长期车辆荷载对深基坑支护结构的变形影响

王文章 王怀彬 刘 涛 任泳霖

中建七局第四建筑有限公司 陕西 西安 710016

近年来，城市轨道交通工程的飞速发展，地铁车站作为城市轨道交通网中的重要建筑，施工过程面临的环境问题也愈发复杂。而地铁车站建设通常位于城区的十字路口，随着大城市汽车保有量逐年增多，车辆运行产生的荷载势必对深基坑开挖造成影响。由于车辆荷载不同于地震荷载及爆破荷载的偶然性，而是长期、持续、不断循环地施加荷载[1-3]，因此，研究长期车辆荷载对深基坑支护结构产生的影响对地铁安全建设具有借鉴与指导意义。

深基坑开挖施工伴随着周边地层的变化，同时邻近道路的车辆荷载更是进一步加剧了施工过程的风险，吴飞海[4]分析对比了不同荷载工况对基坑围护结构的变形规律，发现车辆动力荷载对地表沉降及基坑支护影响的差值不超过5%。唐丽云等[5]通过引入改进等效代换土层厚度法来研究车辆荷载对基坑支护结构的影响，通过提升计算精度，得到了支护结构的变形规律。实际工程中，由车辆荷载引起的基坑失稳事故屡见不鲜，徐长节等[6]采用数值模拟详细分析了坑边超载车辆产生的冲击荷载对基坑既有围护结构的不利影响，并给出围护结构垮塌后的加固方案。丁森林等[7]使用Midas/GTS软件对实际工程中产生的车辆荷载进行等效模拟，并与实际的监测数据进行分析对比，结果表明，车辆荷载距基坑边缘越近，支护结构所受到车辆荷载的影响越大。邱洪志等[8]通过现场试验分析车辆荷载的振动特性，得到振动加速与持续时间之间的变化规律，得出加载车辆距桩间距与土压力成反比。

综上所述，目前关于车辆荷载对深基坑影响的研究，主要关注车辆荷载短期内对深基坑支护结构的影响，而针对长期车辆荷载对深基坑支护结构变形影响的研究还较为少见。本文依托某明挖车站深基坑工程施工实践，通过对深基坑开挖施工过程进行长期监测，并对深基坑支护结构监测数据进行分析，研究长期车辆荷载对深基坑支护结构的影响规律。

1 现场监测

1.1 工程概况

某明挖地铁车站工程为地下3层双柱三跨岛式车站，主体结构总长度为196.3 m，宽度22.7～27.3 m，车站底板埋深约25.2 m，顶板覆土约3.7 m，主体结构采用明挖顺作法施工。车站主体围护结构采用φ1 500 mm@2 000 m灌注桩＋φ800 mm钢管内支撑，车站主体为现浇钢筋混凝土箱形框架结构，结构设置全外包防水层。

1.2 水文地质条件

根据钻探结果揭露，地表分布有厚薄不均的全新统人工填土，其下为上更新统风积新黄土及残积古土壤，再下为中更新统风积老黄土及残积古土壤。钻探揭露场地内地下潜水稳定水位埋深介于43.40～48.00 m之间，故本站不考虑地下水位对本工程的影响。

1.3 周边交通情况

车站北侧紧邻西安市城市主干道南三环路，道路宽30 m，道路红线宽度70 m，双向6车道，南北两侧各3车道，日常车流量较大，南侧为某住宅小区项目，距基坑15.6 m，西侧为某环形天桥项目。

1.4 设计概况

本工程基坑土方采用分层分段台阶法施工，随挖随撑，竖向总体分5层，每层再分小层且不大于2 m开挖，基坑标准段从上至下设置1道1 000 mm×1 000 mm混凝土支撑＋3道φ800 mm钢支撑。

施工工况如下：

第1步：对地面原有绿化、通信、电力等进行迁改，并将场地进行平整。在基坑外侧间隔2 m施作钻孔灌注桩，最后施工临时格构柱，为深基坑开挖奠定基础。

第2步：破除桩头及去除桩顶多余浮浆，开挖基坑至第1道混凝土支撑顶高度，在地面掏槽开挖施作冠梁及挡土墙，并施作第1道混凝土支撑。

第3步：待第1道混凝土支撑强度达到设计要求后，方可进行深基坑开挖，并设置出土马道，坡度为1∶7，随基坑向下开挖依次架设2～4道钢支撑，每小层控制开挖深度不超过2 m，以便桩间挂网喷射混凝土支护，直至开挖至基底预留30 cm，采用人工清底。

2 监测结果分析

2.1 监测内容及测点布置

基坑北侧为城市主干道南三环路，常年车流量较大，车辆长期、持续、循环地产生荷载，依据车辆移动荷载计算理论，需监测车辆荷载对车站基坑支护结构的影响。

深基坑开挖共设置1道混凝土支撑＋3道钢支撑，在深基坑南北侧墙设置墙体水平位移监测点（图1），以监测在长期车辆荷载与深基坑开挖共同作用下对支护结构产生的影响。

图1 监测平面布置

2.2 围护结构侧墙水平位移监测分析

从开挖至各道支撑后，南北侧墙的水平位移如图2～图5所示。

图2 开挖至第1道支撑后南北侧墙水平位移

图3 开挖至第2道支撑后南北侧墙水平位移

图4 开挖至第3道支撑后南北侧墙水平位移

图5 开挖至第4道支撑后南北侧墙水平位移

从图2～图5可以看出：

深基坑开挖至第1道支撑后，北侧墙体的水平位移最大值为8.8 mm，南侧墙体位移最大值为6.5 mm，位移最大差值为2.3 mm。

开挖至第2道支撑后，北侧墙体的水平位移最大值为20.7 mm，南侧墙体位移最大值为16.1 mm，位移最大差值为4.6 mm。

开挖至第3道支撑后，北侧墙体的水平位移最大值为31.4 mm，南侧墙体位移最大值为25.2 mm，位移最大差值为6.2 mm。

开挖至第4道支撑后，北侧墙体的水平位移最大值为42.7 mm，南侧墙体位移最大值为37.2 mm，位移最大差值为5.5 mm。

对比分析发现，南北侧墙随着深基坑开挖工况的推进，墙体水平位移量呈现先增加后逐渐稳定的趋势，且靠近南三环道路的北侧墙体产生的位移大于南侧墙体产生的位移量。

从开挖至各道支撑后，南北侧墙的水平位移累计变化量如图6～图9所示，南北侧墙累计位移差值如图10所示。

从图6～图10可以看出：

图6 第1道支撑处侧墙水平位移累计变化量

图7 第2道支撑处侧墙水平位移累计变化量

图8 第3道支撑处侧墙水平位移累计变化量

图9 第4道支撑处侧墙水平位移累计变化量

图10 南北侧墙累计位移差值

第1道支撑处，北侧墙水平位移累计变化量最大值为8.5 mm，南侧墙水平位移累计变化量最大值为6.5 mm，累计位移差值2.0 mm。

第2道支撑处，北侧墙水平位移累计变化量最大值为20.8 mm，南侧墙水平位移累计变化量最大值为16.9 mm，累计位移差值3.9 mm。

第3道支撑处，北侧墙水平位移累计变化量最大值为31.4 mm，南侧墙水平位移累计变化量最大值为24.9 mm，累计位移差值6.5 mm。

第4道支撑处，北侧墙水平位移累计变化量最大值为42.7 mm，南侧墙水平位移累计变化量最大值为37.8 mm，累计位移差值4.9 mm。

对比分析发现，在长期车辆荷载及深基坑开挖共同作用下，侧墙水平位移累计变化量随着开挖时间的增加不断增大，并逐渐趋于稳定，且南北两侧差值呈现先增大、后降低的趋势，这与深基坑开挖引起的支护结构变化结果较为吻合，结果表明基坑开挖时风险处于可控状态。

3 结语

本文以某明挖车站实际工程为依托，通过对邻近道路的深基坑开挖过程进行监测分析，结果表明：

1）随着深基坑开挖时间的推移，深基坑支护结构位移量大小呈现先增加、后趋于稳定的趋势，且靠近南三环道路的北侧墙体在开挖过程中产生的位移量及累计变形量均大于南侧墙体，这是由于南三环道路车辆荷载的存在，导致北侧墙体在长期车辆荷载作用下，产生了两侧墙体位移的差异。

2）北侧墙体与南侧墙体累计变形量差值呈现先增大、后降低的趋势，这是由于基坑底板浇筑完成后，相当于在基坑底部形成1道支撑，对深基坑支护结构起到较强的约束作用。

3）由于地铁车站深基坑所处周边环境较为复杂，在深基坑开挖施工的过程中，应进一步加强监测，同时对邻近道路的支护体系进行加固，从而保证深基坑开挖过程中支护结构变形始终处于稳定状态。