王力瑋 申洋 穆保崗

(1.中鐵上海工程局集團(tuán)華海工程有限公司 201101；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢430063；3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京211189)

引言

現(xiàn)有地鐵車站基坑通常為狹長(zhǎng)型，大多情況下為順作開挖后施工地下主體結(jié)構(gòu)。在有些情況下，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件差異較大、地面交通狀況限制條件嚴(yán)苛?xí)r，會(huì)分段采用地連墻、鉆孔灌注樁及其它多種支護(hù)形式。對(duì)于基坑開挖造成地表沉降，Peck[1]曾結(jié)合多個(gè)基坑工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為基坑開挖問題做出開創(chuàng)性研究。Wang等[2]研究了上海地區(qū)采用不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑的變形性狀。張德富等[3]通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了蘇州地鐵1 號(hào)線車站基坑的變形性狀，給出了三種典型圍護(hù)結(jié)構(gòu)-地連墻、咬合樁和SMW 圍護(hù)樁的側(cè)移、墻后地表沉降變化范圍及平均值。廖少明等[4]收集了蘇州地區(qū)11 個(gè)采用鉆孔灌注樁圍護(hù)、順作法施工的方形基坑及23 個(gè)采用地連墻圍護(hù)的長(zhǎng)條形地鐵車站基坑的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了蘇州地區(qū)采用不同擋土結(jié)構(gòu)、不同形狀的大尺度深基坑的變形性狀。但現(xiàn)有研究中關(guān)于狹長(zhǎng)型基坑分段應(yīng)用多種支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形的總結(jié)分析尚不多見。

本文依托實(shí)際工程項(xiàng)目，選取了集800mm厚地連墻明挖段、800mm 厚地連墻逆作段、φ1000mm@1200 灌注樁明挖段三段于一體的黏性土中狹長(zhǎng)型基坑。對(duì)依托工程的實(shí)際開挖情況及監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行介紹，選取典型位置，分析了該基坑中不同區(qū)段支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形差異。

1 工程概況

依托工程為江蘇無錫惠山古鎮(zhèn)站地鐵車站基坑，屬于無錫地鐵4 號(hào)線一期工程。基坑縱向長(zhǎng)度約470m，平均寬度約20m，屬于典型的狹長(zhǎng)型基坑?；訕?biāo)準(zhǔn)段深度約16m，盾構(gòu)井段深度18.2m。

該地鐵車站場(chǎng)地上覆軟弱土層，下伏中風(fēng)化石英砂巖。由于基坑縱向長(zhǎng)度大，各層土埋深在縱向上差異明顯，尤其在基坑南端頭位置下伏巖層淺埋，縱向地質(zhì)剖面見圖1。在縱向基坑分為明顯的兩段，其中一段巖層埋藏深度較深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm 厚地連墻；另一段巖層埋藏深度較淺，采用鉆孔樁+ 旋噴樁止水帷幕的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical index of soil

此外，在古華山路和龍光路交叉路口位置，為快速恢復(fù)交通，采用了逆作法，即先施工主體結(jié)構(gòu)頂板，頂板澆筑完成后回填并快速恢復(fù)道路。地層分層情況見表1。

如圖2所示，狹長(zhǎng)型基坑縱向上分為 3 段：800mm 厚地連墻明挖段、800mm厚地連墻逆作段、φ1000mm @1200 灌注樁明挖段。三段設(shè)計(jì)剖面分別如圖3、圖4所示。

逆作基坑先施做地連墻，后澆筑逆作頂板并作為水平支撐，繼而開挖至預(yù)定深度，開挖完成后迭合施做主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻。

圖1 縱向地質(zhì)剖面示意Fig.1 Schematic diagram of longitudinal geological section

圖2 基坑平面(單位：m)Fig.2 Foundation pit plane(unit：m)

圖3 地連墻(灌注樁)明挖段支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 Section of diaphragm wall (cast-in-place pile)open excavation section

圖4 逆作段支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.4 Section of support structure in reverse working section

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測(cè)方案

為掌握施工中基坑自身變形及對(duì)周邊環(huán)境的影響，對(duì)依托工程進(jìn)行了諸多因素監(jiān)控：地連墻頂水平位移、地連墻深層水平位移、地表沉降、支撐軸力、周邊建筑位移及裂縫。本文僅分析地連墻水平位移、地表沉降兩項(xiàng)直接測(cè)量數(shù)據(jù)，來分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性。

由于基坑長(zhǎng)度較大，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)繁多，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)分段，選取部分典型截面如圖5所示，監(jiān)測(cè)斷面位置如圖2所示。其中，斷面1(對(duì)應(yīng)實(shí)際工程的43 軸)采用地連墻+內(nèi)支撐支護(hù)。斷面2(對(duì)應(yīng)實(shí)際工程的48 軸)采用地連墻逆作法支護(hù)。斷面3(對(duì)應(yīng)實(shí)際工程的52 軸)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)。

圖5 監(jiān)測(cè)斷面布置示意Fig.5 Layout of monitoring section

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

現(xiàn)有的大量數(shù)據(jù)表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿墻身的測(cè)斜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性影響因素眾多，實(shí)際獲得的監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算變形趨勢(shì)有一定出入。為保證數(shù)據(jù)真實(shí)性及完整性，此處保留了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的原有格式，即時(shí)間-位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析一定時(shí)間段內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的趨勢(shì)。

1.明挖區(qū)地連墻水平位移

圖6a 所示為明挖段內(nèi)支撐基坑地連墻側(cè)向變形趨勢(shì)，已完成表層土開挖及混凝土支撐澆筑，并于 2018年 10月 10日開挖第一層土，10月22日完成第一層8m 土方開挖并架設(shè)第二道支撐，11月1日完成16m 深度的土方開挖。

數(shù)據(jù)顯示：10月10日地連墻頂部已有1mm的懸臂式變形。此時(shí)未澆筑混凝土支撐，首先開挖深度為2m 的表層土，墻體發(fā)生無支撐懸臂式變形，表現(xiàn)為地連墻上部繞前趾向坑內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在澆筑完成混凝土支撐后，地連墻變形模式轉(zhuǎn)換為支撐作用下的墻體柔性變形。10月10日到10月22日，隨著基坑開挖，地連墻向坑內(nèi)方向產(chǎn)生水平位移。數(shù)據(jù)顯示，地連墻水平位移的增大在2m深度受到約束，且在0 到5m 深度區(qū)間內(nèi)，2m 位置為變形曲線極值點(diǎn)，混凝土支撐位于2m 深度，可認(rèn)為支撐與坑底對(duì)于地連墻的水平約束作用較大，使墻體發(fā)生中間大、上下小的柔性變形。

根據(jù)圖6b，與之對(duì)應(yīng)的另一側(cè)地連墻變形，同樣存在向坑內(nèi)的位移，且2m 深度點(diǎn)有支撐的約束效應(yīng)。對(duì)比圖6a和6b曲線可知，2018年10月 22日至 11月 1日，斷面 1 北側(cè)地連墻 2m深度表現(xiàn)的是水平位移明顯受到約束，而同時(shí)南側(cè)地連墻2m 深度的水平位移表現(xiàn)的依然向坑內(nèi)持續(xù)增加，該斷面的趨勢(shì)是整體向基坑北側(cè)移動(dòng)。

本文數(shù)據(jù)初步說明，使用對(duì)撐的狹長(zhǎng)型基坑，即使兩側(cè)設(shè)計(jì)工況完全相同，受到不同地質(zhì)條件、施工條件和周邊環(huán)境的影響，實(shí)際的變形并不完全對(duì)稱，基坑兩側(cè)變形的不對(duì)稱性通過支撐傳遞并協(xié)調(diào)變形。

2.逆作區(qū)地連墻水平位移

圖7a、b 所示為逆作斷面南北兩側(cè)地連墻變形曲線。兩者表現(xiàn)也不完全對(duì)稱，北側(cè)變化屬于逐漸增加后穩(wěn)定，而南側(cè)則是末期觀測(cè)數(shù)據(jù)稍有突變。數(shù)據(jù)顯示，北側(cè)地連墻向坑內(nèi)最大值為9.32mm，最大值深度為14m；南側(cè)地連墻向坑內(nèi)最大值9.43mm。從北側(cè)地連墻變形曲線可以看出：0m、2.5m、5m 及 8m深度位置存在水平約束。根據(jù)工程實(shí)際情況，可認(rèn)為是剛性混凝土路面、1000mm×1000mm 混凝土冠梁、逆作頂板及鋼支撐坑底約束了地連墻的水平位移。

圖6 斷面1 明挖區(qū)地連墻側(cè)向變形Fig.6 Lateral deformation of diaphragm wall in open cut area of section 1

圖7 斷面2 逆作區(qū)地連墻側(cè)向變形Fig.7 Lateral deformation of diaphragm wall in reverse working area of section 2

對(duì)比明挖地連墻及逆作地連墻開挖變形，以圖6a 與圖7a 為例，發(fā)現(xiàn)明挖基坑與逆作基坑地連墻變形的最大值較為相近，但逆作基坑最大值深度約為14m，明挖段基坑最大值深度 10m。由數(shù)據(jù)形態(tài)可知，圖6a 明挖基坑地連墻水平變形曲線形態(tài)豎向更為均勻，呈中間大、上下小的趨勢(shì)，而圖7a 逆作基坑地連墻變形曲線呈現(xiàn)8m 以上緩慢發(fā)展、8m 以下迅速增加的變形特征。

顯示在基坑底部約束剛度比較接近的情況下，逆作法段基坑上部剛度較大的水平支撐(頂板)限制了豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部的水平位移，使最大水平位移值點(diǎn)位置向下轉(zhuǎn)移。

3.明挖區(qū)灌注樁水平位移

圖8給出了鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。自2018年10月26日起始開挖至11月 17日開挖完成，北側(cè)灌注樁的水平位移最大值為5.918mm，最大值深度為7.0m，南側(cè)灌注樁的水平位移最大值為6.025mm，最大值深度為6m。斷面3 灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值小于斷面1 的最大位移值。

此外，地連墻最大位移值發(fā)生在 10.5m 深度處，灌注樁最大位移值發(fā)生在6m～7m深度處。變形曲線特征不同，地連墻變形值呈中間大兩側(cè)小的形狀，而斷面3 的灌注樁變形呈上部大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體平移的趨勢(shì)。這是由于斷面3 的灌注樁等效抗彎剛度大于地連墻，灌注樁發(fā)生剛性變形的趨勢(shì)更大。

根據(jù)圖9數(shù)據(jù)，地連墻底位移始終在0～1.7mm 區(qū)間內(nèi)移動(dòng)，且坑底深度16m 以下，地連墻變形在開挖后4 天的10月 14日即趨于收斂；相比之下，10月 26日至 11月 25日，鉆孔灌注樁底始終向坑內(nèi)移動(dòng)，其中，10月 30日至 11月 6日，樁頂位移約 2mm，樁底位移約1.8mm，灌注樁發(fā)生了整體偏移。整個(gè)開挖過程中，灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)坑底深度16m 以下與坑底以上的變形增量接近。

圖8 斷面3 明挖區(qū)灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形Fig.8 Lateral deformation of cast-in-place pile in open excavation area of section 3

圖9 明挖區(qū)地連墻段與灌注樁段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形Fig.9 Deformation of retaining structure of diaphragm wall section and cast-in-place pile section

可以認(rèn)為，相比于地連墻，鉆孔灌注樁具有圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部向坑內(nèi)平移的特點(diǎn)。

2.3 地表沉降變形分析

地表沉降量作為地鐵施工監(jiān)測(cè)中可以直接獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)評(píng)估地鐵基坑施工產(chǎn)生基坑變形及周邊所受影響有重要價(jià)值。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，地表沉降具有兩種典型變形特征。如圖10a 為800m 地連墻明挖基坑地表沉降變化曲線。數(shù)據(jù)顯示，各個(gè)日期的地表沉降曲線均在距離側(cè)墻5m 位置下沉最大，其中，該點(diǎn)在2018年10月12日累計(jì)沉降值為7.335mm，為所示時(shí)間段內(nèi)沉降最大值。距離側(cè)墻 2m、5m、10m、18m、26m 的平均累計(jì)沉降量為-2.904mm、-5.812mm、-4.565mm、-4.251mm、-0.888mm。

數(shù)據(jù)表明，隨離基坑距離增加，地表沉降呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，且現(xiàn)有的5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，距離側(cè)墻5m 位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有最大的沉降值。

圖10b 為逆作斷面沉降變形曲線，數(shù)據(jù)選取同地連墻變化的相應(yīng)時(shí)間段。數(shù)據(jù)顯示，2018年10月26日，沉降值呈中間大、靠近及遠(yuǎn)離基坑的位置沉降小的趨勢(shì)。隨開挖進(jìn)行，距離基坑最近的2m 位置點(diǎn)沉降速度加快，并在整體沉降曲線趨勢(shì)上呈現(xiàn)“S”型。所示數(shù)據(jù)中，距基坑2m、5m、10m、18m、26m 位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沉降平均值分別為-0.36mm、0.87mm、0.2mm、-1.67mm、-0.45mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，沉降平均最大的點(diǎn)為距基坑18m 位置。

圖10c 所示為灌注樁沉降變形曲線，變形趨勢(shì)與地連墻段基坑外地表沉降規(guī)律相同。結(jié)合圖10a～圖10c 發(fā)現(xiàn)，對(duì)于明挖基坑如地連墻及灌注樁明挖基坑，沉降趨勢(shì)符合隨離基坑距離的增加先增大后減小的規(guī)律，但逆作基坑與該變形趨勢(shì)存在差異。

考慮到逆作區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移在頂板以上受到限制，靠近基坑邊緣的土體沉降受到約束，距離基坑一定距離位置沉降才開始逐漸增大?？梢哉J(rèn)為，逆作法中，由于水平位移特征的不同，導(dǎo)致了地表沉降的變形趨勢(shì)區(qū)別于明挖基坑。

圖10 地表沉降曲線Fig.10 Surface settlement curve of

3 結(jié)論

基于無錫地鐵4 號(hào)線惠山古鎮(zhèn)站依托工程，根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的不同選取了地連墻明挖斷面、地連墻逆作斷面、灌注樁明挖斷面3 個(gè)斷面類型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。分析結(jié)果如下：

1.逆作基坑的變形特性

逆作段支護(hù)斷面變形特征區(qū)別于明挖段支護(hù)結(jié)構(gòu)。由于逆作法施工上部剛度較大的水平支撐對(duì)地連墻的水平位移存在強(qiáng)力約束作用，逆作基坑地連墻變形曲線呈現(xiàn)上部的水平位移緩慢發(fā)展，以下迅速增加的變形特征。

相比較明挖段，逆作法段周邊地表沉降值最大點(diǎn)更加遠(yuǎn)離基坑開挖面，并在整體沉降曲線趨勢(shì)上呈現(xiàn)“S”型。

2.鉆孔灌注樁、地連墻變形對(duì)比

采用分段支護(hù)的地鐵車站基坑，鉆孔灌注樁的水平位移主要發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部，而地連墻水平位移則呈現(xiàn)中間大、兩端小的趨勢(shì)。上述特征主要與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的線剛度和地質(zhì)條件有關(guān)。