祝李京

(武漢華中科大檢測(cè)科技有限公司,湖北 武漢 430074)

城市地鐵由于其快捷、安全、舒適等便民的特性,對(duì)擴(kuò)大城市空間、構(gòu)建城市快速立體交通網(wǎng)以及改善城市交通環(huán)境起到了越來(lái)越重要的作用[1]。然而地鐵在實(shí)際的開(kāi)發(fā)中不可避免地造成地質(zhì)的變化,土層的實(shí)際穩(wěn)定性會(huì)遭到破壞,因此在降水開(kāi)挖過(guò)程中引起土體的變形,易造成安全事故的發(fā)生[2]。因此,對(duì)地鐵基坑施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)變得尤為重要。Guan等[3]為了避免深基坑變形帶來(lái)的安全事故,在數(shù)字近景攝影測(cè)量的基礎(chǔ)上提出了針對(duì)基坑監(jiān)測(cè)的三維建模技術(shù)。李又云等[4]考慮深基坑降水開(kāi)挖中的變形問(wèn)題,在Abaqus的基礎(chǔ)上提出了一種三維化的流固耦合模型。朱大鵬等[5]為了解決基坑降水開(kāi)挖造成地表沉降而帶來(lái)的周邊建筑物變形的問(wèn)題,在利用三維滲流有限元模型的基礎(chǔ)上提出了基坑施工監(jiān)測(cè)技術(shù)。在此背景下,研究依托成都軌道交通27號(hào)線一期工程,在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上引入Abaqus模型,以此實(shí)現(xiàn)數(shù)值化的模型與自動(dòng)化的監(jiān)測(cè),其目的是避免富水砂卵石地層基坑施工時(shí)安全事故的發(fā)生,并為公司在地鐵施工監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的市場(chǎng)開(kāi)拓提供幫助,同時(shí)也為后續(xù)地鐵施工監(jiān)測(cè)市場(chǎng)的拓展打下良好的基礎(chǔ)。另外,研究以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主的方式綜合了人工和計(jì)算機(jī)模擬的優(yōu)勢(shì),同時(shí)針對(duì)同一地層對(duì)施工過(guò)程的影響以及穩(wěn)定性的相關(guān)分析具備創(chuàng)新性,也為后續(xù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的開(kāi)展提供了經(jīng)驗(yàn)。

1 富水砂卵石地層中基坑施工監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

1.1 基坑監(jiān)測(cè)工程概況及監(jiān)測(cè)方案研究

針對(duì)軌道交通施工中存在的富水砂卵石地層的復(fù)雜地質(zhì)條件問(wèn)題,研究依托成都軌道交通27號(hào)線一期工程,并在實(shí)際在建工程的基礎(chǔ)上,通過(guò)工程實(shí)施階段監(jiān)控量測(cè)信息反饋結(jié)果對(duì)理論模型進(jìn)行修正?；影踩O(jiān)測(cè)在工程建設(shè)中具有非常重要的作用,其不但可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的了解結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)以及周圍的環(huán)境狀態(tài)來(lái)指導(dǎo)施工,還可以預(yù)測(cè)可能的危險(xiǎn)因素,從而能夠及時(shí)地進(jìn)行安全地補(bǔ)救,防止事故發(fā)生。因此,研究結(jié)合成都軌道交通27號(hào)線一期工程來(lái)對(duì)基坑施工監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。

成都軌道交通27號(hào)線是北部外圍的填充線,總體呈北-西走向,主要經(jīng)過(guò)成都市新都區(qū)、金牛區(qū)、成華區(qū)以及青羊區(qū)。一期工程線路全長(zhǎng)24.86 km,設(shè)站23座,其中換乘站9座,沿途分別與S10線、28號(hào)線、1號(hào)線、9號(hào)線、18號(hào)線、5號(hào)線、6號(hào)線、12號(hào)線、2號(hào)線共9條線路換乘,其中地下線17.34 km,設(shè)站17座。研究的實(shí)際范圍在金牛區(qū),其包含5座地下車站和4條盾構(gòu)區(qū)間,地質(zhì)條件復(fù)雜(富水砂卵石地質(zhì),全斷面高強(qiáng)度硬巖地質(zhì)),區(qū)間線路周邊環(huán)境復(fù)雜,沿線穿越既有線地鐵站、重要管線、大型河流及多處高架橋梁等。在實(shí)際的基坑降水施工過(guò)程中,其會(huì)在一定的區(qū)域內(nèi)造成卸載,因此在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩邊的土中會(huì)形成壓差,從而使土壤從邊沿到中間呈水平方向運(yùn)動(dòng),因此會(huì)對(duì)周圍的土體、管線和原有的地基造成破壞。故通過(guò)一定的監(jiān)測(cè)確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要意義。其中,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目具體內(nèi)容見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容

從圖1中可以看出,成都軌道交通27號(hào)線金牛區(qū)段實(shí)際監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的監(jiān)測(cè)、周圍地面沉陷的監(jiān)測(cè)以及地下水位的監(jiān)測(cè),三者的數(shù)目分別為30、150以及20。另外,從針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的監(jiān)測(cè)頻率來(lái)看,在實(shí)際的施工開(kāi)挖期間進(jìn)行24 h的全天候監(jiān)測(cè),而在施工開(kāi)挖結(jié)束后實(shí)行每天一次的監(jiān)測(cè)頻率,報(bào)警指標(biāo)為累計(jì)2×10-4km,每天2×10-5km。對(duì)周圍地面沉陷的監(jiān)測(cè),執(zhí)行每天一次的監(jiān)測(cè)頻率,報(bào)警指標(biāo)為累計(jì)2×10-4km,每天2×10-5km。對(duì)地下水位執(zhí)行每天一次的監(jiān)測(cè)頻率,報(bào)警指標(biāo)為下降1×10-4km,每天5×10-6km。最后,在實(shí)際的基坑施工巡檢過(guò)程中,需要將施工的實(shí)際工況、周邊環(huán)境等進(jìn)行詳細(xì)記錄,如果發(fā)現(xiàn)異常,應(yīng)該及時(shí)匯報(bào)。對(duì)成都軌道交通27號(hào)線期工程展開(kāi)卵石地質(zhì)復(fù)雜環(huán)境下城市地鐵施工監(jiān)測(cè)技術(shù)研究,主要針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平行移動(dòng)與地表沉降等進(jìn)行展開(kāi)。

其中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)是基坑工程中的一項(xiàng)重要結(jié)構(gòu),其直接影響著基坑工程的開(kāi)挖深度、開(kāi)挖范圍等。因此采用埋設(shè)傾角導(dǎo)管和傾角計(jì)測(cè)量支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。通過(guò)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)不同深度的樁體的水平位移變化進(jìn)行了解,這不僅可以判斷出是否存在土體失穩(wěn)的征兆和現(xiàn)象,還可以了解基坑周圍垂直剖面的土體隨基坑開(kāi)挖深度變化的規(guī)律,從而為基坑的信息化施工、預(yù)測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供直接的依據(jù)。同時(shí),研究在基坑周圍設(shè)置了總計(jì)32個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別為B1～B32。在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體內(nèi)部的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)域會(huì)逐漸向外擴(kuò)展,向地表擴(kuò)展?；又苓叺孛娉料菁润w現(xiàn)了周邊土層的受力狀態(tài),又從某種意義上反映了基坑周邊土的受力狀態(tài)。因此,研究對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè),并在南端設(shè)置了7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),北端設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),中間橫斷面設(shè)置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),基坑的縱斷面設(shè)置了10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別為A1～A30。

1.2 基坑降水下施工數(shù)值模擬

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,研究引入Abaqus二維化的有限元模型來(lái)對(duì)成都軌道交通27號(hào)線的基坑降水開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬,以此驗(yàn)證這種數(shù)值模擬下的數(shù)字化監(jiān)測(cè)技術(shù)的有效性。研究綜合分析了成都軌道交通27號(hào)線一期工程的基坑施工環(huán)境,選擇了均質(zhì)彈性模型、滲流彈性模型以及本構(gòu)模型(Mohr-Coulomb,M-C)。其中,M-C模型主要用于粒狀物料,在Abaqus中,其相應(yīng)的屈服性準(zhǔn)則為剪斷判據(jù)。剪斷判據(jù)的函數(shù)表達(dá)如公式(1)所示。

E=Rmcy-xtanλ-b

(1)

式中:E為剪斷判據(jù)函數(shù);λ為摩擦角,(°);b為粒狀物料的黏聚力,kN/m2;x和y為平面橫縱軸方向。其中,Rmc(γ,λ)的計(jì)算表達(dá)如公式(2)所示。

Rmc(γ,λ)=

(2)

式中:γ為極偏角。剪斷判據(jù)函數(shù)一般采用蘭肯(Rankine)準(zhǔn)則,其計(jì)算表達(dá)如公式(3)所示。

Et=Rr(γ)y-x-ρt

(3)

式中:ρt為抗拉強(qiáng)度,MPa。在Abaqus中,為了避免塑性位平面上存在著非唯一性,將一個(gè)連續(xù)且平滑的橢圓函數(shù)用作塑性位平面。其計(jì)算表達(dá)如公式(4)所示。

(4)

式中:H為橢圓函數(shù);δ為子午平面上偏離中心的概率;ζ為剪脹角,(°);b0為初始的黏聚力,kN/m2。其中,Rmw(γ,e,λ)控制著塑性位平面中π面上的形狀,計(jì)算表達(dá)如公式(5)所示。

(5)

式中:e為偏心率,其計(jì)算表達(dá)如公式(6)所示。

(6)

通過(guò)式(6)的計(jì)算,可以有效保證塑性位平面位于π平面上受拉角上的受壓角與屈服面相切。另外,在Abaqus中,研究通過(guò)控制b的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)剪切面的軟硬化,其中的等效應(yīng)變計(jì)算表達(dá)如公式(7)所示。

(7)

式中:eij為偏向應(yīng)變的相關(guān)張量。研究實(shí)地勘察的工程區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越砂卵石、硬巖(中風(fēng)化泥巖、砂巖)地層。砂卵石地層具有快速收斂特性,盾體和刀盤受到周圍砂層包裹力較大,同時(shí)在砂卵地層中掘進(jìn)如果土壓力控制不當(dāng)容易引起地表沉降的出現(xiàn)。因此研究以基坑薄弱區(qū)為重點(diǎn),選取其橫截面為實(shí)際的模擬區(qū)域,同時(shí)基坑降水開(kāi)挖的實(shí)際影響范圍應(yīng)該依據(jù)地鐵車站相關(guān)地質(zhì)的實(shí)際條件、現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)監(jiān)測(cè)情況以及前人的實(shí)際研究成果進(jìn)行3倍化的深度開(kāi)挖。并根據(jù)對(duì)稱性的相關(guān)原則來(lái)選擇實(shí)際工程一半來(lái)進(jìn)行模擬。其中,在豎直方向上,依據(jù)成都地鐵27號(hào)線巖土工程的勘察材料,相應(yīng)的基坑以及土層的尺寸見(jiàn)表1。

表1 基坑以及土層的尺寸 單位:km

從表1中可以看出,研究構(gòu)建的模型大小為0.073 2 km×0.043 2 km,其中,寬度0.073 2 km下包含開(kāi)挖面的寬度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的寬度以及基坑外土體的寬度;高度0.0432 km下包含素填土層、粉質(zhì)黏土層、圓礫層等。另外,在基坑降水開(kāi)挖的數(shù)值化模擬中,研究選取了地面的支撐邊界和水頭邊界兩種作為研究設(shè)置的邊界條件?；诖?在成都軌道交通27號(hào)線一期工程基坑開(kāi)挖工程中,研究將基坑降水開(kāi)挖方案分為四步進(jìn)行。首先,需要平衡初始的地應(yīng)力。其次當(dāng)?shù)谝淮谓邓恋叵?.8×10-3km時(shí),第一層開(kāi)始進(jìn)行挖掘并挖至地下6.8×10-3km,此時(shí)進(jìn)行第一道混凝土支撐。接著,當(dāng)?shù)诙谓邓恋叵?4.1×10-3km時(shí),第二層開(kāi)始進(jìn)行挖掘并挖至地下13.1×10-3km,此時(shí)第二道鋼進(jìn)行支撐。最后,當(dāng)?shù)谌谓邓恋叵?1.2×10-3km時(shí),第四層開(kāi)始進(jìn)行挖掘并挖至地下20.2×10-3km,此時(shí)進(jìn)行第三道鋼支撐。其中,平衡初始地應(yīng)力設(shè)置每一層上、下表層的地應(yīng)力值,并將深度作為自變量線性函數(shù)來(lái)描述初始地應(yīng)力,同時(shí)在Abaqus平臺(tái)上施加載荷,將其轉(zhuǎn)化為初始地應(yīng)力場(chǎng)。

2 模擬監(jiān)測(cè)技術(shù)性能分析

為了驗(yàn)證研究提出的數(shù)值模擬化的監(jiān)測(cè)技術(shù)的合理性與有效性,研究將其與實(shí)地監(jiān)測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。其中,為了判定基坑內(nèi)降水施工對(duì)坑外土的影響情況,研究分析了土體的沉降值變化,并對(duì)比了實(shí)際監(jiān)測(cè)的A7點(diǎn)和模擬的坑外地表的沉降情況,其結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 土體沉降變化情況和坑外地表的沉降模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果

從圖2中可以看出,土體沉降值變化中,坑外的土體沉降呈現(xiàn)出了一種直角三角形的分布,在直角區(qū)域沉降最嚴(yán)重,并向兩個(gè)銳角逐漸地減小。而模擬對(duì)比中,第一步開(kāi)挖模擬中,坑外地表的沉降值在基坑距離為2×10-3km時(shí)為7.46×10-5km,而實(shí)際監(jiān)測(cè)為7.02×10-5km;17 m處為模擬值0.97×10-5km,監(jiān)測(cè)值為0.95×10-5km。第二步開(kāi)挖模擬中,坑外地表的沉降值在基坑距離為2×10-3km時(shí)為11.83×10-5km,監(jiān)測(cè)值為11.14×10-5km;12×10-3km處模擬值為2.70×10-5km,監(jiān)測(cè)值為2.30×10-5km。第三步開(kāi)挖模擬中,坑外地表的沉降值在基坑距離為2×10-3km時(shí)為15.91×10-5km,而實(shí)際監(jiān)測(cè)為16.93×10-5km;17×10-3km處為模擬值1.36×10-5km,監(jiān)測(cè)值為2.10×10-5km。綜合來(lái)看,模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的偏差保持在2.1%～5.9%之間,模擬效果基本吻合,差別較小,驗(yàn)證了研究提出的數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)的可行性與準(zhǔn)確性。另外,為了研究在基坑降水施工中,土體水平移動(dòng)對(duì)支護(hù)樁水平移動(dòng)的影響,研究分析了側(cè)向位移的變化,并對(duì)比了止水帷幕水平移動(dòng)的模擬監(jiān)測(cè)與實(shí)際監(jiān)測(cè)B14點(diǎn),其結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 側(cè)向位移變化情況和止水帷幕水平移動(dòng)模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果

圖3中,1～7分別表示距離基坑1×10-3～13×10-3km;a～c分別表示三步開(kāi)挖的模擬結(jié)果;d～g分別表示三步開(kāi)挖B14點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果。綜合圖3可以看出,在靠近基坑的地方,土體水平位移深度曲線與樁的水平位移曲線較為接近,而在基坑的外圍,土體水平位移最大值出現(xiàn)在12×10-3km深的粉質(zhì)粘土與圓砂礫粘土的交界界面上。第一步開(kāi)挖模擬中,圍樁的水平移動(dòng)模擬數(shù)值在樁頂時(shí)最大,為7.32×10-5km,而實(shí)際監(jiān)測(cè)為6.28×10-5km。第二步開(kāi)挖模擬中,圍樁的水平移動(dòng)模擬數(shù)值在基坑深度為10×10-3km時(shí)最大,為7.94×10-5km,監(jiān)測(cè)值為4.12×10-5km。第三步開(kāi)挖模擬中,圍樁的水平移動(dòng)模擬數(shù)值在基坑深度為12×10-3km時(shí)最大,為11.22×10-5km,而實(shí)際監(jiān)測(cè)值則在1.0×10-2km時(shí)最大,為8.06×10-5km。綜合來(lái)看,數(shù)值模擬的方法對(duì)圍護(hù)水平移動(dòng)模擬效果較好,模擬的數(shù)值在B點(diǎn)監(jiān)測(cè)基本相符,并且變形的趨勢(shì)都一樣。

3 結(jié) 論

為了避免成都軌道交通27號(hào)線一期工程施工中的工程事故發(fā)生,研究依托成都軌道交通27號(hào)線一期工程,引入Abaqus提出了數(shù)值模擬化的監(jiān)測(cè)方法,并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。綜合來(lái)看,結(jié)果表明研究提出的數(shù)值模擬的監(jiān)測(cè)方法與實(shí)際的監(jiān)測(cè)方法誤差維持在2%～5%之間,具備較高的有效性和準(zhǔn)確性。但是,研究實(shí)際劃分土層并不詳細(xì),因此后續(xù)需要精確的土層模擬。