劉 磊 賈 堅(jiān)

(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,200092,上海∥第一作者,碩士研究生)

近年來(lái),城市建設(shè)快速發(fā)展,為緩解土地資源緊張、交通擁擠的狀況,市中心地下空間得到大力開(kāi)發(fā),出現(xiàn)了大量的深大基坑工程。這些位于城市中心的深大基坑通常四周密布各類地下管線,并鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵及各類建筑,環(huán)境保護(hù)要求很高。因此,軟土地區(qū)深基坑的變形控制已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究課題?？刂粕罨幼冃伪Ｗo(hù)周邊環(huán)境主要從控制圍護(hù)墻體側(cè)向變形及坑內(nèi)土體隆起入手。目前,控制墻體側(cè)向變形的方法主要有以下幾種:①加強(qiáng)支護(hù)體系剛度;②增大基坑抗隆起穩(wěn)定性系數(shù);③改善被動(dòng)區(qū)土體抗力;④針對(duì)軟土流變特性,利用基坑空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)。具體措施有增加支撐剛度、減小支撐間距、增大圍護(hù)墻厚度及入土深度、坑內(nèi)土體加固、地中壁工法、分塊開(kāi)挖、及時(shí)支撐等。其中,地中壁工法在軟土地區(qū)深基坑中逐漸被應(yīng)用,但目前針對(duì)其在軟土地區(qū)深基坑中的變形控制機(jī)理及設(shè)計(jì)計(jì)算研究較少。本文以緊鄰上海軌道交通2號(hào)線運(yùn)營(yíng)隧道的“協(xié)和二期”深基坑為背景,研究地中壁工法控制深基坑變形的機(jī)理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法,以及工程實(shí)踐的效果。

1 地中壁工法控制深基坑變形的機(jī)理

地中壁是基坑開(kāi)挖前采用地下連續(xù)墻的施工工藝施作的一道素混凝土墻。它橫置于開(kāi)挖區(qū)域,且兩側(cè)與圍護(hù)地下連續(xù)墻垂直銜接;隨著基坑開(kāi)挖,在挖除土層的同時(shí)鑿除露出的墻體,然后施工支撐體系。地中壁工法平面及剖面示意圖如圖1所示。

圖1 地中壁工法平面及剖面示意圖

地中壁工法控制基坑變形的機(jī)理類似于“地中梁”的作用,通過(guò)對(duì)其作用斷面及附近一定范圍內(nèi)圍護(hù)地下連續(xù)墻側(cè)向變形的控制,達(dá)到控制基坑及周圍地層變形的目的。地中壁的作用可視為基坑開(kāi)挖前預(yù)先施作于坑內(nèi)的具有一定剛度的支撐或是坑內(nèi)加固體。文獻(xiàn)[1]提出,坑內(nèi)加固可以有效控制其作用斷面的地墻最大側(cè)向變形值,同時(shí)可以使該斷面基坑下部的地墻變形形態(tài)為收斂的凹狀。采用坑內(nèi)加固后產(chǎn)生的基坑最大變形部位要高于不加固的情況。圖2為實(shí)際工程考慮加固與不加固的計(jì)算曲線對(duì)比情況。圖中曲線上的編號(hào)為工況號(hào)(如曲線1為工況一)地中壁對(duì)其作用斷面的墻體變形的控制作用和坑內(nèi)加固相同,由于其剛度比加固體大,控制變形效果也更明顯。

圖2 某深基坑工程北坑計(jì)算變形曲線

在深基坑工程中,由于頂圈梁與各道支撐的作用,相鄰圍護(hù)樁墻緊密地結(jié)合在一起,基坑變形呈現(xiàn)出坑角空間效應(yīng)[2-3];同時(shí),與坑角圍護(hù)墻體作用相似,地中壁的約束作用抑制了其鄰近區(qū)域的土壓力和土體位移的發(fā)展[4-6]。因此,地中壁對(duì)其附近一定范圍內(nèi)的基坑及地層變形有控制作用。

綜合上海地區(qū)大量深基坑工程圍護(hù)墻變形、地表沉降的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值,以及周邊建筑物、構(gòu)筑物、地下管線的變形特征和保護(hù)要求后,文獻(xiàn)[7]將基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)分為四個(gè)保護(hù)等級(jí)?！兜鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB J-11—1999)提出按基坑變形分級(jí)控制標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)施工基坑的要求,并將保護(hù)等級(jí)分為三級(jí)。同時(shí)文獻(xiàn)[7-8]對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)做出了詳述。在工程實(shí)踐中,控制深基坑變形通常采用增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、坑內(nèi)加固等措施。而針對(duì)更加嚴(yán)格的變形控制要求,可在以上措施基礎(chǔ)上,采用地中壁工法進(jìn)一步控制基坑變形,以達(dá)到保護(hù)周邊環(huán)境的目的。

2 工程概況

“協(xié)和二期”位于上海市長(zhǎng)寧區(qū)永源路以北,基坑?xùn)|西方向約171 m,南北方向約38 m,占地面積約7 600 m2,平均開(kāi)挖深度為17 m?；涌偲矫鎴D見(jiàn)圖3,基坑與地鐵隧道相對(duì)關(guān)系剖面圖見(jiàn)圖4。

圖3 基坑總平面圖

圖4 基坑與地鐵隧道的相對(duì)關(guān)系剖面圖

本工程基坑南側(cè)緊鄰軌道交通2號(hào)線運(yùn)營(yíng)隧道,離隧道最近處為7.3 m。隧道埋置深度處于基坑開(kāi)挖引起的最大側(cè)向墻體及土層位移區(qū)段,基坑開(kāi)挖對(duì)隧道位移影響較大。基坑?xùn)|側(cè)、北側(cè)及西側(cè)鄰近多幢20世紀(jì)20～40年代的磚木結(jié)構(gòu)建筑,最近處僅為5.8 m。這些建筑中部分為優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑,建筑層數(shù)為3層,為大放腳基礎(chǔ),埋深不超過(guò)1.5 m,基礎(chǔ)對(duì)地基沉降較敏感。因此,必須嚴(yán)格控制開(kāi)挖引起的基坑及地層變形,減少對(duì)鄰近軌道交通及建筑物的影響。

依照文獻(xiàn)[7-8]對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)做出的詳述,本基坑屬一級(jí)基坑。為減少對(duì)周邊環(huán)境的影響,基坑采取分區(qū)開(kāi)挖、地下連續(xù)墻及4道支撐的支護(hù)形式,并對(duì)坑內(nèi)土體進(jìn)行了裙邊加固。此外,為了減少地下連續(xù)墻施工時(shí)槽壁坍塌,以及基坑開(kāi)挖時(shí)滲漏水對(duì)周圍環(huán)境的影響和危害,鄰近保護(hù)建筑及運(yùn)營(yíng)軌道交通線路側(cè)施工地下連續(xù)墻前,先在擬施工的地下連續(xù)墻內(nèi)外兩側(cè)各施工了一排 Φ850的勁性水泥土墻(SMW)工法攪拌樁加固。

文獻(xiàn)[9]研究了自1995年起,近5年內(nèi)上海軌道交通1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)區(qū)內(nèi)建筑活動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響,指出“凡是在已建地鐵安全保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行的建筑活動(dòng),都不同程度地引起地鐵結(jié)構(gòu)的沉降、位移、變形”。此外,地質(zhì)條件也是影響隧道結(jié)構(gòu)安全的重要因素。文獻(xiàn)[9-10]指出上海軟土地區(qū)淤泥質(zhì)軟黏土具有高壓縮性和大流變性,擾動(dòng)后強(qiáng)度明顯降低,而且會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生固結(jié)沉降。

深基坑開(kāi)挖引起的地層變形一方面會(huì)對(duì)施工影響范圍內(nèi)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,另一方面加速了局部區(qū)段地鐵隧道的不均勻沉降及隧道變形,造成道床與管片開(kāi)裂,影響了地鐵運(yùn)營(yíng)安全。針對(duì)軟土地區(qū)特殊的地鐵保護(hù)要求,為進(jìn)一步控制基坑變形,保護(hù)鄰近地鐵安全運(yùn)營(yíng),本工程基坑均采用了地中壁工法。

基坑場(chǎng)地主要土層物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 基坑主要地層物理力學(xué)性質(zhì)表

3 三維有限元預(yù)估分析

深基坑工程的變形具有三維空間特性。在理論分析中要較全面地反映地中壁工法對(duì)開(kāi)挖基坑變形的影響和控制作用,還需要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體變形的三維空間特性。文獻(xiàn)[11]提出應(yīng)該采用三維有限元預(yù)測(cè)分析采用地中壁工法的基坑變形情況。因此,本文采用Z-Soil三維巖土有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算,分析“協(xié)和二期”基坑在不采用及采用地中壁工法開(kāi)挖情況下基坑的變形情況,研究地中壁工法對(duì)圍護(hù)墻體變形、坑外地表沉降以及鄰近地鐵隧道變形的控制作用。

3.1 不采用地中壁工法的深基坑開(kāi)挖有限元分析

考慮基坑開(kāi)挖對(duì)周圍土體及建筑物的影響范圍,三維計(jì)算模型選取270 m×170 m×70 m。先對(duì)基坑不采用地中壁工法開(kāi)挖進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。地下連續(xù)墻采用Shell單元模擬,支撐、立柱采用Beam單元模擬,土體采用Continuum 3D單元模擬。土體材料模型采用了Drucker-Prager模型。土體計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表1,部分計(jì)算參數(shù)由以往同類工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反分析獲得。

通過(guò)先挖土后支撐的分層開(kāi)挖模擬,可以得出基坑在不采用地中壁工法開(kāi)挖施工時(shí)的地下連續(xù)墻及地鐵隧道的變形情況。圖5和圖6為三維計(jì)算模型圖,圖7為計(jì)算結(jié)果。

圖5 模型網(wǎng)格圖

圖6 圍護(hù)墻和地鐵隧道模型圖

圖7 不采用地中壁工法開(kāi)挖圍護(hù)墻及隧道總位移云圖

通過(guò)三維預(yù)測(cè)分析,不采用地中壁工法開(kāi)挖,大坑北側(cè)圍護(hù)墻最大側(cè)向變形為42 mm,坑外最大地表沉降為31 mm,窄坑南側(cè)圍護(hù)墻最大側(cè)向變形為22 mm,隧道最大豎向位移為9 mm,最大水平位移為10.3 mm,難以滿足周圍建筑物和地鐵隧道的保護(hù)要求。此外,由于上海軟土地區(qū)特殊的地質(zhì)條件,基坑開(kāi)挖不僅在施工階段引起鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形,施工完成后受擾動(dòng)土層產(chǎn)生的固結(jié)沉降也會(huì)影響隧道結(jié)構(gòu)安全。因此,為保護(hù)鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵安全,應(yīng)采取措施進(jìn)一步控制基坑變形。

3.2 采用地中壁工法的深基坑開(kāi)挖有限元分析

采用Shell單元來(lái)模擬地中壁工法在基坑開(kāi)挖中的作用,通過(guò)先挖土后支撐的分層開(kāi)挖模擬,可以得出基坑在采用地中壁工法開(kāi)挖施工下的變形情況。圖8為地中壁工法、圍護(hù)墻及隧道模型圖,圖9為計(jì)算結(jié)果。

圖8 地中壁、圍護(hù)墻及地鐵隧道模型圖

圖9 采用地中壁工法開(kāi)挖圍護(hù)墻及隧道總位移云圖

通過(guò)三維預(yù)測(cè)分析,采用地中壁工法情況下,基坑開(kāi)挖完成時(shí),大坑北側(cè)圍護(hù)墻最大側(cè)向變形為27 mm,坑外最大地表沉降為19 mm,大坑南側(cè)圍護(hù)墻最大側(cè)向變形為15 mm,窄坑南側(cè)圍護(hù)墻最大側(cè)向變形為9 mm,隧道最大豎向位移為4.6 mm,最大水平位移為5.5 mm,可基本滿足鄰近地鐵運(yùn)營(yíng)保護(hù)要求。

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比圖7與圖9可以看出,地中壁作用斷面地墻變形得到一定的控制,基坑角部墻體位移表現(xiàn)出空間效應(yīng),同時(shí),地中壁的附近區(qū)域地墻變形也呈現(xiàn)出空間效應(yīng)。因此,采用地中壁工法可有效控制深基坑變形。

圖10和圖11為窄坑開(kāi)挖完成緊鄰的地鐵隧道位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比。從中可以看出,采用地中壁工法可以進(jìn)一步減少基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響。

圖10 下行線隧道豎向位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖11 下行線隧道水平位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 工程實(shí)測(cè)與計(jì)算預(yù)測(cè)比較

根據(jù)有限元分析結(jié)果,“協(xié)和二期”工程采用了地中壁工法進(jìn)一步控制基坑變形,并在施工中實(shí)施信息化的監(jiān)測(cè)監(jiān)控,動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)管理。在整個(gè)工程施工過(guò)程中,大坑開(kāi)挖至坑底時(shí)北側(cè)圍護(hù)墻最大側(cè)向變形為28.3 mm,大坑南側(cè)圍護(hù)墻最大側(cè)向變形為16.8 mm,坑外地表沉降最大值19.4 mm;窄坑開(kāi)挖至坑底時(shí),窄坑南側(cè)圍護(hù)墻最大側(cè)向變形為10.5 mm,隧道最大豎向位移為4.8 mm。圖12和圖13為實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況。

通過(guò)工程實(shí)測(cè)與計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知,利用以往工程實(shí)測(cè)反分析得出的計(jì)算參數(shù),采用三維有限元分析的方法,可以有效地計(jì)算預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的墻體變形及鄰近地鐵隧道的變形;同時(shí),有限元分析及工程實(shí)測(cè)均表明,在采取了加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、分區(qū)開(kāi)挖、及時(shí)支撐、坑內(nèi)加固等措施后,采用地中壁工法可進(jìn)一步控制深基坑開(kāi)挖變形,減少對(duì)鄰近地鐵隧道的影響。

圖12 地墻側(cè)向變形計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖13 下行線隧道豎向位移計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)計(jì)算分析及工程實(shí)踐,研究分析了地中壁工法控制深基坑變形的機(jī)理和作用,并得出以下結(jié)論:

(1)地中壁工法可有效控制其作用斷面墻體變形,并對(duì)兩側(cè)鄰近的地墻側(cè)向位移有一定的控制作用,進(jìn)而達(dá)到控制周圍地層變形的作用。對(duì)于鄰近地鐵的深基坑開(kāi)挖,在采取加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、分區(qū)開(kāi)挖、及時(shí)支撐、坑內(nèi)加固等措施后,可采用地中壁工法來(lái)進(jìn)一步控制深基坑變形。

(2)利用以往工程實(shí)測(cè)反分析得出的計(jì)算參數(shù),采用三維有限元的分析方法,可有效預(yù)測(cè)深基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的墻體變形及對(duì)鄰近地鐵隧道和周邊建筑物的影響。

本文研究的地中壁工法機(jī)理和設(shè)計(jì)計(jì)算方法以及工程實(shí)踐,可為類似緊鄰地鐵隧道的深基坑工程提供參考。

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