木墩河截流管道基坑开挖支护的数值模拟分析

李向群，林思鹏

吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118

随着本国经济的高速发展,各类城市建筑物拔地而起,随着各类项目的复杂性提高,基坑开挖支护的要求也逐渐提高.基坑开挖的危险性较高,其支护的可靠性尤为重要,本文将对木墩河某基坑各阶段的开挖及支护用MIDAS GTS NX进行分析.

1 工程概况及地形地貌

木墩河截流管道基坑的开挖为深圳市光明区全面消除黑臭水体治理工程的重要一环,全长为222.11 mm.包括检查井4座,截流管中线距离龙大高速边坡坡脚最近约10 m,距离坡顶最近为14 m.此基坑的最大开挖深度为6.1 m,平均开挖深度5.8 m.新陂头片区位于深圳市光明区北部,共有16条水系+15湖塘,其中水系最长2 870 m,最短200 m,大多数没有相应护岸设施.地貌为深圳市西北的台地地貌,地面高程多在9 m～25 m,仅局部水系源头高程达40 m.

2 工程地质条件

根据现场地质勘察及相关的室内土工试验分析,场地自上而下的地层依次为第四系(Qml)人工填土层,第四系冲洪积(Qal+pl)淤泥质土、粉(砂)质黏土、粉细砂、中粗砂、砾砂,第四系残积(Qel)粉质黏土、砂质粘性土层,侏罗系下统桥源组(Jq)粉砂岩、泥岩、及加里东期侵入岩(ηγ01).其各层土质的物理力学参数见表1.

表1 物理力学参数Table 1 Physical mechanics parameters

2.1 填土层

填土:该层广泛分布,成分复杂,有素填土、杂填土等,除位于道路下的外,其余多呈松散状且尚未完成自重固结,具中～高压缩性,均匀性较差,工程性能较差[1],易产生不均匀沉降变形.

2.2 软土层

淤泥质土:仅在工程区局部出现,冲洪积而成,土质均匀,粘性较好,高压缩性,工程性能较差,易产生不均匀沉降变形.

2.3 残积土及风化岩

(1) 粉砂岩及泥岩残积土. 土质不均,粘性较好,但开挖扰动、浸水状态下,强度、承载力骤减.

(2) 花岗岩残积土. 土质不均,粘性较好[2],但开挖扰动、浸水状态下,极易.崩解,强度、承载力骤减.

(3) 全风化岩. 岩芯呈坚硬土状及半岩半土状、局部夹块状,具低压缩性和较高强度,工程性质良好.浸水状态下,极易崩解,强度、承载力骤减.

(4) 强风化岩. 岩芯呈坚硬土状及半岩半土状、局部夹块状,具低压缩性和较高强度,工程性质良好.

3 基坑设计方案

新建截流管(W83～W86)平行龙大高速敷设,采用明挖法施工.W 83～W 84,管径为1 200 mm,长度为26.93 m,坡度为3 ‰;W 84～W 85,管径为1 200 mm,长度103.19 m,坡度为0.8 ‰;W 85～W 86,管径为1 200 mm,长度91.99 m,坡度为0.8 ‰.截流管总长约222.11 m,包括检查井4座,最大开挖深度6.1 m,平均开挖深度5.8 m.管道支护情况见表2，拉森钢板桩支撑见图1，拉林钢板桩和支撑大样见图2，围护结构平面布置见图3.

表2 管道支护情况Table 2 Pipeline support situation

图1 拉森钢板桩支撑图Fig.1 Larsen steel sheet pile support diagram

图2 拉森钢板桩和支撑大样图Fig.2 Large drawing of Larsen steel sheet pile and support

图3 围护结构平面布置图Fig.3 Plan layout of enclosure

4 结构数值模拟分析

4.1 数值模型的建立

为进一步分析截流管(W 83～W 86)临近龙大高速管槽支护方案的合理性,采取有限元数值模拟对其进行分析.本次数值模拟分析软件采用MIDAS GTS NX进行计算,该软件目前广泛应用在岩土工程的各个领域[3].三维有限元模型建立的模型尺寸为:240 m(长)×60 m(宽)×24 m(高),三维计算模型共划分为9.82万个单元.

4.2 计算参数的取值

截流管(W 83～W 86) 临近龙大高速管槽支护方案三维数值计算中的具体几何参数为实际设计值,物理力学参数地勘和设计文件选取[4](见表3).

表3 物理力学参数取值Table 3 Physical and mechanical parameters

在计算过程中,各土层采用的模型为摩尔-库伦弹塑性本构模型,检查井侧壁和底板、截流管管壁、钢管支撑、钢腰梁、钢板桩[5]采用弹性模型.其中,土体单位为三维实体单元;检查井侧壁、底板、截流管管壁及钢板桩采用二维板单元;钢管支撑、钢腰梁用一维板单元.

4.3 数值模拟分析阶段

4.3.1 第一个阶段 施工钢板桩,基坑开挖至第一道支撑底以下0.5 m

图4为施工钢板桩后,基坑开挖至第一道支撑底以下0.5 m时,龙大高速的水平和竖向位移云图.

图4 第一阶段水平与竖向位移云图Fig.4 Horizontal and vertical displacement clouds in the first stage

从图中可以看出,工况二施工阶段,龙大高速最大竖向位移1.80 mm,最大水平位移0.56 mm.满足规范要求(小于10 mm).管道基坑水平最大位移2.47 mm,管道基坑周边地表竖向位移最大值为5.94 mm,基坑隆起最大值为6.64 mm,管道基坑变形均满足规范要求.

4.3.2 第二个阶段 施工第一钢腰梁及钢支撑

图5为施工第一钢腰梁及钢支撑,龙大高速的水平和竖向位移云图.

图5 第二阶段水平与竖向位移云图Fig.5 Horizontal and vertical displacement clouds in the second stage

从图中可以看出,工况三施工阶段,龙大高速最大竖向位移1.87 mm,最大水平位移0.58 mm.满足规范要求(小于10 mm).管道基坑水平最大位移2.57 mm,管道基坑周边地表竖向位移最大值为6.19 mm,基坑隆起最大值为6.90 mm,管道基坑变形均满足规范要求.

4.3.3 第三个阶段

待第一道钢腰梁和钢支撑施工完,开挖至第二道支撑以下0.5 m. 图6为待第一道钢腰梁和钢支撑施工完,开挖至第二道支撑以下0.5 m,龙大高速的水平和竖向位移云图.

图6 第三阶段水平与竖向位移云图Fig.6 Horizontal and vertical displacement clouds in the third stage

从图中可以看出,工况四施工阶段,龙大高速最大竖向位移1.61 mm,最大水平位移0.74 mm.满足规范要求(小于10 mm).管道基坑水平最大位移2.81 mm,管道基坑周边地表竖向位移最大值为4.28 mm,基坑隆起最大值为6.14 mm,管道基坑变形均满足规范要求.

4.3.4 第四个阶段 施工第二钢腰梁及钢支撑

图7为施工第二钢腰梁及钢支撑,龙大高速的水平和竖向位移云图.

图7 第四阶段水平与竖向位移云图Fig.7 Horizontal and vertical displacement clouds in the fourth stage

从图中可以看出,工况五施工阶段,龙大高速最大竖向位移1.64 mm,最大水平位移0.75 mm.满足规范要求(小于10 mm).管道基坑水平最大位移2.81 mm,管道基坑周边地表竖向位移最大值为4.43 mm,基坑隆起最大值为5.99 mm,管道基坑变形均满足规范要求.

4.3.5 第五个阶段 待第二钢腰梁及钢支撑施工完,开挖至基坑底

图8为待第二钢腰梁及钢支撑施工完,开挖至基坑底,龙大高速的水平和竖向位移云图.

图8 第五阶段水平与竖向位移云图Fig.8 Horizontal and vertical displacement clouds in the fifth stage

从图中可以看出,工况六施工阶段,龙大高速最大竖向位移1.57 mm,最大水平位移1.03 mm.满足规范要求(小于10 mm).管道基坑水平最大位移5.41 mm,管道基坑周边地表竖向位移最大值为2.44 mm,基坑隆起最大值为12.4 mm,管道基坑变形均满足规范要求.

5 结论

截流管(W 83～W 86)段临近龙大高速管槽支护方案采用钢板桩+两道内支撑,该方案总体设计合理、思路清晰.通过以上计算分析,可以得出以下结论:

(1) 管槽深约6.0 m,围护结构采用拉森钢板桩Ⅳ型(400×290×13),桩长L=12 m;竖向采用两道钢支撑(Φ426,t=9).管道基坑施工阶段,管槽周边水平最大位移为5.41 mm,管槽周边地表竖向位移最大值为6.19 mm,基坑隆起最大值为12.4 mm,变形均满足规范要求.新建截流管管槽支护方案合理可行.

(2) 根据有限元计算分析,管槽施工阶段龙大高速最大沉降约1.87 mm,最大水平位移约1.03 mm,满足规范要求.

(3) 木墩河综合治理工程新建截流管(W 83～W 86)段临近龙大高速管槽支护方案总体设计布局和施工方案选择合理,符合国家和广东省相关法律法规、标准规范的要求.