)在未架設(shè)鋼支撐的情況下,樁頂最大位移為19.08mm。由于基坑南側(cè)為原南京路路面,路基結(jié)構(gòu)密實(shí),地表沉降較小,但是圍護(hù)結(jié)構(gòu)壓頂梁與坑外地表之間產(chǎn)生了近20mm的裂縫。由于在開(kāi)挖過(guò)程中,進(jìn)行了及時(shí)和認(rèn)真量測(cè),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形始終處于監(jiān)控之中,所以盡管變形偏大,但仍處于控制基準(zhǔn)以內(nèi),開(kāi)挖施工是安全的,在現(xiàn)場(chǎng)施工中,通過(guò)延緩架設(shè)支撐進(jìn)行大規(guī)模土方開(kāi)挖,縮短圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)支撐暴露時(shí)間的措施是合理的。5結(jié)論 SMW攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律與計(jì)算結(jié)果相吻合,但是由于型鋼剛度較大,實(shí)際上實(shí)測(cè)位移僅為計(jì)算值的1/2～4/5左右。 基坑開(kāi)挖過(guò)程中由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變,實(shí)際上幾乎不能做到理論上的“先撐后挖、隨挖隨撐”等要求,在這個(gè)時(shí)候就需要充分利用時(shí)空效應(yīng),通過(guò)“理論導(dǎo)向,量測(cè)定向,經(jīng)驗(yàn)判斷”,采用有限元計(jì)算對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行預(yù)測(cè),針對(duì)基坑周邊環(huán)境對(duì)變形的控制標(biāo)準(zhǔn)選擇合理的架設(shè)支撐的時(shí)機(jī),充分利用和調(diào)動(dòng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊土體的自穩(wěn)能力抗變形能力,避免支撐架設(shè)影響開(kāi)挖進(jìn)度。但是也必須避免長(zhǎng)時(shí)間不架設(shè)支撐導(dǎo)致基坑外地表沉陷以及基坑失穩(wěn)的情況發(fā)生。參考文獻(xiàn)1夏明耀,曾進(jìn)倫主編.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè),北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.2972劉俊巖主編.深基坑工程.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.923 崔江余,梁仁旺編著.建筑基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算與施工.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1999.138