填海區(qū)臨地鐵軟土深基坑變形特性分析*

喬麗平，李韻迪，楊 超

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

0 引言

軟土深基坑施工容易導(dǎo)致巖土體及地下結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生變形，一方面會(huì)引起巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)自身失穩(wěn)破壞，另一方面也對(duì)周邊道路、建筑物構(gòu)成威脅。因此深基坑工程變形是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱門(mén)課題。賀煒等[1]對(duì)河心洲地鐵車(chē)站深基坑開(kāi)挖監(jiān)測(cè)及環(huán)境影響展開(kāi)分析；莊海洋等[2]對(duì)上海地區(qū)深軟基坑施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握基坑變形特征，探討了深軟場(chǎng)地狹長(zhǎng)深基坑變形的時(shí)空分布特征及其主要誘因；徐飛等[3]對(duì)黃河沖擊平原地區(qū)超大型深基坑開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地表沉降、錨索軸力變化規(guī)律進(jìn)行分析；柏挺等[4]對(duì)采用框架逆作法施工的超大基坑展開(kāi)監(jiān)測(cè)分析。針對(duì)基坑施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、掌握基坑變形特征并將分析數(shù)據(jù)和規(guī)律及時(shí)反饋施工現(xiàn)場(chǎng)、及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)控制變形并對(duì)后續(xù)施工變形做出預(yù)測(cè)[5-7]，成為保證基坑安全至關(guān)重要的技術(shù)手段，因此對(duì)于深基坑工程變形特征的研究具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

都市茗薈花園(一期)位于深圳市寶安中心區(qū)，新湖路與甲岸路交匯處北側(cè)，場(chǎng)地東南側(cè)緊鄰甲岸路，西南側(cè)與新湖路相距約30m(新湖路下有正在運(yùn)營(yíng)的地鐵1號(hào)線(xiàn))。場(chǎng)地高程介于3.840～4.950m，總用地面積19 359.5m2，擬建地下室3層。場(chǎng)地內(nèi)主要地層為雜填土(Qml)、第四系全新統(tǒng)海漫灘相沉積層(Qm(b))、第四系沖洪積層(Qal+pl)、殘積層(Qel)、下伏基巖為燕山第三期花崗巖。地下水主要有兩種類(lèi)型：一是孔隙潛水，賦存于第四系粗砂層(③2)中，其透水性較強(qiáng)，為區(qū)內(nèi)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，其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測(cè)得終孔穩(wěn)定地下水位埋深介于1.00～1.80m，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

該項(xiàng)目基坑呈不規(guī)則四邊形，開(kāi)挖深度約14.1m，周長(zhǎng)約525.0m，面積約15 000m2，基坑支護(hù)安全等級(jí)定為一級(jí)?；又ёo(hù)采用咬合樁+2道鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)形式(咬合搭接0.2m)，基坑北側(cè)局部采用咬合樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。基坑西側(cè)為保護(hù)地鐵，在咬合樁外側(cè)再布設(shè)1排高壓旋噴樁作止水帷幕?；又ёo(hù)典型剖面如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)典型剖面

本基坑工程于2015年7月開(kāi)始施工，2016年3月開(kāi)始土方開(kāi)挖，2016年11月完成基坑工程竣工驗(yàn)收，基坑開(kāi)挖主要工況如表2所示。

表2 主要開(kāi)挖工況

2 監(jiān)測(cè)方案

為了及時(shí)掌握基坑和周邊道路的變形情況，對(duì)基坑支護(hù)工程實(shí)施變形監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括支護(hù)樁頂水平位移、基坑地表沉降、支撐立柱沉降、周邊道路沉降、內(nèi)支撐軸力、支護(hù)樁內(nèi)力、錨索應(yīng)力、地下水位、支護(hù)樁樁身測(cè)斜。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

提取2016年3月31日—2016年11月31日的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按基坑開(kāi)挖、支撐架設(shè)、拆撐主要工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，重點(diǎn)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、坡頂位移、內(nèi)支撐軸力變化深入分析，總結(jié)變形規(guī)律。

3.1 支護(hù)樁樁身測(cè)斜數(shù)據(jù)分析

為分析本工程支護(hù)樁變形趨勢(shì)，選取支護(hù)樁測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)X2(基坑北側(cè))、X5(基坑南側(cè))、X10(基坑西側(cè))和X3(基坑?xùn)|側(cè))監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基坑主要施工工況、開(kāi)挖深度及對(duì)應(yīng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁身變形最大值統(tǒng)計(jì)如表3所示，水平位移-時(shí)程曲線(xiàn)如圖2所示。

表3 開(kāi)挖工況與支護(hù)樁最大位移統(tǒng)計(jì)

圖2 支護(hù)樁位移-時(shí)程曲線(xiàn)

基坑開(kāi)挖引起各側(cè)支護(hù)樁不同程度變形，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：①本工程支護(hù)樁測(cè)斜最大位移點(diǎn)均位于樁頂位置。②支護(hù)樁最大位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)為基坑西側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)X10，最大位移為25.54mm，由于基坑形狀條件限制，該側(cè)采用支護(hù)樁+錨索支護(hù)，在軟土地質(zhì)條件下，錨索相較于內(nèi)支撐對(duì)控制基坑變形效果差。③基坑開(kāi)挖至第2道支撐底向下開(kāi)挖至基坑底期間，支護(hù)樁側(cè)向變形變化量最大，此期間基坑風(fēng)險(xiǎn)最高。④拆撐期間第2道支撐拆除后，支護(hù)樁側(cè)向變形變化量相較于第1道支撐拆除后大。

統(tǒng)計(jì)支護(hù)樁測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)X1～X10最大側(cè)向變形與開(kāi)挖深度關(guān)系如圖3所示。

圖3為支護(hù)樁側(cè)向最大變形與開(kāi)挖深度關(guān)系，變化范圍為(0.08%～0.29%)He，取其平均值，支護(hù)樁最大側(cè)向變形及其對(duì)應(yīng)開(kāi)挖深度關(guān)系為δhm=0.16%He。受開(kāi)挖時(shí)間、開(kāi)挖順序、開(kāi)挖土方量、支撐架設(shè)時(shí)間等多種因素影響，基坑開(kāi)挖深度增加6m，圍護(hù)樁最大變形增量集中在2～12mm范圍內(nèi)。其中X1～X8監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大變形增量集中在2～5mm范圍內(nèi)，X9～X10監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大變形增量集中在9～12mm范圍內(nèi)，分析其主要原因?yàn)樵搨?cè)采用樁錨支護(hù)形式，相較于其余區(qū)域采用樁撐支護(hù)形式控制變形能力較差。

圖3 支護(hù)樁最大側(cè)向變形與開(kāi)挖深度關(guān)系

3.2 坡頂位移監(jiān)測(cè)

為分析本工程基坑坡頂位移變化趨勢(shì)，選取坡頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)CW3(基坑北側(cè))、CW12(基坑南側(cè))、CW22(基坑西側(cè))和CW7(基坑?xùn)|側(cè))監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)基坑主要施工工況、開(kāi)挖深度及對(duì)應(yīng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移統(tǒng)計(jì)如表4所示，位移-時(shí)程曲線(xiàn)如圖4所示。

表4 開(kāi)挖工況與最大坡頂位移統(tǒng)計(jì)

圖4 坡頂位移時(shí)程曲線(xiàn)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：①坡頂最大位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)為基坑西側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)CW22，最大豎向位移值13.70mm，最大水平位移25.80mm，該側(cè)為支護(hù)樁+錨索支護(hù)段。②坡頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移及水平位移變化趨勢(shì)基本一致，隨著基坑開(kāi)挖深度增加，坡頂位移逐漸增加后趨于平穩(wěn)。③基坑開(kāi)挖至第1道支撐底至基坑開(kāi)挖至第2道支撐底期間坡頂位移變化量最大。④拆撐期間坡頂位移趨于穩(wěn)定，內(nèi)支撐拆除對(duì)基坑坡頂影響較小。

分別統(tǒng)計(jì)基坑坡頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)CW1～CW23水平位移、豎向位移與開(kāi)挖深度關(guān)系如圖5,6所示。

圖5 坡頂水平位移與開(kāi)挖深度關(guān)系

圖6 坡頂豎向位移與開(kāi)挖深度關(guān)系

圖5,6分別為坡頂水平位移及坡頂豎向位移與開(kāi)挖深度關(guān)系，坡頂水平位移與開(kāi)挖深度變化范圍為(0.03%～0.35%)He，取其平均值，坡頂水平位移及其對(duì)應(yīng)開(kāi)挖深度關(guān)系為δshm=0.19%He。坡頂豎向位移與開(kāi)挖深度變化范圍為(0.02%～0.24%)He，取其平均值，坡頂豎向位移及其對(duì)應(yīng)開(kāi)挖深度關(guān)系為δvm=0.13%He。由上述分析可知，坡頂水平位移平均值略大于支護(hù)樁最大水平位移平均值，二者較接近，坡頂豎向位移平均值最小。

3.3 支撐軸力監(jiān)測(cè)

基坑開(kāi)挖階段，東北側(cè)角撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZL1～ZL5、東南側(cè)角撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZL6～ZL11、中部對(duì)撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZL12～ZL15、西南側(cè)角撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZL16～ZL19軸力監(jiān)測(cè)值與開(kāi)挖深度關(guān)系如圖7所示。

圖7 支撐軸力與開(kāi)挖深度關(guān)系

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：①基坑開(kāi)挖至第2道支撐底期間，第1道支撐軸力逐漸增大，變化幅度大，第2道支撐架設(shè)后，第1道支撐軸力逐漸趨于平穩(wěn)或略有增加，但變化幅度不大。②第2道支撐架設(shè)后，隨基坑開(kāi)挖深度增加，第2道支撐軸力逐漸增大，并在基坑開(kāi)挖至坑底后達(dá)到峰值。③基坑開(kāi)挖至坑底后第1道支撐軸力與第2道支撐軸力監(jiān)測(cè)值差值逐漸減小，呈逐漸靠近趨勢(shì)。④基坑開(kāi)挖階段東北側(cè)角撐軸力監(jiān)測(cè)最大值達(dá)到5 777kN，東南側(cè)角撐軸力監(jiān)測(cè)最大值達(dá)到5 475kN，中部對(duì)撐軸力監(jiān)測(cè)最大值達(dá)到6 801kN，西南側(cè)角撐軸力監(jiān)測(cè)最大值達(dá)到4 038kN?；又胁繉?duì)撐受力最大，內(nèi)支撐軸力變化受基坑形狀、內(nèi)支撐布置、開(kāi)挖順序等因素影響。

4 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)分析

采用有限元軟件Midas/GTS建立了三維有限元模型，模擬基坑開(kāi)挖的全過(guò)程。計(jì)算模型平面上為260m×250m的矩形。模型的深度取約2.5倍基坑開(kāi)挖深度(底部為全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖)，深度為40m。巖土體本構(gòu)模型采用莫爾-庫(kù)侖彈塑性本構(gòu)模型，單元類(lèi)型為四面體單元；結(jié)構(gòu)體均采用線(xiàn)彈性材料，單元類(lèi)型為板單元和梁?jiǎn)卧?；支護(hù)樁按照等效剛度法簡(jiǎn)化為板結(jié)構(gòu)(僅考慮咬合樁中配筋樁的剛度)，錨索腰梁采用梁?jiǎn)卧M，水泥攪拌樁采用硬質(zhì)土層模擬，噴射混凝土和隧道襯砌采用板單元模擬，數(shù)值模型如圖8,9所示。

圖8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意

圖9 坡頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意

為與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，提取與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)位一致監(jiān)測(cè)點(diǎn)在基坑開(kāi)挖至第1道支撐底部(2.5m)、第2道支撐底部(8.4m)、基坑底部(14.1m)變形值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形及坡頂位移分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取如圖8,9所示。統(tǒng)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)X1～X10數(shù)值模擬最大側(cè)向變形值與開(kāi)挖深度關(guān)系如圖10所示，并將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

圖10 支護(hù)樁最大側(cè)向位移與開(kāi)挖深度關(guān)系(數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比)

從圖10中可以看出，支護(hù)樁最大側(cè)向變形數(shù)值模擬值λhm變化范圍為(0.06%～0.68%)He,平均值為0.21%He；實(shí)測(cè)值變化范圍為(0.08%～0.29%)He，平均值δhm=0.16%He。數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)平均值接近，數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)平均值略大于實(shí)測(cè)值。與文獻(xiàn)[7]中統(tǒng)計(jì)的上海地區(qū)軟土深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形平均值0.42%He相比[7]，本項(xiàng)目支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)軟土深基坑變形起到較好地控制作用。

分別統(tǒng)計(jì)基坑頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)CW1～CW23數(shù)值模擬水平位移變形值、豎向位移值與開(kāi)挖深度關(guān)系如圖11,12所示，同時(shí)將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

圖11 坡頂水平位移與開(kāi)挖深度關(guān)系(數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比)

從圖12中可以看出，本工程坡頂水平位移數(shù)值模擬值γshm變化范圍為(0.06%～0.45%)He,平均值為0.25%He；實(shí)測(cè)值變化范圍為(0.03%～0.35%)He，平均值δhm=0.19%He。數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)平均值較接近，數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)平均值略大于實(shí)測(cè)值。坡頂豎向位移數(shù)值模擬值γvm變化范圍為(0.006%～0.23%)He平均值為0.12%He；實(shí)測(cè)值變化范圍為(0.02%～0.24%)He，平均值δhm=0.13%He。數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)平均值基本一致。坡頂豎向位移平均值小于坡頂水平位移平均值。通過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，進(jìn)一步證明本項(xiàng)目支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)軟土深基坑變形起到較好地控制作用。

圖12 坡頂豎向位移與開(kāi)挖深度關(guān)系(數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比)

5 結(jié)語(yǔ)

1)本工程支護(hù)樁測(cè)斜最大位移點(diǎn)均位于樁頂位置，在軟土地質(zhì)條件下，錨索相較于內(nèi)支撐對(duì)控制基坑變形效果差。基坑開(kāi)挖至第2道支撐底向下開(kāi)挖至基坑底期間，支護(hù)樁側(cè)向變形變化量最大，此期間基坑風(fēng)險(xiǎn)最高。拆撐期間第2道支撐拆除后，支護(hù)樁側(cè)向變形變化量相較于第1道支撐拆除后大。

2)坡頂最大位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于支護(hù)樁+錨索支護(hù)段。坡頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移及水平位移變化趨勢(shì)基本一致，隨著基坑開(kāi)挖深度增加，坡頂位移逐漸增加后趨于平穩(wěn)。基坑開(kāi)挖至第1道支撐底至基坑開(kāi)挖至第2道支撐底期間坡頂位移變化量最大。拆撐期間坡頂位移趨于穩(wěn)定，內(nèi)支撐拆除對(duì)基坑坡頂變形影響較小。

3)基坑開(kāi)挖至第2道支撐底期間，第1道支撐軸力逐漸增大，變化幅度大，第2道支撐架設(shè)后，第1道支撐軸力逐漸趨于平穩(wěn)或略有增加，但變化幅度不大。第2道支撐架設(shè)后，隨基坑開(kāi)挖深度增加，第2道支撐軸力逐漸增大，并在基坑開(kāi)挖至坑底后達(dá)到峰值?；娱_(kāi)挖至坑底后第1道支撐軸力與第2道支撐軸力監(jiān)測(cè)值差值逐漸減小，呈逐漸靠近趨勢(shì)?；又胁繉?duì)撐受力大于角撐。

4)本工程支護(hù)樁最大側(cè)向變形數(shù)值模擬值λhm變化范圍為(0.06%～0.68%)He,平均值為0.21%He；實(shí)測(cè)值變化范圍為(0.08%～0.29%)He，平均值δhm=0.16%He。數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)平均值較為接近，數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)平均值略大于實(shí)測(cè)值。坡頂水平位移數(shù)值模擬值γshm變化范圍為(0.06%～0.45%)He,平均值為0.25%He；實(shí)測(cè)值變化范圍為(0.03%～0.35%)He，平均值δhm=0.19%He。數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)平均值接近，數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)平均值略大于實(shí)測(cè)值。坡頂豎向位移數(shù)值模擬值γvm變化范圍為(0.006%～0.23%)He,平均值為0.12%He；實(shí)測(cè)值變化范圍為(0.02%～0.24%)He，平均值δhm=0.13%He。數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)平均值基本一致。