填海區(qū)臨地鐵超大直徑圓環(huán)撐基坑變形控制及監(jiān)測分析

喬麗平， 李韻迪， 楊超

(1.深圳市龍崗地質(zhì)勘查局， 深圳 518172； 2.深圳市巖土綜合勘察設(shè)計有限公司， 深圳 518172； 3.五邑大學(xué)土木建筑學(xué)院, 江門 529020)

由于城市建設(shè)的需要，歷史上深圳曾進(jìn)行過多次填海工程，目前寶安中心區(qū)基本上位于原填海區(qū)，隨著城市軌道建設(shè)的發(fā)展，地鐵1號線、11號線相繼貫穿寶安中心區(qū)。由于是填海地區(qū)，整個區(qū)域場地地質(zhì)條件較差，普遍分布著深厚的流塑狀淤泥和強(qiáng)透水砂層，在這些地區(qū)尤其是臨近已運(yùn)營的地鐵隧道進(jìn)行深基坑工程有相當(dāng)?shù)碾y度和風(fēng)險。目前，已有不少專家學(xué)者針對類似工程的變形控制技術(shù)開展了大量研究，喬麗平[1]以榮超后海大廈基坑工程為背景，介紹了地鐵安保區(qū)內(nèi)進(jìn)行深基坑設(shè)計、施工的難點(diǎn)及應(yīng)對措施，采用三維有限元計算分析了基坑開挖的全過程及對地鐵隧道的變形影響。奚家米[2]研究了軟土地區(qū)城市中心區(qū)域基坑開挖內(nèi)支撐軸力變化趨勢以及內(nèi)支撐對道路地表沉降和圍護(hù)頂部變形的影響性狀。李克先等[3]對土巖組合復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁撐體系的變形及受力特性進(jìn)行研究。許建峰等[4]分析了杭州軟土地質(zhì)條件下基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響。徐中華等[5]對鄰近地鐵隧道的軟土深基坑變形實測進(jìn)行了分析。殷一弘[6]詳細(xì)介紹了深厚軟土地層緊鄰地鐵深大基坑分區(qū)設(shè)計思路。喬麗平等[7]介紹了深圳填海地區(qū)、地鐵安保區(qū)內(nèi)某軟土深基坑支護(hù)設(shè)計方案，通過理正單元計算、三維有限元計算對設(shè)計方案進(jìn)行分析驗證，并將計算結(jié)果與第三方實際監(jiān)測結(jié)果作了對比分析，分析表明咬合樁+鋼筋砼支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于地質(zhì)條件較差的軟土深基坑工程中具有較高的可靠度；將第三方實施監(jiān)測數(shù)據(jù)運(yùn)用到三維有限元模擬分析中進(jìn)行反演分析能輔助設(shè)計預(yù)測支護(hù)結(jié)構(gòu)及臨近地鐵隧道的變形，從而更有針對性地調(diào)整支護(hù)措施。喬麗平[8]以深圳百麗大廈基坑工程為例，介紹了在深圳填海地區(qū)、地鐵安保區(qū)內(nèi)進(jìn)行軟土深基坑工程設(shè)計的全過程，包括工程概況、設(shè)計難點(diǎn)分析、方案設(shè)計及計算分析、三維有限元計算分析，并與第三方實際監(jiān)測結(jié)果作了對比分析。本文以寶安中心區(qū)都市茗薈花園(二期)基坑工程為背景，針對填海區(qū)臨地鐵超大直徑圓環(huán)撐軟土深基坑變形控制技術(shù)作了全面介紹，并與實際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，可供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

都市茗薈花園(二期)位于深圳市寶安中心區(qū)新湖路與甲岸路交匯處西側(cè)，場地西北側(cè)為空地，規(guī)劃有圣尚路，場地東北側(cè)緊鄰新湖路，新湖路有地鐵1號線通過(地鐵距用地紅線約15 m，地鐵隧道埋深約15 m)，東南側(cè)緊鄰甲岸路，西南側(cè)緊鄰海秀路(海秀路下有正在運(yùn)營的地鐵11號線，場地距離地鐵最近約11.2 m，地鐵隧道埋深約30.65 m)。項目場地占地面積約32 920 m2，設(shè)計地下室三層，基坑呈不規(guī)則四邊形。基坑開挖深度約13.45 m，基坑周長約755.0 m，面積約26 613.0 m2。

1.2 地質(zhì)條件

基坑所在場地主要巖土層的物理、力學(xué)指標(biāo)見表1，基坑坑底以上主要為雜填土和淤泥層，坑底以下為粗砂、礫質(zhì)黏性土，局部為全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

表1 場地巖土層的主要物理、力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical indexes of each soil layer

1.3 水文地質(zhì)條件

擬建場地地下水主要有兩種類型：一是孔隙潛水，賦存于第四系粗砂層(③2)中，該層透水性較強(qiáng)，厚度較大，分布較廣，為場地主要含水層；二是花崗巖中的風(fēng)化裂隙水，主要賦存于強(qiáng)、中風(fēng)化巖風(fēng)化裂隙中，風(fēng)化巖透水性及富水性受裂隙發(fā)育程度控制，總體上屬于弱透水層。其余各土層屬弱透水層?？辈炱陂g終孔穩(wěn)定地下水位埋深1.40～2.80 m。場地環(huán)境類型為Ⅱ類。地下水位主要受大氣降水的影響，水位隨季節(jié)變化較大。

2 基坑支護(hù)變形控制

2.1 變形控制概念設(shè)計[9]

基坑整體采用排樁+二道鋼筋砼圓環(huán)形支撐(局部采用對撐或角撐支護(hù))，圓環(huán)撐直徑130 m。排樁采用直徑D1200咬合樁，樁間距2.0 m(咬合搭接0.2 m)，樁長根據(jù)各側(cè)地質(zhì)情況而不同。具體支撐布置如圖2所示，典型支護(hù)剖面如圖3所示。針對本場地內(nèi)分布有深厚的粗砂層的特點(diǎn)，對于基坑?xùn)|北側(cè)及南側(cè)，考慮到兩側(cè)均有地鐵通過，對基坑的止水及變形要求非常高，因此基坑?xùn)|北側(cè)、南側(cè)在咬合樁外側(cè)再布設(shè)2～3排高壓旋噴樁作止水帷幕。

圖2 基坑圍護(hù)平面示意圖Fig.2 The plane schematic diagram of foundation pit protection

圖3 基坑圍護(hù)典型剖面圖Fig.3 The typical section of foundation supporting structure

2.2 變形控制理論計算分析[10-12]

整體協(xié)同計算采用理正深基坑7.0軟件進(jìn)行，變形控制計算結(jié)果如圖4～圖6所示，可知：

(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形隨著基坑開挖深度的增加而逐步增大，基坑開挖至坑底的過程中基坑整體最大水平位移約為22.62 mm(圖4)，基坑開挖至坑底后，整體變形最大位置位于基坑兩側(cè)長邊中部圓環(huán)支撐部位。

圖4 基坑開挖至坑底變形圖Fig.4 Deformation of foundation pit from excavation to pit bottom

(2)拆除第二道鋼筋砼對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響較大，拆除第二道鋼筋砼支撐后基坑最大變形增量11.03 mm；拆除第一道鋼筋砼支撐對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響較小。

(3)基坑開挖至坑底時，第一道支撐最大水平位移為18.80 mm(圖5)，最大水平位移發(fā)生在大約基坑中部冠梁位置。

圖5 第一道支撐變形圖Fig.5 Deformation diagram of the first support

(4)基坑開挖至坑底時，第二道支撐最大水平位移為21.10 mm(圖6)，最大水平位移發(fā)生在大約基坑西北側(cè)冠梁位置。

圖6 第二道支撐變形圖Fig.6 Deformation diagram of the second support

(5)整個基坑工程施工(含拆撐工況)過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移未超過30 mm，滿足一級基坑變形控制要求。

2.3 變形控制三維有限元分析

采用商業(yè)有限元軟件Midas/GTS建立了三維有限元模型，模擬基坑開挖的全過程。計算模型包括基坑開挖區(qū)、地鐵隧道區(qū)和周邊場地三種類型。因基坑底標(biāo)高與場地西南側(cè)地鐵11號線地鐵隧道拱頂標(biāo)高相差約15.1 m，基坑開挖對地鐵11號線影響較小，因此三維有限元分析重點(diǎn)在于基坑施工對場地東北側(cè)地鐵1號線的影響。模型平面取3倍基坑開挖深度范圍分析，確定計算模型平面上為330 m×227 m的矩形；建模深度取50 m，模型深度大于3H(H為基坑深度)。此時基坑底部為全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖, 計算模型如圖7所示。

圖7 模型網(wǎng)格圖Fig.7 The graph of model grid

三維有限元計算采用如下基本假定。

(1)巖土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，單元類型為四面體單元。

(2)結(jié)構(gòu)體均采用線彈性材料，單元類型為板單元和梁單元。

(3)支護(hù)樁按照等效剛度法簡化為板結(jié)構(gòu)(僅考慮咬合樁中配筋樁的剛度)，噴射混凝土和隧道襯砌采用板單元模擬。

(4)忽略土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相對位移，假定土體和支護(hù)樁無相對滑移，結(jié)構(gòu)與土節(jié)點(diǎn)位移耦合。

(5)迭代計算方法采用Newton-Raphson法。

(6)收斂標(biāo)準(zhǔn)采用位移收斂標(biāo)準(zhǔn)。

(7)彈塑性材料流動法則為相關(guān)聯(lián)流動法則。

三維有限元分析典型計算結(jié)果如圖8～圖10所示，可知。

圖8 基坑開挖至坑底后支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形Fig.8 The horizontal deformation of support structure when excavate to the bottom of the foundation pit

圖9 開挖至基坑底后隧道朝基坑方向的水平位移Fig.9 Horizontal displacement of tunnel towards foundation pit after excavation to the bottom of foundation pit

圖10 開挖至基坑底后的隧道沉降Fig.10 The settlement of the tunnel when excavate to the bottom of the foundation pit

(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形隨著基坑開挖深度的增加而逐步增大，基坑開挖至坑底的過程中臨近地鐵側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移約為20.05 mm，包含拆撐工況的整個基坑施工過程中臨近地鐵側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移達(dá)到24.96 mm。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)采用圓環(huán)撐支護(hù)段，基坑開挖至坑底的過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移約為20.05 mm。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用角撐支護(hù)段，基坑開挖至坑底的過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移約為11.80 mm。整體來看，角撐對控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形效果更好。

(3)由于拆撐時充分利用了結(jié)構(gòu)樓板作為傳力體系，整個施工過程中，正常的拆撐施工(拆除第二道鋼筋砼和拆除第一道鋼筋砼支撐)對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響較小。

(4)基坑開挖中隧道會發(fā)生水平變形和豎向變形，隧道朝基坑方向的水平位移隨著基坑開挖的逐漸加深略有增加，增加幅度基本上可以忽略不計；拆撐、換撐階段產(chǎn)生的變形則基本趨于穩(wěn)定。整個基坑施工過程中地鐵1號線隧道最大水平位移約6.60 mm，最大沉降約1.18 mm，均滿足深圳地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)的技術(shù)要求。

3 監(jiān)測對比分析

3.1 監(jiān)測情況分析[12]

本基坑工程于2018年5月開始施工， 2020年1月基坑完成回填，整個項目歷時近2年，具體工況詳見表2。圖11為基坑工程施工過程中的全貌，整個基坑施工過程中，按設(shè)計要求進(jìn)行了第三方監(jiān)測工作，監(jiān)測結(jié)果表明基坑工程變形滿足規(guī)范要求。

圖11 基坑全貌現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.11 The full view of the foundation pit on site

表2 主要工況表Table 2 Main working conditions

基坑?xùn)|北側(cè)(臨近地鐵1號線羅寶線)支護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)X1與西南側(cè)(臨近地鐵11號線)支護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)X5位移-時間曲線如圖12所示。整個基坑項目施工過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為25.77 mm，滿足一級基坑最大水平位移小于30 mm的要求。

圖12 支護(hù)樁深層水平位移-時間曲線Fig.12 Deep horizontal displacement-time curve of retaining pile

3.2 與實測結(jié)果對比分析[12]

提取前述結(jié)算結(jié)果5種施工工況對應(yīng)的地鐵側(cè)樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值與實際監(jiān)測結(jié)果繪制成變化曲線如圖13所示。其中5種施工工況如下。

圖13 臨近地鐵側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移變化曲線Fig.13 Maximum horizontal displacement curve of side support structure near subway

工況1：第一步開挖約1.8 m，施工第一道支撐。

工況2：向下開挖至第二道支撐底標(biāo)高，施工第二道支撐。

工況3：向下開挖至基坑底。

工況4：拆除第二道支撐。

工況5：拆除第一道支撐。

由圖13可知：

(1)采用理正軟件單元理論計算的最大水平位移值和三維模擬計算的最大水平位移值均大于實際監(jiān)測的最大水平位移值(個別工況除外)。

(2)基坑開挖過程中，3種方式所反映出的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化趨勢基本相同：隨著基坑向下不斷開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移量逐漸增加，但變化幅度有一定的差異。

(3)相比較而言，采用理正軟件計算的結(jié)果要遠(yuǎn)大于實測值，尤其是基坑開挖至一半深度以后，理正軟件計算的位移值增加幅度較大。而三維模擬計算雖然也均大于實測值，但其差值幅度不大，其計算位移值更接近于實測值。

4 結(jié)論

以都市茗薈花園(二期)基坑工程為背景，介紹了填海區(qū)臨地鐵超大直徑環(huán)形支撐軟土深基坑的變形控制技術(shù)，并與實際監(jiān)測結(jié)果作了對比，可供類似工程參考。

(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形隨著基坑開挖深度的增加而逐步增大，基坑開挖至坑底的過程中基坑整體最大水平位移約為22.62 mm，基坑開挖至坑底后，整體變形最大位置位于基坑兩側(cè)長邊中部采用圓環(huán)支撐部位?；娱_挖至坑底時，第一道支撐最大水平位移為18.80 mm，最大水平位移發(fā)生在大約基坑中部冠梁位置；第二道支撐最大水平位移為21.10 mm，最大水平位移發(fā)生在大約基坑西北側(cè)冠梁位置。

(2)咬合樁+剛度較大的超大直徑環(huán)形鋼筋砼撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于較差地質(zhì)條件下的軟土深基坑工程中時在變形控制及減小基坑工程對周邊變形影響等方面均非常有效，本項目基坑開挖中地鐵1號線隧道會發(fā)生水平變形和沉降，隧道朝基坑方向的水平位移隨著基坑開挖的逐漸加深略有增加，增加幅度基本上可以忽略不計；拆撐、換撐階段產(chǎn)生的變形則基本趨于穩(wěn)定。整個基坑施工過程中地鐵1號先隧道最大水平位移約6.60 mm，最大沉降約1.18 mm。

(3)采用理正軟件理論計算的最大水平位移值和三維模擬計算的最大水平位移值均大于實際監(jiān)測的最大水平位移值?；娱_挖過程中，3種方式所反映出的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化趨勢基本相同：隨著基坑向下不斷開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移量逐漸增加，但變化幅度有一定的差異。對比發(fā)現(xiàn)，采用理正軟件計算的結(jié)果要遠(yuǎn)大于實測值，尤其是基坑開挖至一半深度以后，理正軟件計算的位移值增加幅度較大。

(4)無論是三維有限元分析計算還是理正理論計算，其理論計算結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待于土體本構(gòu)模型、土體力學(xué)參數(shù)等因素的完善而逐步提高。雖然理論計算值與實際第三方監(jiān)測值有一定差距，但理論計算值反映的變化趨勢符合工程實際情況，可用于指導(dǎo)基坑工程的施工。