土巖組合地層明挖基坑樁撐體系設(shè)計(jì)優(yōu)化

雷 剛， 賀彥衛(wèi)， 張曉霞， 周 強(qiáng)， 張 慶

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院， 杭州 310000； 2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037； 3.青島地鐵集團(tuán)有限公司， 青島 266000； 4.上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司， 上海 200093)

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的飛速發(fā)展，地鐵工程建設(shè)也迅速崛起，大量的地鐵車站深基坑工程層出不窮?；由疃鹊脑黾?，對(duì)其支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求也隨之增高。因而，對(duì)地鐵車站深基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)是保障基坑安全、經(jīng)濟(jì)的重要環(huán)節(jié)。

青島區(qū)域具有明顯的土巖組合地質(zhì)構(gòu)造特征，土巖組合地質(zhì)在基坑設(shè)計(jì)中具有十分復(fù)雜的特性，具體體現(xiàn)為上覆土體與下部巖層剛度差異明顯，且下部巖層起伏明顯，風(fēng)化差異較大。下部的斷層及破碎帶分布也為基坑設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難[1]。

目前，諸多學(xué)者對(duì)土巖組合基坑支護(hù)體系展開了分析研究，并取得了一些成果。劉紅軍等[2]依據(jù)具體工程開展了樁錨支護(hù)和吊腳樁兩種支護(hù)形式的變形研究，并提出了合理的排樁間距、剛度和嵌巖深度。劉濤等[3]探討了青島區(qū)域土巖組合地層的設(shè)計(jì)形式，認(rèn)為存在土巖組合基坑圓弧-平面破壞和圓弧破壞這兩種破壞模式。祝文化等[4]對(duì)排樁+內(nèi)支撐支護(hù)的土巖組合基坑進(jìn)行模擬，探討了在不同支護(hù)形式下坑外地表沉降和排樁的水平位移情況。楊金華等[5]以武漢土巖組合地層狹長(zhǎng)形深基坑為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了支撐體系軸力和樁體位移，總結(jié)出了該類基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形的變化規(guī)律。伊?xí)詵|等[6]通過(guò)研究認(rèn)為土巖地層交界面是造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)“急劇”變形的主要位置。林佑高等[7]提出基坑設(shè)計(jì)可采取分層支護(hù)的支護(hù)形式，下層性質(zhì)較好的巖層采用噴錨支護(hù)，上層性質(zhì)較差的巖土層采用無(wú)支撐雙排樁支護(hù)，并且上下基坑間預(yù)留巖肩。黃敏等[8]對(duì)土層厚度、支護(hù)樁嵌入巖層的相對(duì)深度、錨桿布設(shè)、巖層組成及開挖方式等不同條件下土巖組合基坑開挖引起的地表沉降特征進(jìn)行了整體分析。蔡景萍[9]通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，探討了土巖組合地層地鐵深基坑開挖引起的地表變形規(guī)律。

地鐵車站多位于城市中心，周圍建筑物密集，環(huán)境復(fù)雜多樣，從而對(duì)基坑變形要求較高。而支撐體系的設(shè)計(jì)，對(duì)于基坑變形控制及受力特性具有重要意義。因此，在具體工程中對(duì)支撐體系進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)節(jié)約成本、增強(qiáng)穩(wěn)定性具有重要意義?，F(xiàn)在土巖組合深基坑的研究基礎(chǔ)上，以青島地鐵1號(hào)線土巖組合明挖車站基坑為背景，通過(guò)理論分析、有限元模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，研究支撐體系中不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。

1 土巖組合基坑變形特征

目前對(duì)純土體的一元結(jié)構(gòu)基坑施工引起坑外地層變形理論和經(jīng)驗(yàn)的研究已經(jīng)比較成熟，但是在較特殊的土巖二元結(jié)構(gòu)地區(qū)研究還比較少。深基坑由于巖土體自重應(yīng)力的釋放，最終導(dǎo)致基坑發(fā)生變形。相關(guān)研究表明：在土巖組合地層基坑開挖時(shí)，當(dāng)樁體變形曲線呈上大下小的梯形分布時(shí)，地表沉降曲線呈不規(guī)則的偏態(tài)分布；當(dāng)樁體變形曲線呈上大下小的三角形分布時(shí)，地表沉降為光滑的曲線，如圖1所示。對(duì)僅有中風(fēng)化和微風(fēng)化的巖層存在的基坑而言，開挖影響范圍大約相當(dāng)于2.5倍土層厚度[10]；對(duì)存在強(qiáng)風(fēng)化巖層的基坑而言，基坑開挖影響范圍大約相當(dāng)于4倍的土層厚度。

h為基坑開挖深度；d為土層厚度；ymax為樁體變形最大值；δmax為地表沉降變形最大值

樁體產(chǎn)生最大位移的位置隨著開挖深度的增大而向底部移動(dòng)，當(dāng)基坑開挖結(jié)束時(shí)，樁體最大變形位置為距離基坑底部3～5 m處。圍護(hù)樁體產(chǎn)生了顯著的應(yīng)力集中區(qū)，且圍護(hù)樁樁體變形在開挖初為向坑內(nèi)前傾，當(dāng)開挖到一定深度時(shí)變?yōu)楣ぷ中吻€。

開挖過(guò)程中，當(dāng)支撐開始起作用時(shí)，支撐會(huì)承受大部分的力，隨著開挖不斷加深，各道支撐逐漸開始承受荷載，圍護(hù)樁身和冠梁受力更加均勻。當(dāng)前一道支撐開始受力時(shí)，后面雖然單次開挖深度與前一段開挖距離相當(dāng)，但每次的位移增量逐漸減小，說(shuō)明樁撐體系能很好地進(jìn)行協(xié)同受力工作。

2 基坑樁撐體系設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化研究

溝岔村站地處青島市城陽(yáng)區(qū)，車站呈南北向布置，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.9 m，開挖深約17.89 m。該車站采用明挖法施工，采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)方式。本節(jié)將利用數(shù)值分析軟件著重對(duì)青島地鐵1號(hào)線明挖基坑典型車站樁撐支護(hù)體系受力機(jī)理、變形特性及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，研究支撐位置和支撐水平間距對(duì)基坑變形和穩(wěn)定的敏感程度，建立的模型如圖2、圖3所示。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Computational model

圖3 模型支撐布置Fig.3 Support arrangement

2.1 支撐位置對(duì)基坑的影響

在深基坑設(shè)計(jì)過(guò)程中，首道支撐的位置對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要意義，恰當(dāng)?shù)卮_定首道支撐的位置對(duì)后續(xù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形控制十分關(guān)鍵。本節(jié)主要選取了距離基坑頂部0.5、1.5、2.5 m三種不同的首道支撐位置進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，墻體頂部的水平位移和首道支撐與頂部的距離呈正相關(guān)，支撐從0.5 m下移至1.5 m時(shí)，頂端位移增加了83%；繼續(xù)下移至2.5 m時(shí)，墻體位移增大了49%。由此可見(jiàn)，首道支撐的位置是決定墻體水平位移的關(guān)鍵因素。首道支撐位于0.5 m時(shí)，對(duì)于墻體水平位移的限制最明顯。當(dāng)首道支撐位置由0.5 m下移至2.5 m時(shí)，墻體的彎矩也有小幅度的減小。而首道支撐位置的變化對(duì)于墻后的地表沉降影響也比較明顯。隨著支撐位置的降低，地表沉降逐步增大。這主要是由于墻體位移帶動(dòng)了墻后土體的沉降。而基坑隆起并不受首道支撐位置的影響。

表1 首道支撐不同位置對(duì)應(yīng)的內(nèi)力與變形最大值

從以上分析可知，合理地布置首道支撐的位置對(duì)基坑的水平側(cè)移有著較為顯著的影響。首道支撐的位置是影響墻體頂端的水平位移、墻體的內(nèi)力及地表沉降的關(guān)鍵因素，而基坑隆起幾乎不受影響。通過(guò)綜合分析，在該工程中，基坑首道支撐的位置位于距離基坑頂部0.5 m時(shí)，其對(duì)土體位移和墻體內(nèi)力的控制效果最優(yōu)。

2.2 支撐水平間距對(duì)基坑的影響

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，支撐的水平間距也對(duì)基坑整體穩(wěn)定性具有一定影響，在保證基坑穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，合理地選取支撐的水平間距對(duì)施工的便利性和工程的經(jīng)濟(jì)性有著重要意義。本節(jié)主要選取了支撐水平間距3.0、4.5、6.0、9.0、12.0 m 5種工況進(jìn)行分析，支撐間距6.0 m時(shí)的位移云圖如圖4、圖5所示。在墻體的厚度和支撐道數(shù)一定的情況下，不同支撐水平間距對(duì)基坑變形影響如表2所示。

圖4 支撐的豎向位移Fig.4 Vertical displacement of support

圖5 支撐的整體位移Fig.5 Overall displacement of support

表2 支撐不同水平間距所對(duì)應(yīng)的基坑變形的最大值

從表2中可以看出，墻體的變形和內(nèi)力與支撐的水平間距呈正相關(guān)。當(dāng)支撐水平間距由3.0 m增加到6.0 m時(shí)，墻體位移由12.5 mm增長(zhǎng)到了 15.9 mm，漲幅27%；支撐水平間距由6.0 m增加到12.0 m時(shí)，增長(zhǎng)了34%。由此可見(jiàn)，支撐水平間距越大，會(huì)造成墻體位移增大，且增幅增多。間距的不斷增大，會(huì)對(duì)墻體位移的控制效果急劇減弱。這是由于支撐水平間距的增大，導(dǎo)致支撐體系整體剛度減小，從而使基坑變形增大。隨著水平支撐間距的增大，墻體的正彎矩和負(fù)彎矩也逐漸從小變大，但增幅較小。水平間距的變化在一定程度上也影響了地表沉降，支撐間距的增大使地表沉降急劇增大，最大可達(dá)15.8 mm，增長(zhǎng)了82%。而基坑底隆起幾乎不受影響。

綜上所述，支撐水平間距是影響墻體水平側(cè)移和地表沉降的關(guān)鍵因素，對(duì)墻體內(nèi)力的影響次之，坑底隆起幾乎不受影響。而在實(shí)際施工中，當(dāng)支撐水平間距過(guò)小時(shí)，不利于施工機(jī)械的施工，且提高了工程造價(jià)；而當(dāng)水平間距過(guò)大時(shí)，會(huì)造成基坑整體穩(wěn)定性較差。因?yàn)楦鞣N條件影響，支撐水平間距的合理設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的關(guān)鍵性問(wèn)題。該工程支撐的最優(yōu)水平間距為6.0～9.0 m。

2.3 支撐道數(shù)對(duì)基坑的影響

在深基坑支撐設(shè)計(jì)中，除了支撐位置和支撐水平間距會(huì)影響基坑變形，支撐道數(shù)也是影響基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要因素。支撐道數(shù)越多，基坑變形越小，但是當(dāng)支撐過(guò)密時(shí)，支撐道數(shù)得不到充分發(fā)揮，給施工過(guò)程帶來(lái)不便，同時(shí)會(huì)造成資源浪費(fèi)。由此可以得出，合理選取支撐道數(shù)尤為關(guān)鍵。本節(jié)選取了支撐道數(shù)分別為2、3、4三種工況進(jìn)行分析，工況設(shè)定如表3所示。不同支撐道數(shù)對(duì)基坑變形影響如表4、圖6、圖7所示。

表3 不同豎向支撐道數(shù)工況設(shè)定表

表4 不同支撐道數(shù)下地連墻最大水平位移

圖6 不同支撐道數(shù)下地連墻隨工序變化曲線Fig.6 Ground connection wall changes with process under different number of support lanes

圖7 不同支撐道數(shù)下地連墻最大水平位移Fig.7 Maximum horizontal displacement of the wall under different number of support lanes

由表4可以看出，豎向支撐道數(shù)不改變墻體最大水平位移位置，而對(duì)墻體最大位移值影響較大：墻體最大水平位移值與支撐道數(shù)呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)支撐道數(shù)由2道增加至4道時(shí)，地連墻最大水平位移約從31 mm減小至約24 mm，減小20%左右，可見(jiàn)支撐道數(shù)的變化對(duì)墻體水平位移有很大影響。

由表4、圖6和圖7可知，采用2道支撐時(shí)，墻體變形較大，支護(hù)強(qiáng)度明顯不足。由表4中最大位移隨支撐道數(shù)增加變化趨勢(shì)及表7可以看出，由2道支撐增至3道支撐時(shí)，墻體最大位移變動(dòng)幅度很明顯，而增至4道支撐時(shí)，其最大位移值與3道支撐相近。

綜上所述，合理布置支撐道數(shù)對(duì)防止墻體變形有著較為顯著的影響。在保證基坑穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，合理布置支撐道數(shù)對(duì)施工的便利性和工程的經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義。綜合多方面考慮，該工程支撐道數(shù)的最優(yōu)水平為3道。

2.4 支撐剛度對(duì)基坑的影響

在深基坑支撐設(shè)計(jì)中，除了支撐位置和支撐水平間距會(huì)影響基坑變形，支撐剛度對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響也比較大。支撐剛度越大墻體變形越小，但是當(dāng)支撐剛度過(guò)大時(shí)，其強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮，造成支撐體積過(guò)大，給施工過(guò)程帶來(lái)不便，工程造價(jià)隨之提高，會(huì)造成資源浪費(fèi)。因此在實(shí)際的深基坑支撐設(shè)計(jì)中，合理選取支撐剛度顯得尤為關(guān)鍵。鋼筋混凝土的支撐剛度K由EA/LS決定(其中E為混凝土的彈性模量，A為鋼筋混凝土支撐的截面面積，L為支撐長(zhǎng)度，S為支撐的水平間距)。L、S和E為固定值，所以可通過(guò)改變支撐截面面積來(lái)達(dá)到設(shè)置支撐剛度的目的。把支撐截面系數(shù)定義為а，選取了支撐截面系數(shù)а分別為0.25、0.5、0.7、1、2五種工況進(jìn)行分析，工況設(shè)定如表5、圖8所示。不同支撐強(qiáng)度對(duì)基坑變形影響如表6、圖9所示。

表5 不同支撐剛度工況設(shè)定表

圖8 不同剛度的鋼筋混凝土支撐Fig.8 Reinforced concrete support with different rigidity

表6 不同支撐剛度下地連墻最大水平位移表

圖9 不同支撐剛度下地連墻水平位移隨工序變化曲線Fig.9 Curve of horizontal displacement of the wall connected with different support stiffness with process

由表6可以看出，支撐剛度對(duì)墻體最大水平位移位置并沒(méi)有影響，而對(duì)墻體最大位移值影響較大：墻體水平最大位移值隨著支撐剛度的增大而逐漸減小。由表6、圖9可知，當(dāng)支撐截面系數(shù)а由0.25增大到1時(shí)，地連墻最大水平位移從約36 mm減小至約26 mm，減小了30%左右，地連墻結(jié)構(gòu)的變形變化幅度較大，可見(jiàn)增加支撐剛度可有效減小墻體水平位移。這是由于隨著支撐剛度增加，支撐體系的整體剛度增大，繼而增強(qiáng)了控制墻體變形的能力。但是當(dāng)支撐截面系數(shù)a由1增大至2時(shí)，支承剛度對(duì)墻體變形影響很小。

綜上所述，合理選擇支承剛度對(duì)防止墻體變形有著較為顯著的影響。在保證基坑穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，合理選擇支撐剛度對(duì)施工的便利性和工程的經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義。綜合多方面考慮，該工程深基坑支撐最優(yōu)的截面系數(shù)為1，對(duì)應(yīng)的截面尺寸為1.2 m×0.7 m。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 地表沉降監(jiān)測(cè)分析

選取青島地鐵1號(hào)線溝岔村站地表沉降進(jìn)行重要測(cè)點(diǎn)跟蹤分析，如圖10所示。

圖10 典型車站地表沉降監(jiān)測(cè)Fig.10 Surface subsidence monitoring of typical stations

由圖10可知，隨著開挖深度的不斷增加，基坑各個(gè)地表沉降點(diǎn)由0 mm到10 mm逐漸增大，且距基坑約5 m遠(yuǎn)處的沉降量為最大。沉降量最大位置并沒(méi)有出現(xiàn)在緊鄰基坑處，而是出現(xiàn)在基坑周圍一定距離處。

發(fā)生上述現(xiàn)象的原因主要是：隨著基坑開挖深度的增加，土的應(yīng)力得到釋放，從而使得墻外主動(dòng)土壓力不斷增大，使墻體向基坑內(nèi)側(cè)偏移。在實(shí)際施工過(guò)程中總是先挖后撐，因此，在未設(shè)置支撐前，墻體已經(jīng)產(chǎn)生了一定的位移。隨著支撐的架設(shè)，連續(xù)墻受到支撐的作用，局部有向基坑外側(cè)延伸的狀況。

3.2 圍護(hù)樁頂豎向位移監(jiān)測(cè)分析

圍護(hù)樁頂豎向位移監(jiān)測(cè)由2017年1月7日—2018年1月21日，取每個(gè)車站相似的時(shí)間節(jié)點(diǎn)連續(xù)3 d監(jiān)測(cè)的平均值作為初始值，如圖11所示。

圖11 典型車站圍護(hù)樁頂豎向位移監(jiān)測(cè)Fig.11 Vertical displacement monitoring of pile cap of typical station

由于土體進(jìn)行開挖，外側(cè)土壓力大于基坑內(nèi)側(cè)土壓力，從而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)向內(nèi)側(cè)產(chǎn)生位移。隨著開挖深度的增加，基坑外側(cè)土壓力逐漸增大，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)向內(nèi)側(cè)的水平位移明顯增加。第二道支撐開始承受荷載后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力增強(qiáng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在支撐作用下產(chǎn)生了向基坑外側(cè)的水平位移，這說(shuō)明支撐在減小基坑水平位移量上發(fā)揮了作用。穩(wěn)定一段時(shí)間后，隨著開挖深度的進(jìn)一步加深，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移又繼續(xù)增大，最終在一定范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)，但基本趨于一個(gè)穩(wěn)定值。該工程圍護(hù)樁樁頂位移(冠梁處)沒(méi)有達(dá)到預(yù)警值，且位移變化趨勢(shì)與理論分析具有一定的相似性。

3.3 支撐軸力監(jiān)測(cè)分析

支撐軸力圖如圖12、圖13所示。

圖12 第一道支撐累計(jì)軸力Fig.12 The first supporting cumulative axial force

圖13 第二、三道支撐累計(jì)軸力Fig.13 The second, third support accumulative axial force

通過(guò)對(duì)比第一道和第二道支撐的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可見(jiàn)，當(dāng)?shù)诙乐尾荚O(shè)之后，減小了第一道支撐的受力，由此可見(jiàn)此時(shí)第二道支撐分擔(dān)了一部分土體荷載，使第一道支撐軸力基本穩(wěn)定。隨著基坑開挖深度的增加，兩道支撐經(jīng)過(guò)和土體相互作用達(dá)到了應(yīng)力平衡，其變化也趨于同步，且位移與內(nèi)力也基本穩(wěn)定。

綜上所述，經(jīng)過(guò)首道支撐位置與水平間距的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基坑位移和墻體內(nèi)力均未超過(guò)設(shè)計(jì)允許的限值，滿足該工程的要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)目前土巖組合地區(qū)地鐵深基坑工程研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，根據(jù)青島地鐵1號(hào)線溝岔村車站深基坑工程項(xiàng)目，采用理論分析、有限元模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，進(jìn)行了不同支撐體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)基坑穩(wěn)定性控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，并得出了如下結(jié)論。

(1)由于青島地區(qū)特殊的上土下巖地質(zhì)狀況，使得其在地鐵車站基坑設(shè)計(jì)和施工時(shí)面臨較大的問(wèn)題。由于樁撐體系穩(wěn)定性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，因此在地鐵車站支護(hù)中應(yīng)用較廣，土巖組合樁撐體系設(shè)計(jì)優(yōu)優(yōu)化研究可為日后類似的工程提供一定的參考。

(2)首道支撐的位置是影響墻體水平位移、墻體的內(nèi)力及地表沉降影響的關(guān)鍵因素，而坑底隆起幾乎不受影響。該工程首道支撐位于0.5 m時(shí)，其對(duì)墻體位移和內(nèi)力的控制效果最優(yōu)。

(3)支撐的水平間距大小決定著支撐體系的整體穩(wěn)定性。支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，在各種條件因素限制下，合理選擇支撐水平間距是重要考慮要素。該工程最優(yōu)水平間距為6.0～9.0 m。

(4)合理布置支撐道數(shù)對(duì)防止墻體變形有著較為顯著的影響。在保證基坑穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，合理布置支撐道數(shù)對(duì)施工的便利性和工程的經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義。綜合多方面考慮，該工程支撐道數(shù)的最優(yōu)水平為3道。

(5)經(jīng)過(guò)首道支撐位置與水平間距的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基坑位移和墻體內(nèi)力均未超過(guò)設(shè)計(jì)允許的限值，滿足該工程的要求。