不同支護(hù)形式在地鐵車站基坑中分段應(yīng)用的變形特征分析

王力瑋 申洋 穆保崗

(1.中鐵上海工程局集團(tuán)華海工程有限公司 201101；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 武漢430063；3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京211189)

引言

現(xiàn)有地鐵車站基坑通常為狹長型，大多情況下為順作開挖后施工地下主體結(jié)構(gòu)。在有些情況下，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件差異較大、地面交通狀況限制條件嚴(yán)苛?xí)r，會分段采用地連墻、鉆孔灌注樁及其它多種支護(hù)形式。對于基坑開挖造成地表沉降，Peck[1]曾結(jié)合多個基坑工程的實測數(shù)據(jù)，為基坑開挖問題做出開創(chuàng)性研究。Wang等[2]研究了上海地區(qū)采用不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑的變形性狀。張德富等[3]通過實測數(shù)據(jù)研究了蘇州地鐵1 號線車站基坑的變形性狀，給出了三種典型圍護(hù)結(jié)構(gòu)-地連墻、咬合樁和SMW 圍護(hù)樁的側(cè)移、墻后地表沉降變化范圍及平均值。廖少明等[4]收集了蘇州地區(qū)11 個采用鉆孔灌注樁圍護(hù)、順作法施工的方形基坑及23 個采用地連墻圍護(hù)的長條形地鐵車站基坑的實測數(shù)據(jù)，對比分析了蘇州地區(qū)采用不同擋土結(jié)構(gòu)、不同形狀的大尺度深基坑的變形性狀。但現(xiàn)有研究中關(guān)于狹長型基坑分段應(yīng)用多種支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形的總結(jié)分析尚不多見。

本文依托實際工程項目，選取了集800mm厚地連墻明挖段、800mm 厚地連墻逆作段、φ1000mm@1200 灌注樁明挖段三段于一體的黏性土中狹長型基坑。對依托工程的實際開挖情況及監(jiān)測方案進(jìn)行介紹，選取典型位置，分析了該基坑中不同區(qū)段支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形差異。

1 工程概況

依托工程為江蘇無錫惠山古鎮(zhèn)站地鐵車站基坑，屬于無錫地鐵4 號線一期工程?；涌v向長度約470m，平均寬度約20m，屬于典型的狹長型基坑。基坑標(biāo)準(zhǔn)段深度約16m，盾構(gòu)井段深度18.2m。

該地鐵車站場地上覆軟弱土層，下伏中風(fēng)化石英砂巖。由于基坑縱向長度大，各層土埋深在縱向上差異明顯，尤其在基坑南端頭位置下伏巖層淺埋，縱向地質(zhì)剖面見圖1。在縱向基坑分為明顯的兩段，其中一段巖層埋藏深度較深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm 厚地連墻；另一段巖層埋藏深度較淺，采用鉆孔樁+ 旋噴樁止水帷幕的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical index of soil

此外，在古華山路和龍光路交叉路口位置，為快速恢復(fù)交通，采用了逆作法，即先施工主體結(jié)構(gòu)頂板，頂板澆筑完成后回填并快速恢復(fù)道路。地層分層情況見表1。

如圖2所示，狹長型基坑縱向上分為 3 段：800mm 厚地連墻明挖段、800mm厚地連墻逆作段、φ1000mm @1200 灌注樁明挖段。三段設(shè)計剖面分別如圖3、圖4所示。

逆作基坑先施做地連墻，后澆筑逆作頂板并作為水平支撐，繼而開挖至預(yù)定深度，開挖完成后迭合施做主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻。

圖1 縱向地質(zhì)剖面示意Fig.1 Schematic diagram of longitudinal geological section

圖2 基坑平面(單位：m)Fig.2 Foundation pit plane(unit：m)

圖3 地連墻(灌注樁)明挖段支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 Section of diaphragm wall (cast-in-place pile)open excavation section

圖4 逆作段支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.4 Section of support structure in reverse working section

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測方案

為掌握施工中基坑自身變形及對周邊環(huán)境的影響，對依托工程進(jìn)行了諸多因素監(jiān)控：地連墻頂水平位移、地連墻深層水平位移、地表沉降、支撐軸力、周邊建筑位移及裂縫。本文僅分析地連墻水平位移、地表沉降兩項直接測量數(shù)據(jù)，來分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性。

由于基坑長度較大，相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)繁多，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)分段，選取部分典型截面如圖5所示，監(jiān)測斷面位置如圖2所示。其中，斷面1(對應(yīng)實際工程的43 軸)采用地連墻+內(nèi)支撐支護(hù)。斷面2(對應(yīng)實際工程的48 軸)采用地連墻逆作法支護(hù)。斷面3(對應(yīng)實際工程的52 軸)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)。

圖5 監(jiān)測斷面布置示意Fig.5 Layout of monitoring section

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

現(xiàn)有的大量數(shù)據(jù)表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿墻身的測斜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性影響因素眾多，實際獲得的監(jiān)測結(jié)果與計算變形趨勢有一定出入。為保證數(shù)據(jù)真實性及完整性，此處保留了監(jiān)測數(shù)據(jù)的原有格式，即時間-位移的對應(yīng)關(guān)系，分析一定時間段內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的趨勢。

1.明挖區(qū)地連墻水平位移

圖6a 所示為明挖段內(nèi)支撐基坑地連墻側(cè)向變形趨勢，已完成表層土開挖及混凝土支撐澆筑，并于 2018年 10月 10日開挖第一層土，10月22日完成第一層8m 土方開挖并架設(shè)第二道支撐，11月1日完成16m 深度的土方開挖。

數(shù)據(jù)顯示：10月10日地連墻頂部已有1mm的懸臂式變形。此時未澆筑混凝土支撐，首先開挖深度為2m 的表層土，墻體發(fā)生無支撐懸臂式變形，表現(xiàn)為地連墻上部繞前趾向坑內(nèi)的轉(zhuǎn)動。在澆筑完成混凝土支撐后，地連墻變形模式轉(zhuǎn)換為支撐作用下的墻體柔性變形。10月10日到10月22日，隨著基坑開挖，地連墻向坑內(nèi)方向產(chǎn)生水平位移。數(shù)據(jù)顯示，地連墻水平位移的增大在2m深度受到約束，且在0 到5m 深度區(qū)間內(nèi)，2m 位置為變形曲線極值點(diǎn)，混凝土支撐位于2m 深度，可認(rèn)為支撐與坑底對于地連墻的水平約束作用較大，使墻體發(fā)生中間大、上下小的柔性變形。

根據(jù)圖6b，與之對應(yīng)的另一側(cè)地連墻變形，同樣存在向坑內(nèi)的位移，且2m 深度點(diǎn)有支撐的約束效應(yīng)。對比圖6a和6b曲線可知，2018年10月 22日至 11月 1日，斷面 1 北側(cè)地連墻 2m深度表現(xiàn)的是水平位移明顯受到約束，而同時南側(cè)地連墻2m 深度的水平位移表現(xiàn)的依然向坑內(nèi)持續(xù)增加，該斷面的趨勢是整體向基坑北側(cè)移動。

本文數(shù)據(jù)初步說明，使用對撐的狹長型基坑，即使兩側(cè)設(shè)計工況完全相同，受到不同地質(zhì)條件、施工條件和周邊環(huán)境的影響，實際的變形并不完全對稱，基坑兩側(cè)變形的不對稱性通過支撐傳遞并協(xié)調(diào)變形。

2.逆作區(qū)地連墻水平位移

圖7a、b 所示為逆作斷面南北兩側(cè)地連墻變形曲線。兩者表現(xiàn)也不完全對稱，北側(cè)變化屬于逐漸增加后穩(wěn)定，而南側(cè)則是末期觀測數(shù)據(jù)稍有突變。數(shù)據(jù)顯示，北側(cè)地連墻向坑內(nèi)最大值為9.32mm，最大值深度為14m；南側(cè)地連墻向坑內(nèi)最大值9.43mm。從北側(cè)地連墻變形曲線可以看出：0m、2.5m、5m 及 8m深度位置存在水平約束。根據(jù)工程實際情況，可認(rèn)為是剛性混凝土路面、1000mm×1000mm 混凝土冠梁、逆作頂板及鋼支撐坑底約束了地連墻的水平位移。

圖6 斷面1 明挖區(qū)地連墻側(cè)向變形Fig.6 Lateral deformation of diaphragm wall in open cut area of section 1

圖7 斷面2 逆作區(qū)地連墻側(cè)向變形Fig.7 Lateral deformation of diaphragm wall in reverse working area of section 2

對比明挖地連墻及逆作地連墻開挖變形，以圖6a 與圖7a 為例，發(fā)現(xiàn)明挖基坑與逆作基坑地連墻變形的最大值較為相近，但逆作基坑最大值深度約為14m，明挖段基坑最大值深度 10m。由數(shù)據(jù)形態(tài)可知，圖6a 明挖基坑地連墻水平變形曲線形態(tài)豎向更為均勻，呈中間大、上下小的趨勢，而圖7a 逆作基坑地連墻變形曲線呈現(xiàn)8m 以上緩慢發(fā)展、8m 以下迅速增加的變形特征。

顯示在基坑底部約束剛度比較接近的情況下，逆作法段基坑上部剛度較大的水平支撐(頂板)限制了豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部的水平位移，使最大水平位移值點(diǎn)位置向下轉(zhuǎn)移。

3.明挖區(qū)灌注樁水平位移

圖8給出了鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。自2018年10月26日起始開挖至11月 17日開挖完成，北側(cè)灌注樁的水平位移最大值為5.918mm，最大值深度為7.0m，南側(cè)灌注樁的水平位移最大值為6.025mm，最大值深度為6m。斷面3 灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值小于斷面1 的最大位移值。

此外，地連墻最大位移值發(fā)生在 10.5m 深度處，灌注樁最大位移值發(fā)生在6m～7m深度處。變形曲線特征不同，地連墻變形值呈中間大兩側(cè)小的形狀，而斷面3 的灌注樁變形呈上部大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體平移的趨勢。這是由于斷面3 的灌注樁等效抗彎剛度大于地連墻，灌注樁發(fā)生剛性變形的趨勢更大。

根據(jù)圖9數(shù)據(jù)，地連墻底位移始終在0～1.7mm 區(qū)間內(nèi)移動，且坑底深度16m 以下，地連墻變形在開挖后4 天的10月 14日即趨于收斂；相比之下，10月 26日至 11月 25日，鉆孔灌注樁底始終向坑內(nèi)移動，其中，10月 30日至 11月 6日，樁頂位移約 2mm，樁底位移約1.8mm，灌注樁發(fā)生了整體偏移。整個開挖過程中，灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)坑底深度16m 以下與坑底以上的變形增量接近。

圖8 斷面3 明挖區(qū)灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形Fig.8 Lateral deformation of cast-in-place pile in open excavation area of section 3

圖9 明挖區(qū)地連墻段與灌注樁段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形Fig.9 Deformation of retaining structure of diaphragm wall section and cast-in-place pile section

可以認(rèn)為，相比于地連墻，鉆孔灌注樁具有圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部向坑內(nèi)平移的特點(diǎn)。

2.3 地表沉降變形分析

地表沉降量作為地鐵施工監(jiān)測中可以直接獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對評估地鐵基坑施工產(chǎn)生基坑變形及周邊所受影響有重要價值。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，地表沉降具有兩種典型變形特征。如圖10a 為800m 地連墻明挖基坑地表沉降變化曲線。數(shù)據(jù)顯示，各個日期的地表沉降曲線均在距離側(cè)墻5m 位置下沉最大，其中，該點(diǎn)在2018年10月12日累計沉降值為7.335mm，為所示時間段內(nèi)沉降最大值。距離側(cè)墻 2m、5m、10m、18m、26m 的平均累計沉降量為-2.904mm、-5.812mm、-4.565mm、-4.251mm、-0.888mm。

數(shù)據(jù)表明，隨離基坑距離增加，地表沉降呈現(xiàn)先增后減的趨勢，且現(xiàn)有的5 個監(jiān)測點(diǎn)，距離側(cè)墻5m 位置的監(jiān)測點(diǎn)具有最大的沉降值。

圖10b 為逆作斷面沉降變形曲線，數(shù)據(jù)選取同地連墻變化的相應(yīng)時間段。數(shù)據(jù)顯示，2018年10月26日，沉降值呈中間大、靠近及遠(yuǎn)離基坑的位置沉降小的趨勢。隨開挖進(jìn)行，距離基坑最近的2m 位置點(diǎn)沉降速度加快，并在整體沉降曲線趨勢上呈現(xiàn)“S”型。所示數(shù)據(jù)中，距基坑2m、5m、10m、18m、26m 位置點(diǎn)對應(yīng)的沉降平均值分別為-0.36mm、0.87mm、0.2mm、-1.67mm、-0.45mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，沉降平均最大的點(diǎn)為距基坑18m 位置。

圖10c 所示為灌注樁沉降變形曲線，變形趨勢與地連墻段基坑外地表沉降規(guī)律相同。結(jié)合圖10a～圖10c 發(fā)現(xiàn)，對于明挖基坑如地連墻及灌注樁明挖基坑，沉降趨勢符合隨離基坑距離的增加先增大后減小的規(guī)律，但逆作基坑與該變形趨勢存在差異。

考慮到逆作區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移在頂板以上受到限制，靠近基坑邊緣的土體沉降受到約束，距離基坑一定距離位置沉降才開始逐漸增大。可以認(rèn)為，逆作法中，由于水平位移特征的不同，導(dǎo)致了地表沉降的變形趨勢區(qū)別于明挖基坑。

圖10 地表沉降曲線Fig.10 Surface settlement curve of

3 結(jié)論

基于無錫地鐵4 號線惠山古鎮(zhèn)站依托工程，根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的不同選取了地連墻明挖斷面、地連墻逆作斷面、灌注樁明挖斷面3 個斷面類型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。分析結(jié)果如下：

1.逆作基坑的變形特性

逆作段支護(hù)斷面變形特征區(qū)別于明挖段支護(hù)結(jié)構(gòu)。由于逆作法施工上部剛度較大的水平支撐對地連墻的水平位移存在強(qiáng)力約束作用，逆作基坑地連墻變形曲線呈現(xiàn)上部的水平位移緩慢發(fā)展，以下迅速增加的變形特征。

相比較明挖段，逆作法段周邊地表沉降值最大點(diǎn)更加遠(yuǎn)離基坑開挖面，并在整體沉降曲線趨勢上呈現(xiàn)“S”型。

2.鉆孔灌注樁、地連墻變形對比

采用分段支護(hù)的地鐵車站基坑，鉆孔灌注樁的水平位移主要發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部，而地連墻水平位移則呈現(xiàn)中間大、兩端小的趨勢。上述特征主要與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的線剛度和地質(zhì)條件有關(guān)。