孫連勇，段淑倩，李明宇，門燕青，周明祥，盧 途

(1.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250101； 2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京 100020； 4.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟南 250061)

0 引言

地鐵車站深基坑工程平面尺寸和開挖深度往往較大，所處區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，且緊鄰周邊建筑物或構(gòu)筑物、地下管線及周邊道路，開挖過程中，基坑巖土體、圍護結(jié)構(gòu)本身以及周圍建筑物的變形和安全都會受到嚴重威脅，從而導(dǎo)致一系列工程結(jié)構(gòu)存在破壞和失穩(wěn)問題(如基坑土體大變形、周圍地表及地下管線沉降、周圍建筑物傾斜開裂等)[1-2]。

在建濟南地鐵車站深基坑工程部分標段處于地質(zhì)條件復(fù)雜特殊的“上土下巖”軟硬復(fù)合地層[3]，會出現(xiàn)吊腳樁、剛性與柔性圍護結(jié)構(gòu)非協(xié)調(diào)受力及變形等問題，僅采用數(shù)值模擬手段很難進行精準預(yù)測和把握基坑的變形問題。因此，為確保重大深基坑工程施工及周邊建筑安全，實現(xiàn)基坑及周邊環(huán)境的實時監(jiān)測反饋，通過對土巖組合深基坑開挖全過程中巖土體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時分析，探究時空演化特征，以達到指導(dǎo)信息化施工和支護設(shè)計的目的。

目前在土巖組合地層深基坑開挖變形與安全穩(wěn)定性分析方面，專家學(xué)者們多采用有限元法和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析展開研究[4-19]，主要涉及吊腳樁支護方案選擇和支護效果優(yōu)劣，土巖組合地層深基坑施工中的難點和處理對策，采用不同支護結(jié)構(gòu)形式時圍護結(jié)構(gòu)和巖土體的變形特點與規(guī)律基坑位移發(fā)生位置與土層厚度的關(guān)系與外荷載與既有建筑物埋深對坑外土體變形的影響，支護樁的變形模式與坑外土體沉降關(guān)系等方面。以上研究成果可為濟南地鐵車站土巖組合基坑巖土體及圍護結(jié)構(gòu)變形特點分析提供一定借鑒，但由于基坑工程區(qū)域性特點，該地區(qū)以黏土、黃土-灰?guī)r為主的二元復(fù)合地層結(jié)構(gòu)中，深基坑變形無大量相對成熟的特征和經(jīng)驗可循，作為研究和設(shè)計基礎(chǔ)的圍護結(jié)構(gòu)實測變形在基坑施工期的時空演化規(guī)律仍不清晰，限制了濟南地區(qū)土巖組合基坑設(shè)計理論、變形控制標準以及各類風(fēng)險應(yīng)對措施的研究與進展。

因此，以濟南CBD地鐵車站深基坑工程為依托，選取中心節(jié)點綢帶公園站和北節(jié)點工業(yè)南路站基坑變形實測數(shù)據(jù)，探究土巖組合地層中深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形時空演化規(guī)律，揭示基坑變形對分層開挖施工工序、地質(zhì)條件和不同圍護體系的時空響應(yīng)特征，并與有限元數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，對土巖組合地層的地面沉降模式進行規(guī)律性總結(jié)，給出典型濟南深基坑圍護方案的開挖影響分區(qū)。

1 工程概況

1.1 項目概況與地質(zhì)條件

綢帶公園站位于濟南CBD中心節(jié)點處，是環(huán)線與M1線換乘車站，環(huán)線車站總長278m，標準段內(nèi)基坑凈寬為24.7m，開挖深度約17.6m，覆土厚約2.9m；M1線車站總長321m，標準段內(nèi)基坑凈寬為24.7m，開挖深度為25.3m，車站范圍無地下構(gòu)筑物及管線(見圖1)。工業(yè)南路站位于中軸線北端，工業(yè)南路南側(cè)為環(huán)線車站，標準段基坑深度為17.5～22.4m。地勢南高北低，高差較大，覆土厚度為2.6～5.9m，工程場地施工期間抗浮設(shè)防水位標高按52.000m考慮，二者皆為典型的深大基坑工程。

由圖1可知，本工程場地位于濟南典型土巖組合地層之中。兩基坑土層層序相對清晰，主體基坑內(nèi)主要有雜填土、黃土、粉質(zhì)黏土、碎石土、全風(fēng)化/強風(fēng)化/中風(fēng)化灰?guī)r和閃長巖，典型的巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 基坑場區(qū)主要巖土層物理力學(xué)參數(shù)[3]

圖1 工程環(huán)境和典型工程地質(zhì)剖面

1.2 基坑支護情況

綢帶公園站支護結(jié)構(gòu)依地質(zhì)條件進行分段處理，環(huán)線采用上部明挖放坡法，下部西側(cè)采用φ800@1 500鉆孔灌注樁(嵌巖樁)加錨索形式，東側(cè)與地下空間一體化施工采用全放坡開挖。M1線上部采用明挖放坡，下部采用φ800@1 200或φ900@1 200鉆孔灌注樁加錨索形式，西端局部采用全放坡。本文選取的典型綢帶公園環(huán)線～軸土巖組合基坑深度為17.4m，主體圍護結(jié)構(gòu)右側(cè)為三級放坡，噴錨支護。左側(cè)嵌巖樁施工工序如下：①上部放坡并進行噴錨支護，隨后施工直徑800mm、樁距1 500mm的嵌巖樁(樁底部嵌入中風(fēng)化泥灰?guī)r)、冠梁和第1道預(yù)應(yīng)力錨索(對應(yīng)圖2的第1層開挖)；②向下開挖至第2道錨索以下50cm后，施工第2道預(yù)應(yīng)力錨索(對應(yīng)圖2的第2層開挖)；③待錨索完成張拉后，開挖剩余土石方，直至基底以上30cm，后人工配合小型挖掘機清底(對應(yīng)圖2第3層開挖)，直至開挖完成。

圖2 綢帶公園站基坑～軸放坡+嵌巖樁支護剖面

工業(yè)南路站主體圍護結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，本文選取的①～③軸基坑斷面左側(cè)為三級放坡，前兩級放坡都位于土層中，按1∶0.5放坡，最后一級位于巖層中，按1∶0.3放坡，放坡采用噴錨支護，如圖3a所示。右側(cè)為典型的吊腳樁支護結(jié)構(gòu)，基坑深度為23.48m，分4層開挖。樁體采用φ800mm灌注樁，間距為1 200mm，前兩排錨索間距4.5m，最后1排錨索位于土巖結(jié)合面附近；基巖以下深度范圍內(nèi)(第4層)采用放坡噴錨支護，下部錨桿呈梅花形布置，錨桿水平間距為1.2m(見圖3b)。

工業(yè)南路站③～⑦軸基坑深度23.48m，左側(cè)為三級放坡，右側(cè)土層厚約16m，分5層開挖，采用的圍護結(jié)構(gòu)形式與綢帶公園站～軸基坑斷面左側(cè)支護相似，亦為放坡+嵌巖樁支護，樁體采用φ800mm灌注樁，樁距1 200mm，錨索間距為4.5m，最后1排錨索位于土巖結(jié)合面附近(見圖3c)。

圖3 工業(yè)南路站典型深基坑支護剖面

1.3 基坑監(jiān)測方案

本文重點分析探討基坑周邊地表沉降和圍護樁體深層水平位移的時空演化規(guī)律，代表性的監(jiān)測項目與監(jiān)測控制標準如表2所示。

表2 綢帶公園站和工業(yè)南路站基坑監(jiān)測項目和控制標準

綢帶公園站基坑右側(cè)放坡+嵌巖樁代表性監(jiān)測地表沉降點為DBC1+323-(1～9)，其中DBC1+323-(1,3,5,7,9)分別距基坑邊緣1，4，9，14，24m。圍護樁體深層水平位移代表測點為CX-15-21。工業(yè)南路站①～③軸左側(cè)監(jiān)測地表沉降點DBC1+950-(1,3,5,7,9)分別距基坑左側(cè)邊緣1，4，9，14，24m。工業(yè)南路站①～③軸右側(cè)吊腳樁DBC1+950-(2,4,6,8,10)，③～⑦軸右側(cè)嵌巖樁DBC1+970-(2,4,6,8,10)分別距基坑右側(cè)邊緣1，4，9，14，24m。圍護樁體深層水平位移監(jiān)測代表點為CX-1-3，CX-3-7。2個典型地鐵車站各監(jiān)測點位置如圖4所示。

圖4 基坑平面監(jiān)測點布置及坑周監(jiān)測示意

2 基坑實測變形時空演化分析

2.1 土巖組合基坑圍護樁變形分析

監(jiān)測圍護樁體結(jié)構(gòu)變形有助于把握圍護樁體自身的強度、穩(wěn)定性，及其對周圍土體變形的影響，圍護樁深層位移控制是深基坑施工安全的基礎(chǔ)和保障。30個監(jiān)測點的圍護樁樁體最大水平位移與基坑開挖深度關(guān)系如圖5所示，不同開挖深度下，土巖組合基坑圍護樁體典型深層水平位移時空響應(yīng)如圖6所示。

CNKI中，以關(guān)鍵詞白花前胡(模糊)和作者欄輸入第一作者名稱，檢索發(fā)表于2008年1月1日—2017年12月31日的文獻。發(fā)表文獻量≧3篇的有3位(表7)。

圖5 樁體最大水平位移與基坑開挖深度的關(guān)系

1)樁體最大水平位移主要發(fā)生在土巖結(jié)合面以上，這是由于土巖結(jié)合面上部為易變形土層，基巖部分為強風(fēng)化～中風(fēng)化灰?guī)r，具有相對較好的抗變形能力(見圖6)。當樁腳土體尚未開挖時，樁腳處水平位移基本為0，而后隨著開挖深度增大而增加，水平位移最大點的位置也不斷下移，但最大值基本都位于土巖結(jié)合面以上的土體范圍內(nèi)。開挖完成后，向基坑內(nèi)最大變形值分別為9，6，6mm(見圖6)?？傮w而言，樁體位移一般小于0.070%H，樁體最大水平位移平均值為0.042%H，小于控制標準的0.14%H(見圖5和表2)，說明開挖支護設(shè)計相對合理，樁體水平位移可控。

圖6 不同開挖深度下土巖組合基坑圍護樁體側(cè)向位移(“+”為向坑內(nèi)，“-”為向坑外)

2)對于放坡+嵌巖樁樁體，無論是綢帶公園環(huán)線CX-15-21嵌巖樁，還是工業(yè)南路站CX-3-7嵌巖樁，由于樁腳嵌固在基坑開挖面以下的巖層中，開挖過程中都會導(dǎo)致樁底出現(xiàn)背離基坑方向的微小水平位移。隨著第2，3層開挖，CX-15-21嵌巖樁樁體變形從土巖結(jié)合面向上基本呈逐漸增大趨勢，位移最大值發(fā)生在距離圍護樁頂部0～3m的自穩(wěn)性較差的粉質(zhì)黏土范圍內(nèi)，變形呈現(xiàn)輕微“鼓肚”形。預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)置，一定程度上削弱了樁體向坑內(nèi)水平位移的發(fā)展，如在12m深度處設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索(見圖2)，樁體位移有明顯的恢復(fù)趨勢(見圖6a)。但由于土體軟弱，抗變形能力較差，當一次性開挖深度較大時，土體卸荷強烈，導(dǎo)致樁身上部仍有向坑內(nèi)的變形。

3)工業(yè)南路站③～⑦軸基坑右側(cè)分5層開挖，一次性開挖深度均小于綢帶公園環(huán)線～軸基坑。在第2，3層開挖過程中，由于開挖深度僅4m左右，且預(yù)應(yīng)力錨索及時施工(見圖3c)，整個樁體水平位移雖有變化，但基本得到控制(見圖6b)。而后在第4層下挖過程中，由于嵌巖樁樁身中部(12m左右)位于碎石土層中(見圖3c)，且土壓力逐步增大，即使施加預(yù)應(yīng)力錨索，樁身向坑內(nèi)的水平位移仍會增大，呈明顯的“鼓肚”形變形模式。由于樁頂土壓力較小，且樁上部2排長預(yù)應(yīng)力錨索錨固作用較強，在樁體上部0～6m范圍內(nèi)出現(xiàn)向基坑外的變形趨勢。當基坑開挖至第5層后，樁體中部水平位移不再明顯增大，說明樁身中部變形基本穩(wěn)定。

4)工業(yè)南路站CX-1-3吊腳樁樁體變形與放坡+嵌巖樁變形趨勢有差異(見圖6c)。首先，由于吊腳樁支護未受到上部放坡的影響，樁頂附近土壓力更小，且設(shè)置較強預(yù)應(yīng)力錨索，開挖過程中，樁體上部出現(xiàn)輕微向基坑外的位移，而樁底位于13～16m以下、基坑開挖面以上的巖肩部分，樁底水平位移基本為0。隨著逐層開挖的推進，樁體最大水平位移基本位于距離地表10m左右的黏土地層中。

2.2 土巖組合基坑施工對周邊地表沉降的影響

本文選擇70個周邊地表沉降測點，探討土巖組合地層基坑中，不同圍護結(jié)構(gòu)形式的地表沉降隨基坑施工的時空演化差異。地面最大沉降與基坑開挖深度關(guān)系如圖7所示，不同圍護結(jié)構(gòu)(放坡+嵌巖樁、吊腳樁、放坡)地表沉降變化曲線如圖8所示，不同開挖深度距離基坑邊緣不同位置的地表沉降情況如圖9所示，可得出如下規(guī)律。

圖7 坑外最大地表沉降與基坑開挖深度的關(guān)系

1)總體上，地表最大沉降隨開挖深度的增大而增加，沉降量一般小于0.052%H，地表最大沉降平均值為0.028%H，小于控制標準的0.1%H(見圖7)，表明坑外地表沉降皆在可控范圍內(nèi)。

2)從圖8可以看出，整個施工過程中，放坡+嵌巖樁、吊腳樁和多級放坡，距離基坑邊緣1，4，9，14，24m監(jiān)測點的地表沉降曲線幾乎表現(xiàn)出相同的變化趨勢(見圖8，9)。開始開挖時，由于放坡開挖或鉆孔灌注樁施工擾動較大，且土釘/預(yù)應(yīng)力錨索尚未施作，距離基坑邊緣較近的地表位置會有輕微沉降，而每層開挖后，由于及時施作支護結(jié)構(gòu)，最終距離基坑邊緣1～24m范圍內(nèi)的地表沉降都得到顯著控制，均在允許范圍內(nèi)。

圖8 土巖組合基坑不同支護形式周邊地表沉降變化曲線

3)地表沉降受地質(zhì)條件和開挖深度影響較大：由圖8，9可知，地表沉降主要發(fā)生于土層開挖過程中，當開挖至土巖結(jié)合面以下時，基坑開挖對地表沉降影響變小。在雜填土、粉質(zhì)黏土中開挖導(dǎo)致地表沉降量大于在碎石土中開挖的地表沉降量，這是由于碎石土層彈性模量遠大于雜填土和粉質(zhì)黏土層。即使采用相同的圍護結(jié)構(gòu)，在相同的土層中開挖，一次性開挖深度越大，對地表沉降影響越大。

5)放坡+嵌巖樁圍護地表沉降的時空演化規(guī)律如圖9a，9b所示?？臻g上，靠近基坑邊緣部分沉降較大，隨著距離增大沉降減小，當距離基坑邊緣約20m(1倍的基坑開挖深度)以外時，地表沉降受基坑開挖影響很小。時間上，基坑外側(cè)累計地表沉降量的發(fā)生范圍和量值隨開挖時間與開挖深度的增加先逐漸增大，后當達到某一時刻時(特別是開挖至土巖結(jié)合面以下時)，沉降量變化逐漸減緩。

6)吊腳樁圍護的地表沉降時空演化規(guī)律與放坡+嵌巖樁圍護的地表沉降規(guī)律不同(見圖9c)，地面沉降曲線呈先增加后減小趨勢，即勺子形，這與已有數(shù)值模擬結(jié)果基本相符，最大沉降點距離基坑邊緣3～5m范圍內(nèi)；空間上，開挖初期，隨著圍護樁距離和開挖深度增加，土體受潛在滑裂面的影響逐步增大，地面沉降迅速增大，而后隨著距離進一步增加，地面點逐步位于潛在滑裂面以外，沉降量自然減??；時間上，地表沉降規(guī)律與放坡+嵌巖樁圍護基本相同，隨深基坑開挖，地表沉降逐漸增加，但在圍護結(jié)構(gòu)體系施加完整后，沉降值增量和沉降速率逐漸減緩并得到控制，最終趨于穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場監(jiān)測成果的理論指導(dǎo)意義

3.1 不同圍護結(jié)構(gòu)地表沉降模式

通過對濟南土巖組合基坑地表沉降實時監(jiān)測和模擬分析(見圖8，9)可知，不同圍護結(jié)構(gòu)周邊地表沉降模式略有不同，基本分為兩種。

1)吊腳樁支護 勺子形沉降變形模式即最大沉降在距基坑邊緣一定距離處，隨著與基坑距離增加，地面沉降先增大后逐漸減小并趨于穩(wěn)定(見圖9c)。勺子形沉降模式的原因在于支護樁延伸至地面時，由于錨桿錨拉作用，使地表沉降最大值發(fā)生在距吊腳樁樁頂一定距離處(為0.2H～0.3H，其中H為開挖深度)，支護樁后緊靠樁體土體變形受支護樁的約束作用，其沉降反而較小。

2)多級放坡和放坡+嵌巖樁支護 漸緩型沉降模式即基坑邊緣沉降變形最大，隨著距基坑邊緣距離的增加，地面沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定(見圖9a，9b，9d)。

圖9 不同開挖深度下土巖組合基坑圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)不同距離處地表沉降

3.2 濟南土巖組合基坑開挖影響分區(qū)

基于第3節(jié)研究成果，對濟南地鐵車站土巖組合地層典型基坑圍護結(jié)構(gòu)開挖的影響嚴重區(qū)、影響一般區(qū)和影響微弱區(qū)進行特定劃分(見圖10)。吊腳樁+預(yù)應(yīng)力錨索圍護的影響嚴重區(qū)最大(1.0H～1.1H)，放坡+嵌巖樁圍護的影響嚴重區(qū)次之(0.5H～0.6H)，分級放坡+噴錨支護的影響嚴重區(qū)相對最小(0.35H～0.4H)。

圖10 濟南土巖組合基坑開挖影響分區(qū)(H為開挖深度)

因此，對于濟南土巖組合基坑施工，采用3種圍護結(jié)構(gòu)，都在一定程度上控制了基坑變形。然而，多級放坡開挖所需施工空間大，回填土方很大，且容易受地下水和地表水的影響。吊腳樁支護對嵌巖深度和巖肩寬度要求很高，且開挖影響區(qū)范圍相對最大，綜合考慮，建議采用放坡+嵌巖樁支護結(jié)構(gòu)。

綜合劃分濟南土巖組合基坑影響區(qū)域后，可根據(jù)建筑物、構(gòu)筑物或地下管線所處的不同分區(qū)，采取不同保護措施。

4 結(jié)語

本文以濟南市土巖組合地層深基坑的監(jiān)測變形數(shù)據(jù)為研究對象，對不同支護形式深基坑的變形時空演化規(guī)律進行總結(jié)與深入研究，并對比有限元數(shù)值分析結(jié)果，結(jié)論如下。

1)在濟南土巖組合地層深基坑中，無論是吊腳樁圍護方案還是放坡+嵌巖樁圍護方案，均出現(xiàn)輕微的“鼓肚”形變形模式，樁體本身水平位移均隨開挖深度增大而逐漸增加，水平位移最大點也不斷下移，變形最大值位于土巖結(jié)合面以上的軟弱土體范圍內(nèi)。由于下部巖層嵌固作用，圍護樁樁底基本不產(chǎn)生水平位移或少量向基坑外的微小位移。

2)空間上，放坡+嵌巖樁地表沉降呈漸緩式演化規(guī)律，即靠近基坑邊緣的部分沉降較大，然后隨距離增大而減小，吊腳樁地表沉降呈“勺子形”演化規(guī)律，即呈先增加后減小的趨勢；時間上，基坑外側(cè)累計地表沉降量發(fā)生范圍和量值隨開挖時間與開挖深度的增加以及支護體系的施作，呈先增大后減緩趨勢。

3)濟南土巖組合基坑吊腳樁+預(yù)應(yīng)力錨索圍護的影響嚴重區(qū)最大(為1.0H～1.1H)，放坡+嵌巖樁圍護次之(為0.5H～0.6H)，分級放坡+噴錨支護相對最小(為0.35H～0.4H)?？紤]放坡施工填挖方量較大以及吊腳樁支護開挖影響范圍較大等問題，認為在濟南土巖組合深基坑中，當基巖深度較大時，采用放坡+嵌巖樁圍護方案更加合理。當然，若考慮施工難度和圍護樁嵌固深度問題，吊腳樁+錨索圍護體系也可取得較好效果。