对地铁车站“坑中坑”基坑周边地表沉降的研究

2018-08-31张世民李先锋江克勤

浙江建筑 2018年8期

葛俊,张世民,李先锋,江克勤

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院,湖北武汉 430068；2.杭州市地铁集团有限责任公司,浙江杭州 310003；3.杭州民安检测科技有限公司,浙江杭州 310015；4.浙江大学城市学院工程学院,浙江杭州 310015；5.浙江省建筑科学设计研究院有限公司,浙江杭州 310012)

1 概述

随着城市经济的飞速发展以及城市居民对快捷交通的需求,地铁已悄然成为新的交通潮流。在各地地铁大兴建设的同时,城市内开挖深基坑引发的一系列问题也随之而来,尤其是地铁车站的“坑中坑”问题更为突出,“坑中坑”类基坑存在着在外坑底开挖内坑的工序,这将对外坑坑底土体产生二次扰动,影响整个基坑围护结构及坑外土体的内力及变形趋势,因此,许多学者对此类问题已进行了专题研究。

龚晓南呼吁重视“坑中坑”对基坑围护结构稳定性的影响,并对“坑中坑”类基坑的围护结构稳定性和变形特性进行了对比分析[1]。吴铭炳通过分析内坑、外坑间的相互影响,对软土地基坑中支护设计计算深度的取值进行了相关研究[2]。陈乐意等利用数值模拟对软土地区某基坑的开挖计算深度、坑中坑位置等影响因素进行了探讨[3]。申明亮利用有限元软件对影响坑中坑基坑应力场的内外坑面积比、内外坑深度比、坑址系数和内墙插入比等参数进行对比分析[4]。徐意智提出了等效深度的概念和等效深度系数、等效影响角等参数,并论证了相关参数的有效性[5]。李金清建立了考虑地下连续墙与土体相互作用的三维有限元模型,对坑中坑距地下连续墙的距离、土体参数以及支护结构刚度等影响围护结构变形的因素进行了研究分析[6]。王新利用有限元法模拟了某条形坑中坑基坑,对围护墙插入比进行了研究[7]。目前对“坑中坑”的研究主要集中在利用数值模拟进行分析,而对于“坑中坑”的设计、施工控制方面尚有欠缺。鉴于“坑中坑”类问题尚有较大的研究空间,本文试图通过对基坑变形机理进行研究、分析,并结合“坑中坑”自身结构特点,将单级基坑变形理论通过修正应用至“坑中坑”类基坑问题,欲为研究“坑中坑”变形机理及“坑中坑”设计方法提供新的研究思路。

2 “坑中坑”基坑变形机理及影响因素分析

2.1 单级基坑变形机理分析

基坑开挖的过程即是基坑开挖面卸荷的过程,随着开挖深度的增加,基坑内外压力差随之增大,基坑内外主动压力区和被动压力区的土体发生位移变化。围护结构外侧主动压力区的土体向坑内水平位移,使背后土体水平应力减小,以致剪力增大,出现塑性区；而基坑开挖面以下的围护结构内侧被动压力区的土体发生水平挤压位移,致使坑底土体水平向应力增大,以致坑底土体发生水平向挤压和向上隆起的位移,在坑底处形成局部塑性区。同样地质和埋深条件下,深基坑周围地层变形范围及幅度,因墙体的变形不同而有很大差别,墙体变形往往是引起周围地层移动的重要原因。

Cloughand O’rourke将内支撑和锚拉系统开挖所引致的围护结构变形型式归为三类：悬臂式位移，抛物线型位移，上述两种型态的组合[8]。Ou，Moh and Woo，李琳和徐中华等搜集了大量工程实测数据,通过分析表明设置内支撑的柔性墙位移形式为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动,墙体腹部向基坑内突出的抛物线型位移,且最大水平位移值一般处于开挖面附近[9-12]。

2.2 “坑中坑”基坑变形机理分析

“坑中坑”为在单级基坑底再次开挖基坑,作为一种独特的基坑形式,既具备单级基坑开挖变形的应力-应变特征,同时又有比传统基坑更加复杂的应力-应变特性。

“坑中坑”的内坑围护结构在外坑开挖前已施工完毕,外坑开挖过程中,内坑的围护结构对坑底土体应力释放及坑外土体向坑内挤压移动具有一定的限制作用。在外坑开挖完毕后,外坑围护结构的变形及坑外土体将达到一种平衡状态。由于内坑的开挖也具有单级基坑的应力-变形特性,内坑围护结构的变形、位移将破坏外坑的应力-应变平衡状态,影响外坑围体结构的位移变形及坑外土体的应力场分布。见图1。

图1 “坑中坑”基坑变形示意图

2.3 “坑中坑”围护结构变形模型的建立

为了能够更好地反映“坑中坑”内坑对外坑的影响,并且能够较为准确地估算围护结构的变形,从而根据围护结构的变形与基坑外土体沉降的关系,预测“坑中坑”开挖引起坑外土体沉降量,特建立以下计算模型。该计算模型主要基于以下几点假设。

1)假设围护结构的位移为向基坑内突出的抛物线型,根据围护结构的应力-应变协调条件,利用多项式对围护结构变形进行拟合：

u(z)=a0+a1z+a2z2.

(1)

根据围护结构顶部位移(0,α0)和围护结构最大水平位移点(zm,um),可得：

(2)

支护结构侧向位移曲线围成的面积为：

(3)

式(3)中：H为基坑开挖过程中围护结构变形的影响深度。

2)内坑开挖将导致外坑底部产生一定范围的沉降区,外坑的围护结构所处该沉降区的位置将直接影响外坑应力-应变变形特性,可以通过内坑的开挖深度与内坑围护结构至外坑围护结构距离r对式(3)中的H进行修正：

H′=H+ηh.

(4)

式(4)中η为修正系数：

(5)

式(5)中r为内坑围护结构外侧地表沉降影响范围,针对软土地区一般取2～3倍的开挖深度;x0为内坑围护结构至外坑围护结构的距离。修正后的围护结构侧向位移曲线围成的面积为：

(6)

3)聂宗泉等通过大量实践表明,利用偏态分布密度函数能够较好地拟合基坑周围地表沉降曲线[13]：

(7)

式(7)中v为墙后任一点地表沉降量(mm);x为待求沉降点距坑边距离(m);α为比例系数;β为沉降曲线包络面积与支护结构变位曲线包络面积之比。根据经验,当插入比hd/h≤0.5时,α可取0.5～0.6,β可取1.0～1.2;当插入比hd/h>0.5时,α可取0.6～0.7,β可取0.8～1.0；w为经验系数,软土基坑可取0.6～0.7。

利用该沉降曲线计算出的靠近围护结构边缘范围内的土体沉降几乎为零,这与典型的三角形沉降曲线、指数曲线、抛物线以及修正的地面沉降槽正态分布曲线均有差异,故需对上式进行修正。大量研究表明,围护结构后侧具有一定程度的沉降,但不是地表最大沉降,地表最大沉降出现在距离围护结构边缘一定距离xm处,故对(7)进行以下修正：

(8)

x′=2α(H+ηh)·e-w2-xm.

(9)

式(9)中xm为最大地面沉降值发生位置距离基坑围护的水平距离,根据实际统计资料加上多年来对上海地铁基坑得出的经验关系,得出下面公式：

xm=(0.5～0.7)H.

(10)

式(10)中H为开挖深度,黏粒含量大于50%时,xm取0.7;黏粒含量在20%～30%时,xm取0.5。

3 计算实例及分析

杭州市某个地铁站为地下3层双岛叠侧式站台车站,采用明挖法施工,车站外包尺寸长683.2 m,标准段外坑宽45.4 m,深15.51 m；内坑宽29.8 m,深7.4 m。设计采用800 mm厚地下连续墙结合钻孔灌注桩+混凝土支撑+φ609钢管内支撑体系,其中第一道全部采用钢筋混凝土支撑。标准段外坑地连墙墙深27 m,开挖深度15.51 m；内坑钻孔灌注桩桩长14.8 m,开挖深度7.4 m基坑的土层参数见表1。基坑横断面图见图2。

图2 基坑横断面图

岩性及其编号重度γ/(kN/m3)含水量w/%压缩模量Es1-2/MPa固结快剪C/kPaϕ/()静止侧压力系数k0基床系数KV/(MPa/m)KX/(MPa/m)①-3淤填土或塘泥18.837.51.88～106～12———②-2粉质黏土18.933.14.026.614.70.46118.716.8④-1淤泥质黏土17.949.82.513.78.50.7137.06.8⑦-1黏土19.925.28.841.817.50.44045.636.2-1含砾粉质黏土19.826.511.743.217.40.40631.830.4-2含黏性土碎石——253.042.00.41546.035.0-2强风化砂砾岩——3555.025.0—160.0135.0-3中等风化砂砾岩——>50.0243041.4—220.0200.0