李惠麗，唐寅偉，劉 維，史培新

1)蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇蘇州 215137；2)無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇無(wú)錫 214021

地下連續(xù)墻因具有剛度大、噪聲小、整體性強(qiáng)、防滲性和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于城市軟土深基坑的開挖支護(hù)[1]．在過去的20年中，中國(guó)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)建造了約760座地鐵車站，其中約650座采用了地下連續(xù)墻為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)．在地連墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑施工過程中，地層變形主要發(fā)生在地連墻施工階段、基坑開挖階段以及基坑開挖完成后的土體固結(jié)和次固結(jié)階段[2-4]．研究表明，如果控制不當(dāng)，地連墻施工引起的地表沉降可達(dá)到總沉降量的30%～50%[5-7]，對(duì)周邊建筑物和地下管線的正常運(yùn)營(yíng)造成隱患．因此，對(duì)地連墻施工引起的地層擾動(dòng)進(jìn)行研究顯得尤為重要．

國(guó)內(nèi)外許多專家都對(duì)地連墻施工進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究[3,5-13]. CLOUGH等[14-15]對(duì)許多工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)地連墻成槽施工引起的地面沉降平均約為槽深的0.08%，最大約為0.15%，沉降在平行槽段方向呈正態(tài)分布，而在垂直槽段方向隨距離線性衰弱．MOHAMED[13]在CLOUGH等[14]的研究基礎(chǔ)上對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步補(bǔ)充和分析，發(fā)現(xiàn)單幅槽段施工引起的土體側(cè)向位移最大可達(dá)20 mm，地表沉降平均約為成槽深度的0.09%．然而，已有的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析對(duì)地連墻施工過程中的地層變形的規(guī)律關(guān)注較少．

本研究以中國(guó)江蘇省蘇州地鐵5號(hào)線某車站基坑工程為背景，通過測(cè)量土體側(cè)向位移、地表沉降、土體深層沉降、建筑物沉降和土壓力變化，研究了地連墻施工中地層擾動(dòng)機(jī)理及地層變形規(guī)律．本研究可為類似軟土地層中地連墻施工提供參考．

1 工程概況及監(jiān)測(cè)方案

1.1 工程概況

如圖1，蘇州地鐵5號(hào)線某車站基坑呈東西向．為便于施工，將車站基坑分為A、B、C 3個(gè)子基坑分段開挖，并采用地連墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)．A基坑大致呈梯形布置，基坑?xùn)|西長(zhǎng)約86.0 m，南北寬約26.0 m．基坑北側(cè)鄰近建筑物，建筑物為框架結(jié)構(gòu)，采用柱下獨(dú)立擴(kuò)展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為-3.5 m．基坑北側(cè)離建筑物最近距離為4.3 m．現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地自上而下依次分布有 ① 雜填土、② 粉質(zhì)黏土、③ 粉土夾粉砂、④ 粉質(zhì)黏土、⑤ 粉土夾粉砂和⑥ 粉質(zhì)黏土．各土層的厚度H、 重度γ、 彈性模量E、 有效黏聚力c′和有效內(nèi)摩擦角φ′見表1．現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)潛水初見水位標(biāo)高為0.64～1.20 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為0.81～1.63 m，微承壓水賦存于粉土夾粉砂土中，賦水性中等，該微承壓水穩(wěn)定水頭標(biāo)高為0.77 m．

A基坑北側(cè)地連墻槽段采用4.5 m和6.0 m兩種分幅長(zhǎng)度，槽段深度均為48.0 m．地連墻穿越的土層抗剪強(qiáng)度低、壓縮性大、靈敏性高，易受現(xiàn)場(chǎng)施工擾動(dòng)．現(xiàn)場(chǎng)研究以幅長(zhǎng)均為6.0 m的相鄰3幅地連墻NQ-22、NQ-23和NQ-24施工為對(duì)象展開全程監(jiān)測(cè)．

圖1 基坑平面示意圖(單位：m)Fig.1 Plane view of the site(unit：m)

土層H/mγ/(kN·m-3)E/MPac′/kPaφ′/(°)①3.518.58.44.012.0②14.019.011.311.014.2③5.019.118.710.027.4④13.519.121.227.523.1⑤10.018.625.44.024.8⑥—18.531.022.627.0

1.2 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)方案布置如圖2，測(cè)斜管CX-1布置在槽段北側(cè)距離槽段2.0 m，深度為50.0 m；分層沉降管同樣布置在槽段北側(cè)距離槽段2.0 m，深度為45.0 m，分層沉降管中磁感應(yīng)環(huán)安裝深度分別為：-5.0 m(② 粉質(zhì)黏土)，-12.0 m(② 粉質(zhì)黏土)，-20.0 m(③ 粉土夾粉砂)和-29.0 m(④ 粉質(zhì)黏土)．土壓盒布置深度分別為-4.0 m(② 粉質(zhì)黏土)，-11.0 m(② 粉質(zhì)黏土)和-20.0 m(③ 粉土夾粉砂)．地表沉降觀測(cè)點(diǎn)主要布置在槽段南側(cè)，沿著垂直于槽段方向不等距布置，最遠(yuǎn)距槽段達(dá)到10.0 m．沿著沉降觀測(cè)斷面，在建筑物南北兩側(cè)各布置一沉降觀測(cè)點(diǎn)B-1和B-2．

圖2 監(jiān)測(cè)布置圖(單位：m)Fig.2 Instrumentation plane(unit：m)

地連墻工程采用“跳打法”進(jìn)行施工．NQ-23從2017年4月21日10∶00開始成槽，持續(xù)12 h；從22∶00開始混凝土澆筑，持續(xù)8 h；22日06∶00施工結(jié)束．NQ-22從4月25日11∶00開始成槽，持續(xù)12 h；23∶00開始混凝土澆筑施工，連續(xù)施工12 h；26日11∶00施工結(jié)束．NQ-24從5月2日06∶00開始成槽施工，持續(xù)12 h；當(dāng)天18∶00開始澆筑混凝土，持續(xù)8 h；施工至5月3日02∶00．地連墻施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)頻率為4 h/次．

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 側(cè)向位移

圖3為3幅相鄰地連墻施工引起的土體水平位移變化．其中，圖3(a)顯示NQ-23施工各階段的土體側(cè)向位移隨深度變化包括成槽、混凝土澆筑和混凝土硬化．成槽階段側(cè)向位移明顯，位移最大值發(fā)生在地表，約為20.0 mm；土體側(cè)向位移隨著深度增加逐漸減小，地表以下10.0 m范圍內(nèi)位移明顯，10.0 m以下土體位移小于1.0 mm．混凝土澆筑階段，由于混凝土對(duì)槽壁的擠壓作用，土體側(cè)向位移反向減小，地表側(cè)向位移從20.0 mm減至7.5 mm，規(guī)律與成槽階段相似．混凝土硬化階段，側(cè)向位移出現(xiàn)小幅增加，地表位移從7.5 mm增至12.5 mm，分布規(guī)律與前兩施工階段類似．

圖3(b)為NQ-22施工時(shí)土體側(cè)移規(guī)律，與NQ-23類似．成槽階段最大位移從12.5 mm增至14.0 mm，位移主要發(fā)生在地表以下10.0 m范圍內(nèi)并且隨深度增加而減小，10.0 m以下深度土體側(cè)向位移較?。炷翝仓A段，土體側(cè)向位移反向減小，地表側(cè)向位移從14.0 mm減至12.5 mm．混凝土硬化階段，側(cè)向位移出現(xiàn)小幅增加，從12.5 mm增至13.5 mm．

圖3(c)為NQ-24施工時(shí)土體側(cè)移分布規(guī)律，與NQ-23和NQ-22類似．地表側(cè)移在成槽階段從13.5 mm增至16.5 mm，土體側(cè)向位移主要發(fā)生在地表以下10.0 m范圍內(nèi)且隨著深度增加而減小，10.0 m以下深度位移較?。炷翝仓A段，土體側(cè)向位移發(fā)生反向減小，地表土體水平位移從16.5 mm減至12.5 mm．混凝土硬化階段，側(cè)向位移出現(xiàn)小幅增加，從12.5 mm漸增至15 mm．

總體而言，隨著NQ-23、NQ-22和NQ-24的連續(xù)施工，土體側(cè)移累積增大[16]，地連墻施工引起的淺層土體側(cè)移也較明顯，且位移隨深度增加而減?。乇?0.0 m以下土體側(cè)移變化較小，這是因?yàn)闇\層土體剛度較小，容易受到擾動(dòng)，而深層土體剛度較大，不易受到擾動(dòng)．

2.2 地表沉降

地連墻施工期間的地表沉降變化如圖4．北側(cè)沉降點(diǎn)距離槽段由近到遠(yuǎn)依次為N-1和N-2，南側(cè)沉降點(diǎn)距離槽段由近到遠(yuǎn)依次為S-1、 S-2、 S-3和S-4．NQ-23施工地表沉降變化相對(duì)明顯，如圖4(a)．地表沉降最大值約為17 mm，發(fā)生在S-1處，且隨離槽段距離的增加而減?。诔刹垭A段地表沉降變化明顯，約占NQ-23施工沉降的90%左右．在混凝土澆筑階段，地表沉降繼續(xù)累積但發(fā)展緩慢．混凝土硬化階段，地表沉降則趨于穩(wěn)定，變化微?。?/p>

圖3 土體水平位移Fig.3 (Color online) Variation of lateral displacement

圖4 地表沉降圖Fig.4 (Color online) Development of ground surface settlement

NQ-22施工時(shí)地表沉降發(fā)展規(guī)律如圖4(b)所示，最大地表沉降發(fā)生在S-1，隨著離槽段距離的增加而減小．在成槽階段，地表沉降迅速增大．混凝土澆筑階段，地表沉降繼續(xù)發(fā)展但增幅較小．混凝土硬化階段， 地表沉降變化微小且趨于穩(wěn)定． NQ-24施工時(shí)地表沉降規(guī)律與NQ-23和NQ-22類似．

2.3 土體分層沉降

槽段NQ-24、NQ-23和NQ-22施工過程中，土體分層沉降發(fā)展規(guī)律類似，如圖5所示．分層沉降點(diǎn)從淺到深依次為M1、M2、M3和M4．成槽階段，分層沉降快速增大；混凝土澆筑階段，分層沉降累計(jì)發(fā)展但增幅較?。换炷劣不A段，分層沉降變化很小，基本趨于穩(wěn)定．相鄰兩幅地連墻施工引起的分層沉降變化相對(duì)較小，這表明分層沉降主要受到正對(duì)地連墻施工影響．在整個(gè)施工過程中，分層沉降明顯小于地表沉降，且深度越深，分層沉降越小，說明地連墻施工對(duì)淺層土體擾動(dòng)較大，使得地表沉降和淺層土體沉降較大，地連墻施工對(duì)深層土體擾動(dòng)較小，深層土體沉降變化也較?。?/p>

圖5 分層沉降圖Fig.5 (Color online) Variation of subsurface settlement

2.4 建筑沉降

以建筑物兩側(cè)建筑沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，B-1距離槽段22.2 m，B-2距離槽段5.0 m．地連墻施工過程中的建筑沉降變化如圖6．NQ-23施工時(shí)B-2處建筑沉降變化比B-1大．成槽階段，B-2處建筑沉降由0發(fā)展至3.8 mm，B-1處建筑沉降由0發(fā)展至0.8 mm．混凝土澆筑階段，建筑沉降繼續(xù)發(fā)展但變幅較小，B-2處建筑沉降從3.8 mm發(fā)展至3.9 mm．混凝土硬化階段，建筑沉降變化微?。?/p>

圖6 建筑沉降Fig.6 Building settlement

NQ-22施工時(shí)建筑沉降規(guī)律與NQ-23類似，建筑沉降變化微?。诔刹垭A段，B-1處建筑沉降由1.0 mm發(fā)展為1.4 mm，B-2處由4.7 mm增長(zhǎng)為6.2 mm．混凝土澆筑階段，建筑沉降繼續(xù)累積但變化較?。诨炷劣不A段，建筑沉降變化則很?。?/p>

NQ-24施工時(shí)建筑沉降規(guī)律與NQ-23和NQ-22類似．在成槽階段，B-2處建筑沉降從7.2 mm增至8.8 mm．在混凝土澆筑與硬化階段，建筑沉降增幅很小．

與地表沉降相比，在整個(gè)施工過程中建筑沉降均非常小，這主要是由于建筑物采用樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)持力層沉降較小使建筑物沉降相應(yīng)較小，另外建筑物的結(jié)構(gòu)剛度對(duì)沉降控制起到了積極作用，建筑擁有自身調(diào)節(jié)沉降的能力．

2.5 建筑傾斜

在NQ-23地連墻施工結(jié)束后，建筑傾斜發(fā)展為0.11%，隨著NQ-22的施工，建筑傾斜繼續(xù)小幅增大，建筑傾斜達(dá)0.14%，NQ-24施工完成后，建筑傾斜趨近于穩(wěn)定，建筑傾斜達(dá)到了0.16%．NQ-23施工對(duì)建筑傾斜影響最大，相鄰槽段引起建筑傾斜較?。鶕?jù)國(guó)家建筑規(guī)范[17]，該建筑的傾斜應(yīng)小于規(guī)范允許值0.4%，現(xiàn)場(chǎng)建筑傾斜明顯小于允許值，這表明現(xiàn)場(chǎng)地層變形控制較好，且建筑物自身的強(qiáng)度和剛度對(duì)建筑傾斜起到了抑制作用．

2.6 土壓力

地連墻施工過程中不同深度處土壓力變化如圖7．泥漿壓力隨深度分布規(guī)律為

δs=γszs

(1)

其中，δs為泥漿重度；zs泥漿水頭高度；γc為混凝土重度．

灌注混凝土側(cè)向壓力隨深度滿足雙線性分布規(guī)律[18]：

(2)

其中，z為地面以下深度；γb為膨潤(rùn)土重度；hcrit為臨界深度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土層情況，臨界深度取5.0 m．

地連墻施工過程中，土壓力在泥漿壓力和混凝土壓力之間波動(dòng)，土壓力在成槽開挖階段呈下降趨勢(shì)，在鋼筋混凝土施工階段下降趨勢(shì)停止并出現(xiàn)顯著上升，在混凝土凝固階段，再次出現(xiàn)輕微下降并趨于穩(wěn)定．

圖7 土壓力變化規(guī)律Fig.7 (Color online) Variation of earth pressure

NQ-22、NQ-23和NQ-24的土壓變化規(guī)律見圖7．由圖7(a)可見，NQ-23成槽開挖引起地層應(yīng)力釋放，地表以下4.0 m深度處的土壓力減小至初始應(yīng)力(δhi)的79%；混凝土澆筑過程中，混凝土側(cè)向壓力對(duì)地層應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償，土壓力迅速上升至初始應(yīng)力的137%；混凝土硬化過程中，混凝土側(cè)向應(yīng)力逐漸消失，使得地層應(yīng)力轉(zhuǎn)而繼續(xù)釋放，土壓力變?yōu)槌刹矍俺跏紤?yīng)力的96%．地表以下11.0 m和20.0 m處的土壓力變化規(guī)律與地表以下4.0 m處相類似，-11.0 m處土壓在成槽結(jié)束后，變?yōu)槌跏贾档?1%，混凝土澆筑完成后，上升至111%，混凝土硬化之后，土壓力變?yōu)?7%．-20.0 m處土壓在開挖成槽結(jié)束后下降為97%，混凝土澆筑后，土壓達(dá)到初始應(yīng)力的103%，之后穩(wěn)定為99%．淺層土壓力變化比深層變化更明顯，表明淺層土體受到擾動(dòng)較大．

如圖7(b)，NQ-22和NQ-24的土壓變化規(guī)律與NQ-23類似，但變化幅度較小，NQ-23施工時(shí)土壓力波動(dòng)比NQ-22和NQ-24施工階段更為明顯，說明正對(duì)槽段施工對(duì)地層影響較大，相鄰槽段施工影響較?。F(xiàn)場(chǎng)土壓力變化規(guī)律較好地揭示了地層變形機(jī)理．

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

MOHAMED[13]對(duì)以往土體水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將土體水平位移變化分為3個(gè)區(qū)域．其中區(qū)域Ⅰ的土層以黏土為主，地層變形較小；區(qū)域Ⅱ以砂性黏土與粉質(zhì)黏土居多，產(chǎn)生一定的土體水平位移；區(qū)域Ⅲ主要為砂性土，位移較大．通過兩條擬合曲線把區(qū)域分開，區(qū)域Ⅰ位于下邊界以內(nèi)，區(qū)域Ⅱ處于上下邊界之間，區(qū)域Ⅲ位于上邊界以外，下邊界為

(3)

上邊界為

(4)

其中，H為深度；Hmax為槽深．本研究土體側(cè)向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要位于下邊界以內(nèi)，土層變形控制較好，在H/Hmax<0.1范圍內(nèi)，位移處于上下邊界之間，說明淺層土體擾動(dòng)較大，這與現(xiàn)場(chǎng)土層條件相吻合．本研究依托地連墻工程的土體水平位移研究與MOHAMED[13]所得結(jié)果的對(duì)比可通過掃描論文末頁(yè)右下角二維碼查看．NQ-23成槽開挖過程中土體水平位移變化最為明顯，H/Hmax<0.2范圍內(nèi)淺層土體產(chǎn)生了明顯側(cè)向位移，且隨深度增加，位移漸減，最大位移發(fā)生在地表；H/Hmax>0.2范圍內(nèi)的土體側(cè)向位移較?。跐仓炷岭A段，由于混凝土對(duì)槽壁的擠壓作用，土體水平位移減?。诨炷劣不A段，土體水平位移發(fā)生小幅增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定．該工程地連墻成槽施工中深層土體剛度較大[5-6]，受到擾動(dòng)較小，淺層土體受一定程度擾動(dòng)且引起地層變形，變形程度在控制范圍內(nèi)，這說明成槽過程中采用的地層控制措施產(chǎn)生了一定的積極作用．

基于CLOUGH等[14]的研究，分析地表沉降分布規(guī)律，對(duì)比以往監(jiān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，在CLOUGH等[14]建議曲線之外，沉降較大，土層主要為砂性土；在CLOUGH等[14]建議曲線之內(nèi)，土層條件主要為黏土與粉質(zhì)黏土，沉降相對(duì)較?。疚膶?duì)依托地連墻工程的地表沉降研究與CLOUGH等[14]研究的數(shù)據(jù)對(duì)比可通過掃描論文末頁(yè)右下角二維碼查看．NQ-23成槽開挖過程中，地表沉降變化最為明顯，將地表某處距地連墻槽段的水平距離定義為L(zhǎng)， 在L/Hmax<0.4的范圍內(nèi)，隨著水平距離的增加，地表沉降迅速減小，當(dāng)L/Hmax>0.4時(shí)，地表沉降趨近為0，這表明地連墻成槽施工對(duì)地表沉降的影響范圍是有限的．在混凝土澆筑與硬化階段，沉降變化較小并趨于穩(wěn)定．與以往研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)地表累積沉降均在CLOUGH等[14]建議之內(nèi)．這表明地連墻成槽開挖過程中，土體受擾動(dòng)所產(chǎn)生的地層變形在控制范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)采取的地層控制措施在一定程度上有效抑制了土體位移和地層變形，這與本研究現(xiàn)場(chǎng)地層條件相吻合．

結(jié) 語(yǔ)

本研究以蘇州地鐵5號(hào)線某車站地連墻施工為工程依托展開監(jiān)測(cè)，研究了相鄰地連墻連續(xù)施工對(duì)周邊地層變形的影響．地連墻施工對(duì)地層擾動(dòng)的影響可大致分為3個(gè)階段：成槽階段、鋼筋混凝土施工階段和混凝土凝固階段．成槽階段地層應(yīng)力釋放，地層變形較大；混凝土施工階段，混凝土澆筑對(duì)地層應(yīng)力有補(bǔ)償作用，使土體變形減??；混凝土凝固階段，地層應(yīng)力繼續(xù)釋放并趨于穩(wěn)定，地層變形很?。芯堪l(fā)現(xiàn)，地表以下H/Hmax<0.2范圍內(nèi)的淺層土體受到施工擾動(dòng)較大，土體變形較明顯；隨著深度的增加，土體變形迅速減??；深層土體受到的地層擾動(dòng)較小，土體變形也較?。芯勘砻?，3幅相鄰地連墻施工過程中，正對(duì)槽段地層變形明顯，約占總變形的70%左右，相鄰槽段施工對(duì)地層變形累積增加，但變化幅度較?。?/p>