近接高鐵橋墩車站基坑地連墻變形及彎矩分布規(guī)律

彭旸 段志宏 陸志明 張凱

【摘要】

文章依托深圳市城市軌道交通12號線和平站基坑工程，提出5種鄰近橋墩的地下連續(xù)墻變形模式：直線型、拋物線型、上反彎型、下反彎型和凹凸型?；谑┕崪y數(shù)據(jù)，對不同開挖深度下地下連續(xù)墻的變形特性進行了研究。研究表明：隨著下穿段開挖深度的增大，地下連續(xù)墻最大變形的方向存在由向坑內(nèi)到向坑外的轉(zhuǎn)變;最大坑內(nèi)變形主要發(fā)生于地下連續(xù)墻中部范圍內(nèi)，最大坑外變形主要發(fā)生于地下連續(xù)墻鄰近地表處;最大日變形量大多都小于1mm。

【關(guān)鍵詞】地鐵車站; 變形分類; 彎矩反分析

【中國分類號】U231.3【文獻標(biāo)志碼】A

1976年，Goldberg等[1]對大量的工程案例進行研究，基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形主要由四種基本變形模式組合而成：平動、繞墻趾轉(zhuǎn)動、繞墻頂轉(zhuǎn)動和近似拋物線的變形，見圖1。其中前3種變形主要發(fā)生在剛性圍護結(jié)構(gòu)中，第4種主要發(fā)生在柔性圍護結(jié)構(gòu)中。

1990年，Clough與O’Rourker[2]將帶內(nèi)支撐或拉錨體系的圍護結(jié)構(gòu)的變形類型劃分為懸臂型、內(nèi)凸型和復(fù)合型，見圖2。懸臂型一般發(fā)生于基坑開挖后尚未設(shè)置頂部支撐的情況;當(dāng)頂部支撐施作后，圍護結(jié)構(gòu)頂部位移受到約束，最大變形發(fā)生于中部，表現(xiàn)為內(nèi)凸型;復(fù)合型則是兩種情況的組合。

龔曉南[3]在大量工程經(jīng)驗基礎(chǔ)上，將基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形分為4種類型：弓形、深埋型、前傾型與踢腳型，見圖3。其中弓形與踢腳型發(fā)生于深厚軟土、且埋深較淺的地層條件下，深埋型適用于圍護結(jié)構(gòu)插入地層較深的情況，前傾型則存在于未設(shè)置支撐的基坑中。

李煒明等[4]對某城市地鐵車站異形深基坑地下連續(xù)墻的測斜結(jié)果進行了統(tǒng)計，將異形基坑地下連續(xù)墻的變形類型分為往復(fù)型、懸臂型和反彎型三種，并根據(jù)坑內(nèi)、坑外位移的相對大小，將反彎型細分為a、b、c三種類型，見圖4。往復(fù)型主要分布于基坑短邊及拐角附近，懸臂型主要分布于標(biāo)準(zhǔn)段未進行土體加固的區(qū)域中。

1 依托工程

1.1 基本概況

深圳市城市軌道交通12號線和平站位于橋和路與松福大道交叉口，車站沿橋和路呈東西方向敷設(shè)。車站屬于地下兩層島式車站，主體結(jié)構(gòu)采用單柱雙跨框架式結(jié)構(gòu)形式，以明挖順作的方式開展施工。由于松福大道上跨新建成的穗莞深城際鐵路四線高架橋，導(dǎo)致該高架橋30#橋墩和31#橋墩緊鄰和平站主體結(jié)構(gòu)，和平地鐵站圍護結(jié)構(gòu)到30#和31#墩承臺最近距離分別為7.8 m、19.6 m。車站與兩橋墩的相對位置見圖5。

1.2 工程地質(zhì)條件

和平站原始地貌為濱海灘涂，現(xiàn)已被人工堆填整平為市政道路，地面高程一般在 3.16～3.85 m之間。車站范圍內(nèi)地層主要包括素填土、填塊石、淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化混合花崗巖等。由于本工區(qū)車站、區(qū)間地段分布了具有軟土性質(zhì)的淤泥，其結(jié)構(gòu)松軟，承載力低，含水量高，孔隙比大，滲透性低，承載力低，容易產(chǎn)生觸變、流變，容易引起地基變形和失穩(wěn)。

1.3 支護結(jié)構(gòu)及橋墩保護方案

下穿穗莞深段采用1 200 mm厚地下連續(xù)墻，基坑橫斷面共設(shè)置五道支撐+一道換撐，第一道為“米”字混凝土撐+中立柱的形式;第二至第五道支撐采用“一”字鋼支撐+中立柱的形式，并設(shè)置了鋼圍檁和鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)。鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)可以通過實施監(jiān)測并調(diào)整鋼支撐軸力的大小來控制圍護結(jié)構(gòu)變形，進而達到保護坑外鄰近建筑物的目的，其安裝于鋼支撐兩端的支撐頭總成見圖6。

下穿穗莞深段橫剖面見圖7。為對穗莞深城際鐵路高架橋進行保護，在基坑圍護結(jié)構(gòu)與高架橋基礎(chǔ)之間采用了隔離樁+旋噴樁的保護方案。

1.4 監(jiān)測點布置

在和平站基坑施工過程中，工程人員在地下連續(xù)墻中埋設(shè)了測斜孔以監(jiān)測施工期間地下連續(xù)墻水平位移。地下連續(xù)墻測斜（ZQT）的監(jiān)測點布置見圖8，圖中劃線表示實際施工中該測點的數(shù)據(jù)缺失。

2 地下連續(xù)墻變形模式

基于和平站基坑開挖過程中各地下連續(xù)墻測斜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，參考前述各研究人員關(guān)于地下連續(xù)墻變形的分類思路，將軟土地層中鄰近橋墩的基坑地下連續(xù)墻變形分為五種模式：直線型、拋物線型、上反彎型、下反彎型和凹凸型，見圖9。

直線型和拋物線型的主要特征十分明顯，無需贅述。上反彎型由下部的拋物線與上部的反彎的單調(diào)曲線組成;下反彎型則由上部的拋物線和下部的反彎的單調(diào)曲線組成;凹凸型則由上下兩段拋物線組成。

3 地下連續(xù)墻變形規(guī)律分析

和平站采取了多種地層變形控制措施，下穿段為整個基坑工程的控制段，非下穿段為標(biāo)準(zhǔn)段。本節(jié)將針對控制段地下連續(xù)墻在基坑開挖過程的變形規(guī)律進行分析探究。

3.1 最大變形幅值分布

下穿段地下連續(xù)墻最大坑內(nèi)位移δi、最大坑外位移δo與基坑開挖深度He的關(guān)系，分別如圖10、圖11所示。

由圖可知：直線型僅發(fā)生在初始開挖，開挖深度為0.5 m的工況中;拋物線型在開挖深度在11.5 m以內(nèi)的工況中都有出現(xiàn);上反彎型在除0.5 m深度以外均有所分布;下反彎型出現(xiàn)在開挖深度為14.5 m和17 m的工況中;凹凸型分布在11.5 m和17 m深的工況中。因此，引起下穿段各類地下連續(xù)墻變形模式的平均開挖深度大體上存在如下大小關(guān)系：直線型<拋物線型<上反彎型<凹凸型<下反彎型。

由圖10可知，下穿段地下連續(xù)墻最大坑內(nèi)變形不超過開挖深度的0.740 %。由圖11可知，最大坑外變形不超過開挖深度的0.26 %。下穿段各類型地下連續(xù)墻的最大坑內(nèi)（外）變形δi（δo）與開挖深度He之比值的均值，如表 1所示。

通過對地下連續(xù)墻最大坑內(nèi)（外）變形δi（δo）與開挖深度He的分析可知，對于不同的地下連續(xù)墻變形類型，最大坑內(nèi)坑外變形有明顯的不同。對于在開挖深度較淺處發(fā)生概率較大的直線型和拋物線型，基坑內(nèi)外變形的最大值較大，且呈現(xiàn)出坑內(nèi)變形大于坑外變形的規(guī)律;對于在開挖深度較深處發(fā)生概率較大的上反彎型、下反彎型和凹凸型，基坑內(nèi)外變形相對較小，且呈現(xiàn)出坑內(nèi)變形小于坑外變形的規(guī)律。由此可見，隨著下穿段開挖深度的增大，地下連續(xù)墻最大變形的方向存在由坑內(nèi)向坑外的轉(zhuǎn)變。

3.2 最大變形值的深度分布區(qū)間

下穿穗莞深段地下連續(xù)墻的最大坑內(nèi)變形對應(yīng)深度Himax、最大坑外變形對應(yīng)深度Homax與開挖深度He的關(guān)系，分別如圖12、圖13所示。

由圖可知，直線型僅出現(xiàn)在開挖深度1 m處，其最大坑內(nèi)（外）位移對應(yīng)深度僅分布在0.5 m、18 m和墻底處。

由圖12可見，對于下穿段地下連續(xù)墻，拋物線型、上反彎型、下反彎型、凹凸型的最大坑內(nèi)位移對應(yīng)深度分別位于[He+1.5，He+15.5]m、[He-3.5，He+7.5]m、[He+6.5，He+9.0]m、[He+4.5，He+7.5]m的區(qū)間范圍內(nèi)。這4種類型的最大坑內(nèi)位移基本分布在基坑開挖面以上。由上述區(qū)間的寬度可知，拋物線型、上反彎型的區(qū)間寬度較大，數(shù)據(jù)的離散性較大;下反彎型和凹凸型的區(qū)間寬度較小，這說明下反彎型和凹凸型的最大坑內(nèi)位移對應(yīng)深度與開挖深度間存在明顯關(guān)聯(lián)。

由圖13可知，最大坑外位移對應(yīng)的深度大部分在0～6.5 m的范圍內(nèi)。拋物線型和上反彎型最大坑外位移對應(yīng)深度與開挖深度無明顯關(guān)系，拋物線型的最大坑外位移主要出現(xiàn)在地下1 m以內(nèi)，而上反彎型最大坑外位移只存在于地表（地下0.5 m）;下反彎型和凹凸型，最大坑外變形對應(yīng)深度分別位于[He-12.0，He-8.0]m、[He-11.0，He-6.0]m區(qū)間中，不考慮與開挖深度的關(guān)系則分別位于[5.0，6.5] m、[3.0，6.0] m的區(qū)間內(nèi)。不考慮開挖深度的情況區(qū)間寬度較小，這說明下反彎型和凹凸型最大坑外位移對應(yīng)深度可能與開挖深度間無明顯聯(lián)系。

下穿段各地下連續(xù)墻測斜孔最大坑內(nèi)（外）變形對應(yīng)深度所在區(qū)間的分布情況，如圖14所示。由圖可知，最大坑內(nèi)變形的出現(xiàn)次數(shù)，隨著深度的增加，先增加后減少，最大坑內(nèi)變形主要發(fā)生于（10，20] m（地表以下2/5～4/5地下連續(xù)墻高度范圍），占比超過了2/3;最大坑外變形僅出現(xiàn)在（0，5] m、（5，10] m、（20，25] m，最大坑外變形主要發(fā)生于（0，5] m（地表以下0～1/5地下連續(xù)墻高度范圍）中。

下穿段基坑開挖工況，如表2所示。下穿段坑內(nèi)、坑外最大日變形量在各工況下的分布，分別如圖15、圖16所示。

由圖可知，下穿段地下連續(xù)墻坑內(nèi)、坑外最大日變形量主要在3 mm、4 mm以內(nèi)?？觾?nèi)和坑外的日變形量，都在工況V時達到最大值6.9 mm，對應(yīng)類型均為上反彎型。工況V開挖的地層為淤泥地層，因淤泥極其軟弱且具有蠕變性，故該工況下地下連續(xù)墻變形發(fā)展很快。

下穿段地下連續(xù)墻最大日變形的分布情況，如圖17所示。由圖可知，絕大部分最大日變形量都位于[0，1） mm區(qū)間內(nèi)，其中，該區(qū)間坑內(nèi)最大日變形占比為78.5 %，坑外則為64.8 %。每日最大日變形量在3 mm以上的占比，坑內(nèi)為4.4 %，坑外為6.7 %。這說明下穿段較好的控制了地下連續(xù)墻的變形，但若最大日變形在3 mm以上時，應(yīng)保持足夠的警惕。

3.4 地下連續(xù)墻變形模式的彎矩分析

基于地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算地下連續(xù)墻的內(nèi)力的彎矩反分析方法，理論已經(jīng)較為成熟，能很好的反映地下連續(xù)墻所受到的彎矩。彎矩反分析的關(guān)鍵在于擬合函數(shù)的選取，本文將采用六次及以上的多項式，利用最小二乘法擬合地連墻變形曲線，具體計算過程參照吳小將等[5]的研究。

5種下連續(xù)墻變形模式的彎矩最大值及最大值所在深度的平均值，如表 3所示。由表可知，地下連續(xù)墻所受到的最大彎矩主要分布在基坑上部;在開挖深度較淺時，引起的直線型與拋物線型，所受彎矩較小;在挖開深度較深時，引起的其他3類地下連續(xù)墻變形類型，所受彎矩較大。其中，上反彎型所受的平均最大彎矩最大，約為最小的直線型的14倍。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)和平站基坑地下連續(xù)墻的測斜結(jié)果，將近接基坑的地下連續(xù)墻變形模式分為：直線型、拋物線型、上反彎型、下反彎型和凹凸型。引起各地下連續(xù)墻變形類型的平均開挖深度從小到大為：直線型<拋物線型<上反彎型<凹凸型<下反彎型。

（2）直線型和拋物線型的最大坑內(nèi)變形整體上大于最大坑外變形，且變形較大，其余三種類型的最大坑內(nèi)變形整體上小于最大坑外變形，且變形較小，其中，凹凸型的最大變形平均值最小。

（3）地下連續(xù)墻最大坑內(nèi)變形主要位于地表以下約2/5～4/5的地連墻高度的范圍內(nèi)，最大坑外位移主要分布于地下1/5倍基坑深度范圍內(nèi)。下反彎型和凹凸型的最大坑內(nèi)位移對應(yīng)深度與開挖深度間存在明顯關(guān)聯(lián)，其余3種類型并不存在這種關(guān)聯(lián)。

（4）最大日變形量大多小于1 mm。這說明下穿段較好地控制了地下連續(xù)墻的變形，但若最大日變形在3 mm以上時，應(yīng)保持足夠的警惕。

（5）地下連續(xù)墻所受到的最大彎矩主要分布在基坑上部;在開挖深度較淺時，引起的直線型與拋物線型，所受彎矩較小;在挖開深度較深時，引起的其他3類地下連續(xù)墻變形類型，所受彎矩較大。

參考文獻

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