城市轨道交通车站半成岩深基坑围护结构变形特性研究*

2022-04-11邹成路罗文静谢雄耀

城市轨道交通研究 2022年3期

邹成路林威罗文静周彪** 谢雄耀

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司， 510010，广州； 2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室， 200092，上海∥第一作者，工程师)

泥岩等半成岩地层在我国的西北、西南及华南地区广泛分布[1-4]。半成岩是一种第三系未完全沉积变质的特殊岩石，具有土和岩石的特征。现行的各种规范对此类岩石的承载力尚未作出明确的规定。目前对于半成岩的工程特征、力学性能已有部分研究。文献[4]通过数值模拟软件计算结果与实测数据对比来研究半成岩地层桩撑支护结构深基坑的变形规律，分析桩体变形特征及最大侧向位移发生位置。文献[5]研究发现半成岩在微观结构上有明显不同于土和岩石的弱胶结结构特征，在含水率达到饱和后其胶结结构易遭破坏，在宏观力学性能上受含水率影响明显，且各项强度指标均介于软岩与土之间。文献[6]采用南宁城市轨道交通某基坑的泥岩试样进行了长期压缩试验，发现其压缩性与国内其他地区的黏土存在明显差异。文献[7]收集了苏州市34个基坑工程的实测数据，对比分析了苏州市采用不同挡土结构、不同形状的大尺度深基坑的变形特性。上述研究对于分析半成岩地区变形特性提供了良好的方法基础，但针对半成岩与围护结构间相互作用及其变形特性的研究仍然不足。为此，本文以南宁轨道交通的工程建设为背景，采用统计分析方法，通过现场测试及数值模拟，系统分析了城市轨道交通深基坑、超深基坑的变形特性及其影响因素。

1 工程概况

1.1 半成岩深基坑工程案例概况

表1为南宁轨道交通20个半成岩深基坑车站的案例数据。这些车站均采用顺作法进行施工，围护结构为钻孔灌注桩或地下连续墙。除鹏飞路站和西乡塘客运站采用钢支撑外，其他车站的基坑均采用钢筋混凝土支撑。这些车站的基坑开挖深度大多为17.0～19.0 m，其中，朝阳广场站基坑最深，开挖深度达到32.6 m。

表1 南宁轨道交通半成岩地区案例车站的深基坑数据

1.2 超深基坑案例工程概况

为配合大埋深车站站台层暗挖施工的建设需求，南宁轨道交通3号线青秀山站北侧1号风亭组的底部埋深达58.7 m，为此，该站的基坑围护结构采用48根钻孔灌注桩。这些钻孔灌注桩的桩径为1 500 mm、桩间距为1 900 mm，桩顶设置了长度、宽度均为1 500 mm的冠梁。该基坑在竖向设置了12道内支撑，其中：第一道(冠梁处)和第十二道(底板上方)为临时的钢筋混凝土支撑；中间十道为主体结构框架梁，兼做内支撑。图1是该基坑的支护结构断面，图2是该基坑平面布置图。

图1 青秀山站超深基坑支护结构断面图Fig.1 Section drawing of Qingxiushan station ultra-deep foundation pit retaining and protection structure

图2 青秀山站超深基坑内各道支撑的平面布置图

2 半成岩深基坑围护结构的变形特性分析

2.1 侧向位移特性统计分析

设半成岩基坑围护结构的最大侧向位移为δhm、基坑开挖深度为H。将深度为h处的围护结构的侧向位移与δhm的比值定义为围护结构相对侧向位移，h与H的比值定义为围护结构相对深度。图3为13个深基坑围护结构的相对侧向位移分布曲线，其中，侧向位移以指向基坑内部为正。围护结构变形随开挖深度呈中间大、两头小的单峰曲线，变形较大区域位于(0.4～0.8)H范围内。

图3 半成岩案例深基坑围护结构相对侧向位移分布曲线

2.2 深基坑围护结构变形的影响因素分析

本文进一步研究半成岩案例深基坑围护结构变形随基坑几何尺寸、围护结构插入深度与开挖深度的比值(以下简称“围护结构插入比”)、地层厚度变化的变化规律。

2.2.1 基坑几何尺寸

图4 a)中展示了各个案例深基坑围护结构开挖过程中δhm与H的关系，可以看出：基坑围护结构的最大侧向位移在0.085%H至0.398%H之间，平均值为0.185%H。将围护结构最大侧向位移与H的比值定义为围护结构相对最大侧向位移，则围护结构相对最大侧向位移与基坑长宽比(基坑长度与宽度的比值)之间的关系如图4 b)所示。经分析可知：基坑的长度与宽度越接近(即基坑长宽比越小)，基坑的空间效应越强，短边对长边的约束作用越明显，从而使得围护结构的变形越小。当基坑长宽比大于某一限值后，即使基坑长宽比数值再增加，围护结构的变形也基本维持不变，此时近似于平面应变状态。

a) 围护结构最大侧向位移与基坑开挖深度的关系

b) 围护结构最大相对侧向位移与基坑长宽比的关系图4 基坑围护结构最大侧向位移与基坑几何尺寸的关系

2.2.2 围护结构插入比

案例基坑围护结构最大相对侧向位移与围护结构插入比之间的关系如图5所示。半成岩地区基坑插入比存在拐点效应，围护结构最大相对侧向位移随插入比的增大而减小，当插入比大于0.5时，拟合曲线趋于平缓，此时若继续增大围护结构插入比，基坑的变形控制效果提升不明显。

图5 基坑围护结构最大相对侧向位移与基坑围护结构插入比的关系

2.2.3 半成岩地层厚度

将半成岩层的厚度与围护结构长度的比值定义为半成岩影响系数，其与围护结构最大相对侧向位移之间的关系如图6所示。从图6可以看出：半成岩影响系数越大，围护结构的最大相对侧向位移越大。相比其他常见的黏土地层，半成岩地层中的基坑围护结构会出现更大的变形。半成岩具有膨胀性，基坑开挖过程中含水量增加会导致半成岩产生膨胀附加应力，进而导致围护结构变形的增加。

图6 基坑围护结构最大相对侧向位移与半成岩影响系数的关系

3 半成岩超深基坑围护结构的变形特性分析

3.1 案例基坑的变形监测数据

对青秀山站超深基坑工程中实测得到的围护结构侧向位移数据进行整理，选取开挖至第二道支撑、第四道支撑、第九道支撑、基坑底部，以及浇筑好底板时的监测数据进行分析，不同施工阶段下基坑长边中点处的侧向位移曲线如图7所示。随着开挖深度的加大，该测点围护结构的侧向位移持续增加，但呈现出明显的边际递减趋势。

在开挖至第九道支撑前，该测点围护结构侧向位移基本是一个向外凸的单峰曲线，峰值位于泥岩地层中；开挖至第九道支撑后，该测点围护结构侧向位移在粉砂岩地层中发生了上翘，出现“双峰值”变形趋势。随着基坑的开挖，该测点发生最大侧向位移的纵向位置持续向下，同样也呈现出明显的边际递减趋势。

图7 基坑长边中点处围护结构实测侧向位移曲线

3.2 半成岩超深基坑三维数值模拟

本工程采用Plaxis 3D有限元软件进行建模分析。为了消除边界影响，模型的长度和宽度均取基坑开挖深度的4倍，模型的高度取基坑开挖深度的2倍。模型底部采用固端边界约束，四周均采用可沿竖向滑动的单向边界约束。案例基坑各地层选取的本构关系和调整计算参数如表2所示。

表2 案例基坑的地层本构关系及计算参数

通过三维数值模型模拟得到各施工阶段基坑长边中点处围护结构的侧向位移曲线，与实测数据进行对比，其结果如图8所示。在开挖至第七道支撑之前，该测点侧向位移最大峰值的位置是不断下移的，开挖至第七道支撑后其最大峰值的位置固定在泥岩和粉砂岩的分界线上，且峰值数值大小也基本不变；开挖至第十道支撑后，位于粉砂岩层中的次峰形成，其位置靠近基底。从整体看，基坑长边中点处的侧向位移呈现上高下低的双峰模式。

图8 各施工阶段基坑长边中点围护结构处侧向位移模拟值与实测值的对比

4 半成岩超深基坑围护结构变形影响因素分析

4.1 地质条件

弹性模量E、黏聚力c及内摩擦角φ3个参数是对土体性质影响较大的参数。为了研究半成岩岩体参数不同对超深基坑工程的影响，本文采用控制变量法，通过固定2个参数、改变1个参数的方式来模拟各种参数条件下的基坑开挖过程，并对这些参数在基坑围护结构变形中的敏感性进行分析。将E、φ和c分别减小20%、分别减小10%和分别增大10%、分别增大20%，以研究岩体力学性质对于超深基坑围护结构最大侧向位移的影响。

结果表明，φ和岩体整体性质对围护结构最大侧向位移的影响趋势较为一致，而且4种状态下φ产生的最大侧向位移变化值的占比均超过50%，可见φ对围护结构变形的影响最为显著。E和c对应的位移曲线与土体整体性质偏离较大。4种状态下c对应的围护结构最大侧向位移变化值的占比均低于10%，可见c对围护结构变形的影响十分微弱。

4.2 水位高度变化

超深基坑工程的降水代价高昂，合理采用止水帷幕等措施可以降低成本，因此，有必要对基坑内水位高度对围护结构的变形影响进行研究。分别设置全水位、高水位(地下水位在地面以下25%开挖深度处)、半水位(地下水位在地面以下50%开挖深度处)、低水位(地下水位在地面以下75%开挖深度处)、零水位等不同情况，分别进行计算分析。由于半成岩遇水易崩解软化，其与水作用的机理仍有待研究，本文采取水土分算方式进行数值模拟。随着水位的下降，围护结构最大侧向位移迅速减小，全水位工况下围护结构最大侧向位移是零水位工况下的2.23倍，低水位和零水位下的最大侧向位移相差不大。由此可知，当水位较高时，为了控制围护结构的变形，应采用降水措施；当水位较低时，围护结构变形较为可控，可以通过水泥土搅拌桩或旋喷桩等进行止水，以在控制围护结构变形的同时降低施工成本。