SMW搅拌桩围护基坑的时空效应分析摘 要 在软土基坑开挖施工中,运用时空效应规律,充分调动未开挖部分土体的承载能力,能够有效控制土体位移,保护周边环境,达到安全经济施工的目的。文章以天津地铁1号线营口道车站基坑施工为例,分析在采用SMW水泥土搅拌桩作为围护结构的基坑开挖施工中,如何选择合理的架设支撑时机以及开挖分块,以充分利用时空效应规律,控制基坑内外的变形,取得最大的经济效益。关键词 SMW工法 基坑开挖 结构变形 时空效应1概述 软土地层的基坑工程,在开挖及支撑过程中,每个分部开挖的空间几何尺寸和支护墙体开挖部分的无支撑暴露时间,与周围土体和土体位移有一定的相关性。这就是所谓基坑开挖中时空效应规律。 实践证明,在基坑开挖过程中考虑并运用时空效应规律,能有效合理地利用土体自身的稳定性,控制土体位移而达到保护周边环境的目的。 考虑时空效应的基坑施工方法的主要特点是:根据基坑工程设计所选定的主要施工参数进行分析预测,提出开挖和支撑的施工顺序和施工参数,并利用现场基坑变形的量测测试结果,来反分析土性综合参数反馈设计和施工人员,以对施工顺序和施工参数进行修正。 天津地铁1号线改建项目营口道站位于天津市繁华闹市区南京路与赤峰道、营口道交口处,为1、3号线的换乘车站(见图1)。施工分为A区(3号线基坑)与B、C、D区(1号线)以及附属结构几个部分。其中1号线基坑采用SMW工法水泥土搅拌桩围护结构。B、C区是在A、D区施工完毕后开始施工的。现在以C区的开挖施工为例介绍SMW围护基坑的时空效应分析。
2工程概况及地质条件 营口道车站1号线基坑长194.52m(中心里程K14+159.882),一般地段宽19.9m,窄处11.9m,宽处约44.55m,埋深7.698m(结构高6.01m,覆土1.688m)。C区宽度两端为19.9m,中间为28m,基坑开挖需破除既有营口道站箱体,基坑北侧为南京路4车道路面,南侧为40层津汇广场大楼。采用SMW工法水泥土搅拌桩围护结构(图2),直径为850mm,搅拌桩搭接250mm。桩长分别为13.9m(普通8m深基坑)和17.9m(跨线风道及泵房),桩顶标高为2.5m。型钢间隔插,型钢规格为700mm×300mm×13mm×24mm,惯性矩为201000cm4,型钢间中心距为1200mm。桩顶设1.1×0 8m的混凝土压顶梁连为整体,桩间立面为C20网喷混凝土。在开挖0 8m处架设1道φ600×12mm的钢管横支撑,支撑中间设一道2[28a纵向支撑梁(宽的地段设二道)及一列竖向φ402×12mm的钢管工具柱(工具柱在基坑以下为φ800mm,桩长8m的钻孔灌注桩),支撑特性见表1。场地地质条件和计算参数见表2。
3计算工况划分 由于在基坑施工过程中不可避免的出现临时荷载,取最不利荷载为均布压力P=20KPa。所以在参考文献得知,“m法”能较好的模拟现场实际,围护结构有限元计算时采用“m法”,并根据地质条件和参考文献计算出m值(见表2)。对于围护结构所受到的侧压力,采用水土分算的方法计算确定。 为了提供有效的“SMW”桩预测变形控制值,根据基坑开挖及架撑顺序,将施工划分为3个工况,开挖深度达到4.5m时为工况1,在0.8m处施加支撑为工况2,继续开挖深度达到7.5m时为工况3(7.5m以下采用人工检底),工况简图如图3所示,工况划分如表3。
4时空效应分析与应用 在现场实施过程中,首先通过有限元模拟计算预测各个工况的桩体的最终变形,通过信息化施工监测数据进行验证,根据预测变形量与现场监测数值进行对比计算,探求SMW工法围护基坑的“时空效应”规律,以控制围护结构的变形为主,一方面允许基坑变形进而充分利用周围土体的自稳能力;一方面在确保基坑开挖施工安全的前提下,加快施工进度。 根据开挖和架设支撑的顺序,分别对三个工况进行有限元计算,通过计算结果与实测结果对比进行分析,控制基坑围护桩变形。4.1工况1 由图4可以看出,基坑向下开挖,桩体位移变化逐步增大,有限元计算变形的桩体呈向内的三角形。桩体水平位移最大值在桩顶部为26.6mm。
C区东段的实际监测结果如图5所示,变形规律与计算结果相同,但最大变形仅为12.14mm。主要原因是东段开挖宽度为19.9m,既有营口道车站箱体位于该段,在开挖过程中,主要是破除既有箱体结构,挖土方量不多,很快就开挖到-4.5m处,围护结构的无支撑暴露时间短,因此围护结构变形实测值不大。
4.2工况2 由图6可以看出,架设钢支撑之后,有限元计算桩顶最大控制位移为24.1mm。 实测位移曲线如图7所示,架设钢支撑之后的最大位移由12.14mm减小为9.89mm,表明基坑SMW工法围护桩在受到支撑预加轴力后向土体侧产生了变形。架设支撑后基坑继续向下开挖,随着土体荷载的卸除,顶部受到支撑约束的桩体下段开始发生变形,变形曲线由三角形逐渐变化成弓形。初期桩体位移最大值仍位于桩顶处如图7所示,将其与预测控制计算结果(24 .1mm)相对比,约为其1/2。
4.3工况3 此后继续向下开挖,桩顶处受到预加支撑轴力的作用,变形向基坑外发展,中部桩体继续向内产生位移。此时围护结构变形曲线和最大控制位移如图8所示。
随着基坑开挖到底,围护结构继续变形,但是由于顶部受到支撑约束,实测最终桩体变形曲线如图9所示,最大达到10.22mm。最大位移发生在围护结构中部,即顶面以下5～6m处。监测结果和计算结果对比,变形基本类似,但是实测最大值约为计算值的1/3。
C区西段的实际监测结果如图10,由于西段开挖宽度达到了28m,开挖范围内的既有结构为区间箱体,加之基坑北侧D区已经施工完毕,与C区间留有后浇带,支撑北端需要架设在位于D区主体结构上的传力盒上。由于架设困难,为抢进度,施工方基本上是在开挖几乎到底后才架设钢支撑。图10的实测变形曲线充分显示了“时空效应”的影响,围护结构在未架设钢支撑的情况下,桩顶最大位移为19.08mm。由于基坑南侧为原南京路路面,路基结构密实,地表沉降较小,但是围护结构压顶梁与坑外地表之间产生了近20mm的裂缝。由于在开挖过程中,进行了及时和认真量测,围护结构的变形始终处于监控之中,所以尽管变形偏大,但仍处于控制基准以内,开挖施工是安全的,在现场施工中,通过延缓架设支撑进行大规模土方开挖,缩短围护结构无支撑暴露时间的措施是合理的。
5结论 SMW搅拌桩围护结构变形规律与计算结果相吻合,但是由于型钢刚度较大,实际上实测位移仅为计算值的1/2～4/5左右。 基坑开挖过程中由于现场情况复杂多变,实际上几乎不能做到理论上的“先撑后挖、随挖随撑”等要求,在这个时候就需要充分利用时空效应,通过“理论导向,量测定向,经验判断”,采用有限元计算对围护结构的变形进行预测,针对基坑周边环境对变形的控制标准选择合理的架设支撑的时机,充分利用和调动围护结构和周边土体的自稳能力抗变形能力,避免支撑架设影响开挖进度。但是也必须避免长时间不架设支撑导致基坑外地表沉陷以及基坑失稳的情况发生。参考文献1夏明耀,曾进伦主编.地下工程设计施工手册,北京:中国建筑工业出版社,1999.2972刘俊岩主编.深基坑工程.北京:中国建筑工业出版社,2001.923 崔江余,梁仁旺编著.建筑基坑工程设计计算与施工.北京:中国建材工业出版社,1999.138
